## 45 Socket 源码及面试题 ## 引导语 Socket 中文翻译叫套接字，可能很多工作四五年的同学都没有用过这个 API，但只要用到这个 API 时，必然是在重要的工程的核心代码处。 大家平时基本都在用开源的各种 rpc 框架，比如说 Dubbo、gRPC、Spring Cloud 等等，很少需要手写网络调用，以下三小节可以帮助大家补充这块的内容，当你真正需要的时候，可以作为手册示例。 本文和《ServerSocket 源码及面试题》一文主要说 Socket 和 ServerSocket 的源码，《工作实战：Socket 结合线程池的使用》这章主要说两个 API 在实际工作中如何落地。 ### 1 Socket 整体结构 Socket 的结构非常简单，Socket 就像一个壳一样，将套接字初始化、创建连接等各种操作包装了一下，其底层实现都是 SocketImpl 实现的，Socket 本身的业务逻辑非常简单。 Socket 的属性不多，有套接字的状态，SocketImpl，读写的状态等等，源码如下图：  套接字的状态变更都是有对应操作方法的，比如套接字新建（createImpl 方法）后，状态就会更改成 created = true，连接（connect）之后，状态更改成 connected = true 等等。 ### 2 初始化 Socket 的构造器比较多，可以分成两大类： 1. 指定代理类型（Proxy）创建套节点，一共有三种类型为：DIRECT（直连）、HTTP（HTTP、FTP 高级协议的代理）、SOCKS（SOCKS 代理），三种不同的代码方式对应的 SocketImpl 不同，分别是：PlainSocketImpl、HttpConnectSocketImpl、SocksSocketImpl，除了类型之外 Proxy 还指定了地址和端口； 2. 默认 SocksSocketImpl 创建，并且需要在构造器中传入地址和端口，源码如下： ``` // address 代表IP地址，port 表示套接字的端口 // address 我们一般使用 InetSocketAddress，InetSocketAddress 有 ip+port、域名+port、InetAddress 等初始化方式 public Socket(InetAddress address, int port) throws IOException { this(address != null ? new InetSocketAddress(address, port) : null, (SocketAddress) null, true); } ``` 这里的 address 可以是 ip 地址或者域名，比如说 127.0.0.1 或者 www.wenhe.com。 我们一起看一下这个构造器调用的 this 底层构造器的源码： ``` // stream 为 true 时，表示为stream socket 流套接字，使用 TCP 协议，比较稳定可靠，但占用资源多 // stream 为 false 时，表示为datagram socket 数据报套接字，使用 UDP 协议，不稳定，但占用资源少 private Socket(SocketAddress address, SocketAddress localAddr, boolean stream) throws IOException { setImpl(); // backward compatibility if (address == null) throw new NullPointerException(); try { // 创建 socket createImpl(stream); // 如果 ip 地址不为空，绑定地址 if (localAddr != null) // create、bind、connect 也是 native 方法 bind(localAddr); connect(address); } catch (IOException | IllegalArgumentException | SecurityException e) { try { close(); } catch (IOException ce) { e.addSuppressed(ce); } throw e; } } ``` 从源码中可以看出： 1. 在构造 Socket 的时候，你可以选择 TCP 或 UDP，默认是 TCP； 2. 如果构造 Socket 时，传入地址和端口，那么在构造的时候，就会尝试在此地址和端口上创建套接字； 3. Socket 的无参构造器只会初始化 SocksSocketImpl，并不会和当前地址端口绑定，需要我们手动的调用 connect 方法，才能使用当前地址和端口； 4. Socket 我们可以理解成网络沟通的语言层次的抽象，底层网络创建、连接和关闭，仍然是 TCP 或 UDP 本身网络协议指定的标准，Socket 只是使用 Java 语言做了一层封装，从而让我们更方便地使用。 ### 3 connect 连接服务端 connect 方法主要用于 Socket 客户端连接上服务端，如果底层是 TCP 层协议的话，就是通过三次握手和服务端建立连接，为客户端和服务端之间的通信做好准备，底层源码如下： ``` public void connect(SocketAddress endpoint, int timeout) throws IOException { } ``` connect 方法要求有两个入参，第一个入参是 SocketAddress，表示服务端的地址，我们可以使用 InetSocketAddress 进行初始化，比如：new InetSocketAddress(“www.wenhe.com”, 2000)。 第二入参是超时时间的意思（单位毫秒），表示客户端连接服务端的最大等待时间，如果超过当前等待时间，仍然没有成功建立连接，抛 SocketTimeoutException 异常，如果是 0 的话，表示无限等待。 ### 4 Socket 常用设置参数 Socket 的常用设置参数在 SocketOptions 类中都可以找到，接下来我们来一一分析下，以下理解大多来自类注释和网络。 #### 4.1 setTcpNoDelay 此方法是用来设置 TCP_NODELAY 属性的，属性的注释是这样的：此设置仅仅对 TCP 生效，主要为了禁止使用 Nagle 算法，true 表示禁止使用，false 表示使用，默认是 false。 对于 Nagle 算法，我们引用维基百科上的解释： 纳格算法是以减少数据包发送量来增进 [TCP/IP] 网络的性能，它由约翰·纳格任职于Ford Aerospace时命名。 纳格的文件[注 1]描述了他所谓的“小数据包问题”－某个应用程序不断地提交小单位的数据，且某些常只占1字节大小。因为TCP数据包具有40字节的标头信息（TCP与 IPv4 各占20字节），这导致了41字节大小的数据包只有1字节的可用信息，造成庞大的浪费。这种状况常常发生于Telnet工作阶段－大部分的键盘操作会产生1字节的数据并马上提交。更糟的是，在慢速的网络连线下，这类的数据包会大量地在同一时点传输，造成壅塞碰撞。 纳格算法的工作方式是合并（coalescing）一定数量的输出数据后一次提交。特别的是，只要有已提交的数据包尚未确认，发送者会持续缓冲数据包，直到累积一定数量的数据才提交。 总结算法开启关闭的场景： 1. 如果 Nagle 算法关闭，对于小数据包，比如一次鼠标移动，点击，客户端都会立马和服务端交互，实时响应度非常高，但频繁的通信却很占用不少网络资源； 2. 如果 Nagle 算法开启，算法会自动合并小数据包，等到达到一定大小（MSS）后，才会和服务端交互，优点是减少了通信次数，缺点是实时响应度会低一些。 Socket 创建时，默认是开启 Nagle 算法的，可以根据实时性要求来选择是否关闭 Nagle 算法。 #### 4.2 setSoLinger setSoLinger 方法主要用来设置 SO_LINGER 属性值的。 注释上大概是这个意思：在我们调用 close 方法时，默认是直接返回的，但如果给 SOLINGER 赋值，就会阻塞 close 方法，在 SOLINGER 时间内，等待通信双方发送数据，如果时间过了，还未结束，将发送 TCP RST 强制关闭 TCP 。 我们看一下 setSoLinger 源码： ``` // on 为 false，表示不启用延时关闭，true 的话表示启用延时关闭 // linger 为延时的时间，单位秒 public void setSoLinger(boolean on, int linger) throws SocketException { // 检查是否已经关闭 if (isClosed()) throw new SocketException("Socket is closed"); // 不启用延时关闭 if (!on) { getImpl().setOption(SocketOptions.SO_LINGER, new Boolean(on)); // 启用延时关闭，如果 linger 为 0，那么会立即关闭 // linger 最大为 65535 秒，约 18 小时 } else { if (linger < 0) { throw new IllegalArgumentException("invalid value for SO_LINGER"); } if (linger > 65535) linger = 65535; getImpl().setOption(SocketOptions.SO_LINGER, new Integer(linger)); } } ``` #### 4.3 setOOBInline setOOBInline 方法主要使用设置 SO_OOBINLINE 属性。 注释上说：如果希望接受 TCP urgent data（TCP 紧急数据）的话，可以开启该选项，默认该选项是关闭的，我们可以通过 Socket#sendUrgentData 方法来发送紧急数据。 查询了很多资料，都建议尽可能的去避免设置该值，禁止使用 TCP 紧急数据。 #### 4.4 setSoTimeout setSoTimeout 方法主要是用来设置 SO_TIMEOUT 属性的。 注释上说：用来设置阻塞操作的超时时间，阻塞操作主要有： 1. ServerSocket.accept() 服务器等待客户端的连接； 2. SocketInputStream.read() 客户端或服务端读取输入超时； 3. DatagramSocket.receive()。 我们必须在必须在阻塞操作之前设置该选项， 如果时间到了，操作仍然在阻塞，会抛出 InterruptedIOException 异常（Socket 会抛出 SocketTimeoutException 异常，不同的套接字抛出的异常可能不同）。 对于 Socket 来说，超时时间如果设置成 0，表示没有超时时间，阻塞时会无限等待。 #### 4.5 setSendBufferSize setSendBufferSize 方法主要用于设置 SO_SNDBUF 属性的，入参是 int 类型，表示设置发送端（输出端）的缓冲区的大小，单位是字节。 入参 size 必须大于 0，否则会抛出 IllegalArgumentException 异常。 一般我们都是采取默认的，如果值设置太小，很有可能导致网络交互过于频繁，如果值设置太大，那么交互变少，实时性就会变低。 #### 4.6 setReceiveBufferSize setReceiveBufferSize 方法主要用来设置 SO_RCVBUF 属性的，入参是 int 类型，表示设置接收端的缓冲区的大小，单位是字节。 入参 size 必须大于 0，否则会抛出 IllegalArgumentException 异常。 一般来说，在套接字建立连接之后，我们可以随意修改窗口大小，但是当窗口大小大于 64k 时，需要注意： 1. 必须在 Socket 连接客户端之前设置缓冲值； 2. 必须在 ServerSocket 绑定本地地址之前设置缓冲值。 #### 4.7 setKeepAlive setKeepAlive 方法主要用来设置 SO_KEEPALIVE 属性，主要是用来探测服务端的套接字是否还是存活状态，默认设置是 false，不会触发这个功能。 如果 SO_KEEPALIVE 开启的话，TCP 自动触发功能：如果两小时内，客户端和服务端的套接字之间没有任何通信，TCP 会自动发送 keepalive 探测给对方，对方必须响应这个探测（假设是客户端发送给服务端），预测有三种情况： 1. 服务端使用预期的 ACK 回复，说明一切正常； 2. 服务端回复 RST，表示服务端处于死机或者重启状态，终止连接； 3. 没有得到服务端的响应（会尝试多次），表示套接字已经关闭了。 #### 4.8 setReuseAddress setReuseAddress 方法主要用来设置 SO_REUSEADDR 属性，入参是布尔值，默认是 false。 套接字在关闭之后，会等待一段时间之后才会真正的关闭，如果此时有新的套接字前来绑定同样的地址和端口时，如果 setReuseAddress 为 true 的话，就可以绑定成功，否则绑定失败。