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关于java:面试突击70什么是粘包和半包怎么解决

jiezi

粘包和半包问题是数据传输中比拟常见的问题，所谓的 粘包问题是指数据在传输时，在一条音讯中读取到了另一条音讯的局部数据，这种景象就叫做粘包。 比方发送了两条音讯，别离为“ABC”和“DEF”，那么失常状况下接收端也应该收到两条音讯“ABC”和“DEF”，但接收端却收到的是“ABCD”，像这种状况就叫做粘包，如下图所示：

半包问题是指接收端只收到了局部数据，而非残缺的数据的状况就叫做半包。比方发送了一条音讯是“ABC”，而接收端却收到的是“AB”和“C”两条信息，这种状况就叫做半包，如下图所示：

PS：大部分状况下咱们都把粘包问题和半包问题看成同一个问题，所以下文就用“粘包”问题来代替“粘包”和“半包”问题。

1. 为什么会有粘包问题？

粘包问题产生在 TCP/IP 协定中，因为 TCP 是面向连贯的传输协定，它是以“流”的模式传输数据的，而“流”数据是没有明确的开始和结尾边界的，所以就会呈现粘包问题。

2. 粘包问题代码演示

接下来咱们用代码来演示一下粘包和半包问题，为了演示的直观性，我会设置两个角色：

  • 服务器端用来接管音讯；
  • 客户端用来发送一段固定的音讯。

而后通过打印服务器端接管到的信息来察看粘包问题。
服务器端代码实现如下：

/**
 * 服务器端（只负责接管音讯）*/
class ServSocket {
    // 字节数组的长度
    private static final int BYTE_LENGTH = 20;  
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创立 Socket 服务器
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8888);
        // 获取客户端连贯
        Socket clientSocket = serverSocket.accept();
        // 失去客户端发送的流对象
        try (InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream()) {while (true) {
                // 循环获取客户端发送的信息
                byte[] bytes = new byte[BYTE_LENGTH];
                // 读取客户端发送的信息
                int count = inputStream.read(bytes, 0, BYTE_LENGTH);
                if (count > 0) {
                    // 胜利接管到无效音讯并打印
                    System.out.println("接管到客户端的信息是:" + new String(bytes));
                }
                count = 0;
            }
        }
    }
}

客户端实现代码如下：

/**
 * 客户端（只负责发送音讯）*/
static class ClientSocket {public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创立 Socket 客户端并尝试连贯服务器端
        Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 8888);
        // 发送的音讯内容
        final String message = "Hi,Java."; 
        // 应用输入流发送音讯
        try (OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()) {
            // 给服务器端发送 10 次音讯
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                // 发送音讯
                outputStream.write(message.getBytes());
            }
        }
    }
}

以上程序的执行后果如下图所示：

通过上述后果咱们能够看出，服务器端产生了粘包问题，因为客户端发送了 10 次固定的“Hi,Java.”的音讯，正确的后果应该是服务器端也接管到了 10 次固定音讯“Hi,Java.”才对，但理论执行后果并非如此。

3. 解决方案

粘包问题的常见解决方案有以下 3 种：

  1. 发送方和接管方固定发送数据的大小，当字符长度不够时用空字符补救，有了固定大小之后就晓得每条音讯的具体边界了，这样就没有粘包的问题了；
  2. 在 TCP 协定的根底上封装一层自定义数据协定，在自定义数据协定中，蕴含数据头（存储数据的大小）和 数据的具体内容，这样服务端失去数据之后，通过解析数据头就能够晓得数据的具体长度了，也就没有粘包的问题了；
  3. 以非凡的字符结尾，比方以“\n”结尾，这样咱们就晓得数据的具体边界了，从而防止了粘包问题（举荐计划）。

解决方案 1：固定数据大小

收、发固定大小的数据，服务器端的实现代码如下：

/**
* 服务器端，改良版本一（只负责接管音讯）*/
static class ServSocketV1 {
 private static final int BYTE_LENGTH = 1024;  // 字节数组长度（收音讯用）public static void main(String[] args) throws IOException {ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(9091);
     // 获取到连贯
     Socket clientSocket = serverSocket.accept();
     try (InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream()) {while (true) {byte[] bytes = new byte[BYTE_LENGTH];
             // 读取客户端发送的信息
             int count = inputStream.read(bytes, 0, BYTE_LENGTH);
             if (count > 0) {
                 // 接管到音讯打印
                 System.out.println("接管到客户端的信息是:" + new String(bytes).trim());
             }
             count = 0;
         }
     }
 }
}

客户端的实现代码如下：

/**
* 客户端，改进版一（只负责接管音讯）*/
static class ClientSocketV1 {
 private static final int BYTE_LENGTH = 1024;  // 字节长度
 public static void main(String[] args) throws IOException {Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 9091);
     final String message = "Hi,Java."; // 发送音讯
     try (OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()) {
         // 将数据组装成定长字节数组
         byte[] bytes = new byte[BYTE_LENGTH];
         int idx = 0;
         for (byte b : message.getBytes()) {bytes[idx] = b;
             idx++;
         }
         // 给服务器端发送 10 次音讯
         for (int i = 0; i < 10; i++) {outputStream.write(bytes, 0, BYTE_LENGTH);
         }
     }
 }
}

以上代码的执行后果如下图所示：

优缺点剖析

从以上代码能够看出，尽管这种形式能够解决粘包问题，但这种 固定数据大小的传输方式，当数据量比拟小时会应用空字符来填充，所以会额定的减少网络传输的累赘，因而不是现实的解决方案。

解决方案 2：自定义申请协定

这种解决方案的实现思路是将申请的数据封装为两局部：音讯头（发送的数据大小）+ 音讯体（发送的具体数据），它的格局如下图所示：

此解决方案的实现分为以下 3 局部：

  1. 编写一个音讯封装类
  2. 编写客户端
  3. 编写服务器端

接下来咱们一一来实现。

① 音讯封装类

音讯的封装类中提供了两个办法：一个是将音讯转换成音讯头 + 音讯体的办法，另一个是读取音讯头的办法，具体实现代码如下：

/**
 * 音讯封装类
 */
class SocketPacket {// 音讯头存储的长度(占 8 字节)
    static final int HEAD_SIZE = 8;

    /**
     * 将协定封装为: 协定头 + 协定体
     * @param context 音讯体(String 类型)
     * @return byte[]
     */
    public byte[] toBytes(String context) {
        // 协定体 byte 数组
        byte[] bodyByte = context.getBytes();
        int bodyByteLength = bodyByte.length;
        // 最终封装对象
        byte[] result = new byte[HEAD_SIZE + bodyByteLength];
        // 借助 NumberFormat 将 int 转换为 byte[]
        NumberFormat numberFormat = NumberFormat.getNumberInstance();
        numberFormat.setMinimumIntegerDigits(HEAD_SIZE);
        numberFormat.setGroupingUsed(false);
        // 协定头 byte 数组
        byte[] headByte = numberFormat.format(bodyByteLength).getBytes();
        // 封装协定头
        System.arraycopy(headByte, 0, result, 0, HEAD_SIZE);
        // 封装协定体
        System.arraycopy(bodyByte, 0, result, HEAD_SIZE, bodyByteLength);
        return result;
    }

    /**
     * 获取音讯头的内容(也就是音讯体的长度)
     * @param inputStream
     * @return
     */
    public int getHeader(InputStream inputStream) throws IOException {
        int result = 0;
        byte[] bytes = new byte[HEAD_SIZE];
        inputStream.read(bytes, 0, HEAD_SIZE);
        // 失去音讯体的字节长度
        result = Integer.valueOf(new String(bytes));
        return result;
    }
}

② 客户端

客户端中咱们增加一组待发送的音讯，随机给服务器端发送一个音讯，实现代码如下：

/**
 * 客户端
 */
class MySocketClient {public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 启动 Socket 并尝试连贯服务器
        Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 9093);
        // 发送音讯合集（随机发送一条音讯）final String[] message = {"Hi,Java.", "Hi,SQL~", "关注公众号 |Java 中文社群."};
        // 创立协定封装对象
        SocketPacket socketPacket = new SocketPacket();
        try (OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()) {
            // 给服务器端发送 10 次音讯
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                // 随机发送一条音讯
                String msg = message[new Random().nextInt(message.length)];
                // 将内容封装为: 协定头 + 协定体
                byte[] bytes = socketPacket.toBytes(msg);
                // 发送音讯
                outputStream.write(bytes, 0, bytes.length);
                outputStream.flush();}
        }
    }
}

③ 服务器端

服务器端应用线程池来解决每个客户端的业务申请，实现代码如下：

/**
 * 服务器端
 */
class MySocketServer {public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创立 Socket 服务器端
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(9093);
        // 获取客户端连贯
        Socket clientSocket = serverSocket.accept();
        // 应用线程池解决更多的客户端
        ThreadPoolExecutor threadPool = new ThreadPoolExecutor(100, 150, 100,
                TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingQueue<>(1000));
        threadPool.submit(() -> {
            // 客户端音讯解决
            processMessage(clientSocket);
        });
    }
    /**
     * 客户端音讯解决
     * @param clientSocket
     */
    private static void processMessage(Socket clientSocket) {
        // Socket 封装对象
        SocketPacket socketPacket = new SocketPacket();
        // 获取客户端发送的音讯对象
        try (InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream()) {while (true) {// 获取音讯头(也就是音讯体的长度)
                int bodyLength = socketPacket.getHeader(inputStream);
                // 音讯体 byte 数组
                byte[] bodyByte = new byte[bodyLength];
                // 每次理论读取字节数
                int readCount = 0;
                // 音讯体赋值下标
                int bodyIndex = 0;
                // 循环接管音讯头中定义的长度
                while (bodyIndex <= (bodyLength - 1) &&
                        (readCount = inputStream.read(bodyByte, bodyIndex, bodyLength)) != -1) {bodyIndex += readCount;}
                bodyIndex = 0;
                // 胜利接管到客户端的音讯并打印
                System.out.println("接管到客户端的信息:" + new String(bodyByte));
            }
        } catch (IOException ioException) {System.out.println(ioException.getMessage());
        }
    }
}

以上程序的执行后果如下：

从上述后果能够看出，音讯通信失常，客户端和服务器端的交互中并没有呈现粘包问题。

优缺点剖析

此解决方案尽管能够解决粘包问题，但音讯的设计和代码的实现复杂度比拟高，所以也不是现实的解决方案。

解决方案 3：特殊字符结尾

以特殊字符结尾就能够晓得流的边界了，它的具体实现是：应用 Java 中自带的 BufferedReader 和 BufferedWriter，也就是带缓冲区的输出字符流和输入字符流，通过写入的时候加上 \n 来结尾，读取的时候应用 readLine 按行来读取数据，这样就晓得流的边界了，从而解决了粘包的问题。
服务器端实现代码如下：

/**
 * 服务器端，改进版三(只负责收音讯)
 */
static class ServSocketV3 {public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创立 Socket 服务器端
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(9092);
        // 获取客户端连贯
        Socket clientSocket = serverSocket.accept();
        // 应用线程池解决更多的客户端
        ThreadPoolExecutor threadPool = new ThreadPoolExecutor(100, 150, 100,
                TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingQueue<>(1000));
        threadPool.submit(() -> {
            // 音讯解决
            processMessage(clientSocket);
        });
    }
    /**
     * 音讯解决
     * @param clientSocket
     */
    private static void processMessage(Socket clientSocket) {
        // 获取客户端发送的音讯流对象
        try (BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream()))) {while (true) {
                // 按行读取客户端发送的音讯
                String msg = bufferedReader.readLine();
                if (msg != null) {
                    // 胜利接管到客户端的音讯并打印
                    System.out.println("接管到客户端的信息:" + msg);
                }
            }
        } catch (IOException ioException) {ioException.printStackTrace();
        }
    }
}

PS：上述代码应用了线程池来解决多个客户端同时拜访服务器端的问题，从而实现了一对多的服务器响应。

客户端的实现代码如下：

/**
 * 客户端，改进版三(只负责发送音讯)
 */
static class ClientSocketV3 {public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 启动 Socket 并尝试连贯服务器
        Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 9092);
        final String message = "Hi,Java."; // 发送音讯
        try (BufferedWriter bufferedWriter = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(socket.getOutputStream()))) {
            // 给服务器端发送 10 次音讯
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                // 留神: 结尾的 \n 不能省略, 它示意按行写入
                bufferedWriter.write(message + "\n");
                // 刷新缓冲区(此步骤不能省略)
                bufferedWriter.flush();}
        }
    }
}

以上代码的执行后果如下图所示：

优缺点剖析

以特殊符号作为粘包的解决方案的最大长处是实现简略，但存在肯定的局限性，比方当一条音讯两头如果呈现了结束符就会造成半包的问题，所以如果是简单的字符串要对内容进行编码和解码解决，这样能力保障结束符的正确性。

总结

粘包和半包问题是数据传输中比拟常见的问题，它的解决方案有很多，比拟常见的解决方案有：设置固定的数据传输大小、自定义申请协定的封装，在申请头中退出传输数据的长度、应用特殊符号作为结束符等。

是非审之于己，毁誉听之于人，得失安之于数。

公众号：Java 面试真题解析

面试合集：https://gitee.com/mydb/interview

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