基于Java Socket的自定义协议，实现Android与服务器的长连接（一）

一、基础知识准备

在正式给大家介绍自定义协议之前，我们先对网络传输和协议解析的相关知识点做一个基本的介绍，尽管这些知识点我们在学校里学过，但难免会有所遗忘，这里先做一个简单的介绍，以便对后文的内容理解更加顺畅。

1. 网络七层协议

OSI的7层从上到下分别是：7 应用层、 6 表示层、 5 会话层、 4 传输层、 3 网络层、 2 数据链路层、 1 物理层;其中高层(即7、6、5、4层)定义了应用程序的功能，下面3层(即3、2、1层)主要面向通过网络的端到端的数据流。应用层常见的协议有：HTTP、FTP、SMTP等;常见的传输层有：TCP、UDP。本文主要是基于TCP自定义协议实现客户端与服务端的长连接。

2. Socket

Socket本质是编程接口(API)，对TCP/IP的封装，TCP/IP也要提供可供程序员做网络开发所用的接口，这就是Socket编程接口，通常也称作"套接字"。套接字之间的连接过程可以分为三个步骤：客户端请求，服务端回复收到，客户端收到服务端的回复，即三次握手。连接成功时，应用程序两端都会产生一个Socket实例，操作这个实例完成所需的会话。对于一个网络连接来说，套接字是平等的，并没有差别，不因为在服务器端或在客户端而产生不同级别。

3. 位(bit)、字节(byte)

“位(bit)”是电子计算机中最小的数据单位。每一位的状态只能是0或1;“字节(Byte)”由8个二进制位构成(即1byte=8bit)，它是存储空间的基本计量单位，它能表示到数值范围为0到255(即2的8次方减1);

4. 算术移位运算(符号位不变，低位补0)

左移运算：1<<2，1的二进制位是1，向左移两位是100，转为十进制数即为4，所以1<<2的运算结果是4;
右移运算：7>>2，7的二进制位是111，向右移两位是1，所以7>>2的运算结果是1 。

5. Java中各类型占字节数

byte 8位，1个字节
boolean 8位，1个字节
char 16位，2个字节
short 16位，2个字节
int 32位，4个字节
float 32位，4个字节
double 64位，8个字节
long 64位，8个字节

6. Java中socket相关函数

Socket构造函数
- Socket(InetAddress address, int port)throws UnknownHostException, IOException
- Socket(InetAddress address, int port, InetAddress localAddress, int localPort)throws IOException
- Socket(String host, int port)throws UnknownHostException, IOException
- Socket(String host, int port, InetAddress localAddress, int localPort)throws IOException
- 还可以通过以下方式生成socket：

SocketFactory.getDefault().createSocket(String address, String port) throws ConnectException

Socket方法
- getInetAddress(); // 远程服务端的IP地址
- getPort(); // 远程服务端的端口
- getLocalAddress(); // 本地客户端的IP地址
- getLocalPort(); // 本地客户端的端口
- getInputStream(); // 获得输入流
- getOutStream(); // 获得输出流
Socket状态
- isClosed(); // 连接是否已关闭，若关闭，返回true;否则返回false
- isConnect(); // 如果曾经连接过，返回true;否则返回false
- isBound(); // 如果Socket已经与本地一个端口绑定，返回true;否则返回false
- 判断Socket的状态是否处于连接中

boolean isConnected = socket.isConnected() && !socket.isClosed(); // 判断当前是否处于连接

ServerSocket构造函数
- ServerSocket()throws IOException
- ServerSocket(int port)throws IOException
- ServerSocket(int port, int backlog)throws IOException
- ServerSocket(int port, int backlog, InetAddress bindAddr)throws IOException
服务端接收客户端的连接请求：
- Socket socket = serverSocket.accept();

7. Java中常见流操作类

输入流
- InputStream
  - 抽象类，描述流的输入
- ByteArrayInputStream
  - 从字节数组读取的输入流
- BufferedInputStream
  - 缓冲输入流
- FileInputStream
  - 从文件读入的输入流
- ObjectInputStream
  - 对象输入流(所读写的对象必须实现Serializable接口)
- DataInputStream
  - 包含了读取Java标准数据类型的输入流
输出流
- OutputStream
  - 抽象类，描述流的输入
- ByteArrayOutputStream
  - 写入字节数组的输出流
- BufferedOutputStream
  - 缓冲输出流
- FileOutputStream
  - 写入文件的输出流
- ObjectOutputStream
  - 对象输出流(所读写的对象必须实现Serializable接口)
- DataOutputStream
  - 包含了写Java标准数据类型的输出流

二、一个简单的socket连接例子

注：先运行服务端代码的main函数，再运行客户端代码的main函数，即可看到打印连接成功

1. 客户端

import java.net.Socket;
/**
* Created by meishan on 16/12/1.
*/
public class Client {
public static void main(String[] args) throws Exception {
boolean isConnected;
String host = "127.0.0.1";
int port = 1122;
Socket socket = null;
try {
socket = SocketFactory.getDefault().createSocket(host, port);
isConnected = true;
System.out.println("连接成功！");
} catch (ConnectException e) {
isConnected = false;
e.printStackTrace();
System.out.println("连接失败！");
}
if (!isConnected) {
return;
}
Thread.sleep(5000);
socket.close();
System.out.println("断开连接！");
}
}

2. 服务端

import java.io.IOException;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
/**
* Created by meishan on 16/12/1.
*/
public class Server {
private int port = 1122;
private ServerSocket serverSocket;
public Server() throws Exception {
serverSocket = new ServerSocket(port, 3);//显式设置连接请求队列的长度为3
System.out.println("服务器启动!");
}
public void service() {
while (true) {
Socket socket = null;
try {
socket = serverSocket.accept();
System.out.println("New connection accepted " + socket.getInetAddress() + ":" + socket.getPort());
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
if (socket != null) {
try {
socket.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
Server server = new Server();
Thread.sleep(3000);
server.service();
}
}

三、一个简单的自定义协议例子

例子中，数据包的定义：消息对象=包类型+包长度+消息内容

包类型 byte 型
包长度 int 型
消息内容 byte[] 型

1. 客户端

import java.io.DataOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.OutputStream;
import java.net.Socket;
import java.net.UnknownHostException;
import java.util.Scanner;
/**
* Created by meishan on 16/12/1.
*/
public class Client {
public static void main(String[] args) {
try {
Socket client = new Socket("127.0.0.1", 9091);
OutputStream out = client.getOutputStream();
DataOutputStream outs = new DataOutputStream(out);
while (true) {
Scanner scaner = new Scanner(System.in);
genProtocol(outs, scaner.next());
}
} catch (UnknownHostException e) {
e.printStackTrace();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
/**
* 构造协议
*
* @param out
* @param msg
* @throws IOException
*/
private static void genProtocol(DataOutputStream out, String msg) throws IOException {
int type = 1; //消息类型
byte[] bytes = msg.getBytes(); //消息内容
int totalLen = 1 + 4 + bytes.length; //消息长度
out.writeByte(type); //写入消息类型
out.writeInt(totalLen); //写入消息长度
out.write(bytes); //写入消息内容
out.flush();
}
}

2. 服务端

import java.io.DataInputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
/**
* Created by meishan on 16/12/1.
*/
public class Server {
public static void main(String[] args) {
try {
ServerSocket server = new ServerSocket(9091);
while (true) {
Socket client = server.accept();
System.out.println("客户端" + client.getRemoteSocketAddress() + "连接成功");
parseProtocol(client);
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
/**
* 消息解析
*
* @param client
* @throws IOException
*/
private static void parseProtocol(Socket client) throws IOException {
InputStream is = client.getInputStream();
DataInputStream dis = new DataInputStream(is); //读取Java标准数据类型的输入流
//协议解析
while (true) {
byte type = dis.readByte(); //读取消息类型
int totalLen = dis.readInt(); //读取消息长度
byte[] data = new byte[totalLen - 4 - 1]; //定义存放消息内容的字节数组
dis.readFully(data); //读取消息内容
String msg = new String(data); //消息内容
System.out.println("接收消息类型" + type);
System.out.println("接收消息长度" + totalLen);
System.out.println("发来的内容是:" + msg);
}
}
}

四、总结

本文简单介绍了socket通信和自定义协议的相关知识点，为后续的深入做一些准备工作，下一篇文章《基于Java Socket的自定义协议，实现Android与服务器的长连接(二)》将通过一个实例来详细讲解自定义协议实现长连接通信。

作者：枚杉

来源：51CTO

时间： 2024-10-03 12:07:52

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