网络编程懒人入门(八)：手把手教你写基于TCP的Socket长连接

本文原作者：“水晶虾饺”，原文由“玉刚说”写作平台提供写作赞助，原文版权归“玉刚说”微信公众号所有，即时通讯网收录时有改动。

1、引言

好多小白初次接触即时通讯（比如：IM或者消息推送应用）时，总是不能理解Web短连接（就是最常见的HTTP通信了）跟长连接（主要指TCP、UDP协议实现的socket通信，当然HTML5里的Websocket协议也是长连接）的区别，导致写即时通讯这类系统代码时往往找不到最佳实践，搞的一脸蒙逼。

本篇我们先简单了解一下 TCP/IP，然后通过实现一个 echo 服务器来学习 Java 的 Socket API。最后我们聊聊偏高级一点点的 socket 长连接和协议设计。

另外，本系列文章的前2篇《网络编程懒人入门(一)：快速理解网络通信协议（上篇）》、《网络编程懒人入门(二)：快速理解网络通信协议（下篇）》快速介绍了网络基本通信协议及理论基础，如果您对网络基础毫无概念，则请务必首先阅读完这2篇文章。本系列的第3篇文章《网络编程懒人入门(三)：快速理解TCP协议一篇就够》有助于您快速理解TCP协议理论的方方面面，建议也可以读一读。

TCP 是互联网的核心协议之一，鉴于它的重要性，希望通过阅读上面介绍的几篇理论文章，再针对本文的动手实践，能真正加深您对TCP协议的理解。

如果您正打算系统地学习即时通讯开发，在读完本文后，建议您可以详细阅读《新手入门一篇就够：从零开发移动端IM》。

（提示：本文完整源码可以从文末附件打包下载）

2、系列文章

本文是系列文章中的第8篇，本系列文章的大纲如下：

• 《网络编程懒人入门(一)：快速理解网络通信协议（上篇）》
• 《网络编程懒人入门(二)：快速理解网络通信协议（下篇）》
• 《网络编程懒人入门(三)：快速理解TCP协议一篇就够》
• 《网络编程懒人入门(四)：快速理解TCP和UDP的差异》
• 《网络编程懒人入门(五)：快速理解为什么说UDP有时比TCP更有优势》
• 《网络编程懒人入门(六)：史上最通俗的集线器、交换机、路由器功能原理入门》
• 《网络编程懒人入门(七)：深入浅出，全面理解HTTP协议》
• 《网络编程懒人入门(八)：手把手教你写基于TCP的Socket长连接》（本文）
• 《网络编程懒人入门(九)：通俗讲解，有了IP地址，为何还要用MAC地址？》
• 《网络编程懒人入门(十)：一泡尿的时间，快速读懂QUIC协议》
• 《网络编程懒人入门(十一)：一文读懂什么是IPv6》
• 《网络编程懒人入门(十二)：快速读懂Http/3协议，一篇就够！》
• 《网络编程懒人入门(十三)：一泡尿的时间，快速搞懂TCP和UDP的区别》
• 《网络编程懒人入门(十四)：到底什么是Socket？一文即懂！》
  

本站的《脑残式网络编程入门》也适合入门学习，本系列大纲如下：

• 《脑残式网络编程入门(一)：跟着动画来学TCP三次握手和四次挥手》
• 《脑残式网络编程入门(二)：我们在读写Socket时，究竟在读写什么？》
• 《脑残式网络编程入门(三)：HTTP协议必知必会的一些知识》
  

如果您觉得本系列文章过于基础，您可直接阅读《不为人知的网络编程》系列文章，该系列目录如下：

• 《不为人知的网络编程(一)：浅析TCP协议中的疑难杂症(上篇)》
• 《不为人知的网络编程(二)：浅析TCP协议中的疑难杂症(下篇)》
• 《不为人知的网络编程(三)：关闭TCP连接时为什么会TIME_WAIT、CLOSE_WAIT》
• 《不为人知的网络编程(四)：深入研究分析TCP的异常关闭》
• 《不为人知的网络编程(五)：UDP的连接性和负载均衡》
• 《不为人知的网络编程(六)：深入地理解UDP协议并用好它》
• 《不为人知的网络编程(七)：如何让不可靠的UDP变的可靠？》
• 《不为人知的网络编程(八)：从数据传输层深度解密HTTP》
• 《不为人知的网络编程(九)：理论联系实际，全方位深入理解DNS》
  

如果您对服务端高性能网络编程感兴趣，可以阅读以下系列文章：

• 《高性能网络编程(一)：单台服务器并发TCP连接数到底可以有多少》
• 《高性能网络编程(二)：上一个10年，著名的C10K并发连接问题》
• 《高性能网络编程(三)：下一个10年，是时候考虑C10M并发问题了》
• 《高性能网络编程(四)：从C10K到C10M高性能网络应用的理论探索》
  

关于移动端网络特性及优化手段的总结性文章请见：

• 《现代移动端网络短连接的优化手段总结：请求速度、弱网适应、安全保障》
• 《移动端IM开发者必读(一)：通俗易懂，理解移动网络的“弱”和“慢”》
• 《移动端IM开发者必读(二)：史上最全移动弱网络优化方法总结》
  

3、参考资料

《TCP/IP详解 - 第11章·UDP：用户数据报协议》
《TCP/IP详解 - 第17章·TCP：传输控制协议》
《TCP/IP详解 - 第18章·TCP连接的建立与终止》
《TCP/IP详解 - 第21章·TCP的超时与重传》
《通俗易懂-深入理解TCP协议（上）：理论基础》
《通俗易懂-深入理解TCP协议（下）：RTT、滑动窗口、拥塞处理》
《理论经典：TCP协议的3次握手与4次挥手过程详解》
《理论联系实际：Wireshark抓包分析TCP 3次握手、4次挥手过程》
《计算机网络通讯协议关系图（中文珍藏版）》
《高性能网络编程(一)：单台服务器并发TCP连接数到底可以有多少》
《高性能网络编程(二)：上一个10年，著名的C10K并发连接问题》
《高性能网络编程(三)：下一个10年，是时候考虑C10M并发问题了》
《高性能网络编程(四)：从C10K到C10M高性能网络应用的理论探索》
《简述传输层协议TCP和UDP的区别》
《为什么QQ用的是UDP协议而不是TCP协议？》
《移动端即时通讯协议选择：UDP还是TCP？》

4、TCP/IP 协议简介

TCP/IP协议族是互联网最重要的基础设施之一，如有兴趣了解TCP/IP的贡献，可以读一读此文：《技术往事：改变世界的TCP/IP协议（珍贵多图、手机慎点）》，本文因篇幅原因仅作简要介绍。

4.1IP协议

首先我们看 IP（Internet Protocol）协议。IP 协议提供了主机和主机间的通信。

为了完成不同主机的通信，我们需要某种方式来唯一标识一台主机，这个标识，就是著名的IP地址。通过IP地址，IP 协议就能够帮我们把一个数据包发送给对方。

4.2TCP协议

前面我们说过，IP 协议提供了主机和主机间的通信。TCP 协议在 IP 协议提供的主机间通信功能的基础上，完成这两个主机上进程对进程的通信。

有了 IP，不同主机就能够交换数据。但是，计算机收到数据后，并不知道这个数据属于哪个进程（简单讲，进程就是一个正在运行的应用程序）。TCP 的作用就在于，让我们能够知道这个数据属于哪个进程，从而完成进程间的通信。

为了标识数据属于哪个进程，我们给需要进行 TCP 通信的进程分配一个唯一的数字来标识它。这个数字，就是我们常说的端口号。

TCP 的全称是 Transmission Control Protocol，大家对它说得最多的，大概就是面向连接的特性了。之所以说它是有连接的，是说在进行通信前，通信双方需要先经过一个三次握手的过程。三次握手完成后，连接便建立了。这时候我们才可以开始发送/接收数据。（与之相对的是 UDP，不需要经过握手，就可以直接发送数据）。

下面我们简单了解一下三次握手的过程：

• 首先，客户向服务端发送一个 SYN，假设此时 sequence number 为 x。这个 x 是由操作系统根据一定的规则生成的，不妨认为它是一个随机数；
• 服务端收到 SYN 后，会向客户端再发送一个 SYN，此时服务器的 seq number = y。与此同时，会 ACK x+1，告诉客户端“已经收到了 SYN，可以发送数据了”；
• 客户端收到服务器的 SYN 后，回复一个 ACK y+1，这个 ACK 则是告诉服务器，SYN 已经收到，服务器可以发送数据了。
  

经过这 3 步，TCP 连接就建立了，这里需要注意的有三点：

• 连接是由客户端主动发起的；
• 在第 3 步客户端向服务器回复 ACK 的时候，TCP 协议是允许我们携带数据的。之所以做不到，是 API 的限制导致的；
• TCP 协议还允许 “四次握手” 的发生，同样的，由于 API 的限制，这个极端的情况并不会发生。
  

TCP/IP 相关的理论知识我们就先了解到这里，如果对TCP的3次握手和4次挥手还不太理解，那就详细读读以下文章：

• 《通俗易懂-深入理解TCP协议（上）：理论基础》
• 《通俗易懂-深入理解TCP协议（下）：RTT、滑动窗口、拥塞处理》
• 《理论经典：TCP协议的3次握手与4次挥手过程详解》
• 《理论联系实际：Wireshark抓包分析TCP 3次握手、4次挥手过程》
  

关于 TCP，还有诸如可靠性、流量控制、拥塞控制等非常有趣的特性。强烈推荐读者看一看 Richard 的名著《TCP/IP 详解 - 卷1》（注意，是第1版，不是第2版）。


▲ 网络编程理论经典《TCP/IP 详解 - 卷1》（在线阅读版点此进入）

另外，TCP/IP协议其实是一个庞大的协议族，《计算机网络通讯协议关系图（中文珍藏版）》一文中为您清晰展现了这个协议族之间的关系，很有收藏价值，建议务必读一读。


▲ TCP/IP协议族图（高清原图点此进入）

下面我们看一些偏实战的东西。

5、Socket 基本用法

Socket 是 TCP 层的封装，通过 socket，我们就能进行 TCP 通信。

在 Java 的 SDK 中，socket 的共有两个接口：用于监听客户连接的 ServerSocket 和用于通信的 Socket。

使用 socket 的步骤如下：

• 1）创建 ServerSocket 并监听客户连接；
• 2）使用 Socket 连接服务端；
• 3）通过 Socket.getInputStream()/getOutputStream() 获取输入输出流进行通信。
  

下面，我们通过实现一个简单的 echo 服务来学习 socket 的使用。所谓的 echo 服务，就是客户端向服务端写入任意数据，服务器都将数据原封不动地写回给客户端。

5.1第一步：创建 ServerSocket 并监听客户连接

public class EchoServer {

    private final ServerSocket mServerSocket;

    public EchoServer(int port) throws IOException {
        // 1. 创建一个 ServerSocket 并监听端口 port
        mServerSocket = new ServerSocket(port);
    }

    public void run() throws IOException {
        // 2. 开始接受客户连接
        Socket client = mServerSocket.accept();
        handleClient(client);
    }

    private void handleClient(Socket socket) {
        // 3. 使用 socket 进行通信 ...
    }


    public static void main(String[] argv) {
        try {
            EchoServer server = new EchoServer(9877);
            server.run();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

5.2第二步：使用 Socket 连接服务端

public class EchoClient {

    private final Socket mSocket;

    public EchoClient(String host, int port) throws IOException {
        // 创建 socket 并连接服务器
        mSocket = new Socket(host, port);
    }

    public void run() {
        // 和服务端进行通信
    }


    public static void main(String[] argv) {
        try {
            // 由于服务端运行在同一主机，这里我们使用 localhost
            EchoClient client = new EchoClient("localhost", 9877);
            client.run();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

5.3第三步：通过 socket.getInputStream()/getOutputStream() 获取输入/输出流进行通信

首先，我们来实现服务端：

public class EchoServer {
    // ...

    private void handleClient(Socket socket) throws IOException {
        InputStream in = socket.getInputStream();
        OutputStream out = socket.getOutputStream();
        byte[] buffer = new byte[1024];
        int n;
        while ((n = in.read(buffer)) > 0) {
            out.write(buffer, 0, n);
        }
    }
}

可以看到，服务端的实现其实很简单，我们不停地读取输入数据，然后写回给客户端。

下面我们看看客户端：

public class EchoClient {
    // ...

    public void run() throws IOException {
        Thread readerThread = new Thread(this::readResponse);
        readerThread.start();

        OutputStream out = mSocket.getOutputStream();
        byte[] buffer = new byte[1024];
        int n;
        while ((n = System.in.read(buffer)) > 0) {
            out.write(buffer, 0, n);
        }
    }

    private void readResponse() {
        try {
            InputStream in = mSocket.getInputStream();
            byte[] buffer = new byte[1024];
            int n;
            while ((n = in.read(buffer)) > 0) {
                System.out.write(buffer, 0, n);
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

客户端会稍微复杂一点点，在读取用户输入的同时，我们又想读取服务器的响应。所以，这里创建了一个线程来读服务器的响应。

不熟悉 lambda 的读者，可以把Thread readerThread = new Thread(this::readResponse) 换成下面这个代码：

Thread readerThread = new Thread(new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        readResponse();
    }
});

打开两个 terminal 分别执行如下命令：

$ javac EchoServer.java
$ java EchoServer

$ javac EchoClient.java
$ java EchoClient
hello Server
hello Server
foo
foo

在客户端，我们会看到，输入的所有字符都打印了出来。

5.4最后需要注意的有几点

• 1）在上面的代码中，我们所有的异常都没有处理。实际应用中，在发生异常时，需要关闭 socket，并根据实际业务做一些错误处理工作；
• 2）在客户端，我们没有停止 readThread。实际应用中，我们可以通过关闭 socket 来让线程从阻塞读中返回。推荐读者阅读《Java并发编程实战》；
• 3）我们的服务端只处理了一个客户连接。如果需要同时处理多个客户端，可以创建线程来处理请求。这个作为练习留给读者来完全。
  

6、Socket、ServerSocket 傻傻分不清楚

在进入这一节的主题前，读者不妨先考虑一个问题：在上一节的实例中，我们运行 echo 服务后，在客户端连接成功时，一个有多少个 socket 存在？

答案是 3 个 socket：客户端一个，服务端有两个。跟这个问题的答案直接关联的是本节的主题——Socket 和 ServerSocket 的区别是什么。

眼尖的读者，可能会注意到在上一节我是这样描述他们的：

在 Java 的 SDK 中，socket 的共有两个接口：用于监听客户连接的 ServerSocket 和用于通信的 Socket。

注意：我只说 ServerSocket 是用于监听客户连接，而没有说它也可以用来通信。下面我们来详细了解一下他们的区别。

注：以下描述使用的是 UNIX/Linux 系统的 API。

首先，我们创建 ServerSocket 后，内核会创建一个 socket。这个 socket 既可以拿来监听客户连接，也可以连接远端的服务。由于 ServerSocket 是用来监听客户连接的，紧接着它就会对内核创建的这个 socket 调用 listen 函数。这样一来，这个 socket 就成了所谓的 listening socket，它开始监听客户的连接。

接下来，我们的客户端创建一个 Socket，同样的，内核也创建一个 socket 实例。内核创建的这个 socket 跟 ServerSocket 一开始创建的那个没有什么区别。不同的是，接下来 Socket 会对它执行 connect，发起对服务端的连接。前面我们说过，socket API 其实是 TCP 层的封装，所以 connect 后，内核会发送一个 SYN 给服务端。

现在，我们切换角色到服务端。服务端的主机在收到这个 SYN 后，会创建一个新的 socket，这个新创建的 socket 跟客户端继续执行三次握手过程。

三次握手完成后，我们执行的 serverSocket.accept() 会返回一个 Socket 实例，这个 socket 就是上一步内核自动帮我们创建的。

所以说：在一个客户端连接的情况下，其实有 3 个 socket。

关于内核自动创建的这个 socket，还有一个很有意思的地方。它的端口号跟 ServerSocket 是一毛一样的。咦！！不是说，一个端口只能绑定一个 socket 吗？其实这个说法并不够准确。

前面我说的TCP 通过端口号来区分数据属于哪个进程的说法，在 socket 的实现里需要改一改。Socket 并不仅仅使用端口号来区别不同的 socket 实例，而是使用 <peer addr:peer port, local addr:local port> 这个四元组。

在上面的例子中，我们的 ServerSocket 长这样：<*:*, *:9877>。意思是，可以接受任何的客户端，和本地任何 IP。

accept 返回的 Socket 则是这样：<127.0.0.1:xxxx, 127.0.0.1:9877>。其中，xxxx 是客户端的端口号。

如果数据是发送给一个已连接的 socket，内核会找到一个完全匹配的实例，所以数据准确发送给了对端。

如果是客户端要发起连接，这时候只有 <*:*, *:9877> 会匹配成功，所以 SYN 也准确发送给了监听套接字。

Socket/ServerSocket 的区别我们就讲到这里。如果读者觉得不过瘾，可以参考《TCP/IP 详解》卷1、卷2。

7、Socket “长”连接的实现

7.1背景知识

Socket 长连接，指的是在客户和服务端之间保持一个 socket 连接长时间不断开。

比较熟悉 Socket 的读者，可能知道有这样一个 API：

socket.setKeepAlive(true);

嗯……keep alive，“保持活着”，这个应该就是让 TCP 不断开的意思。那么，我们要实现一个 socket 的长连接，只需要这一个调用即可。

遗憾的是，生活并不总是那么美好。对于 4.4BSD 的实现来说，Socket 的这个 keep alive 选项如果打开并且两个小时内没有通信，那么底层会发一个心跳，看看对方是不是还活着。

注意：两个小时才会发一次。也就是说，在没有实际数据通信的时候，我把网线拔了，你的应用程序要经过两个小时才会知道。

这个话题，对于即时通讯的老手来说，也就是经常讨论的“网络连接心跳保活”这个话题了，感兴趣的话可以读一读《聊聊iOS中网络编程长连接的那些事》、《为何基于TCP协议的移动端IM仍然需要心跳保活机制？》、《微信团队原创分享：Android版微信后台保活实战分享(网络保活篇)》、《Android端消息推送总结：实现原理、心跳保活、遇到的问题等》。

在说明如果实现长连接前，我们先来理一理我们面临的问题。

假定现在有一对已经连接的 socket，在以下情况发生时候，socket 将不再可用：

• 1）某一端关闭是 socket（这不是废话吗）：主动关闭的一方会发送 FIN，通知对方要关闭 TCP 连接。在这种情况下，另一端如果去读 socket，将会读到 EoF（End of File）。于是我们知道对方关闭了 socket；
• 2）应用程序奔溃：此时 socket 会由内核关闭，结果跟情况1一样；
• 3）系统奔溃：这时候系统是来不及发送 FIN 的，因为它已经跪了。此时对方无法得知这一情况。对方在尝试读取数据时，最后会返回 read time out。如果写数据，则是 host unreachable 之类的错误。
• 4）电缆被挖断、网线被拔：跟情况3差不多，如果没有对 socket 进行读写，两边都不知道发生了事故。跟情况3不同的是，如果我们把网线接回去，socket 依旧可以正常使用。
  

在上面的几种情形中，有一个共同点就是，只要去读、写 socket，只要 socket 连接不正常，我们就能够知道。基于这一点，要实现一个 socket 长连接，我们需要做的就是不断地给对方写数据，然后读取对方的数据，也就是所谓的心跳。只要心还在跳，socket 就是活的。写数据的间隔，需要根据实际的应用需求来决定。

心跳包不是实际的业务数据，根据通信协议的不同，需要做不同的处理。

比方说，我们使用 JSON 进行通信，那么，可以为协议包加一个 type 字段，表面这个 JSON 是心跳还是业务数据：

{
    "type": 0,  // 0 表示心跳

    // ...
}

使用二进制协议的情况类似。要求就是，我们能够区别一个数据包是心跳还是真实数据。这样，我们便实现了一个 socket 长连接。

7.2实现示例

这一小节我们一起来实现一个带长连接的 Android echo 客户端。完整的代码可以在本文末尾的附件找到。

首先了接口部分：

public final class LongLiveSocket {

    /**
     * 错误回调
     */
    public interface ErrorCallback {
        /**
         * 如果需要重连，返回 true
         */
        boolean onError();
    }


    /**
     * 读数据回调
     */
    public interface DataCallback {
        void onData(byte[] data, int offset, int len);
    }


    /**
     * 写数据回调
     */
    public interface WritingCallback {
        void onSuccess();
        void onFail(byte[] data, int offset, int len);
    }


    public LongLiveSocket(String host, int port,
                          DataCallback dataCallback, ErrorCallback errorCallback) {
    }

    public void write(byte[] data, WritingCallback callback) {
    }

    public void write(byte[] data, int offset, int len, WritingCallback callback) {
    }

    public void close() {
    }
}

我们这个支持长连接的类就叫 LongLiveSocket 好了。如果在 socket 断开后需要重连，只需要在对应的接口里面返回 true 即可（在真实场景里，我们还需要让客户设置重连的等待时间，还有读写、连接的 timeout等。为了简单，这里就直接不支持了。

另外需要注意的一点是，如果要做一个完整的库，需要同时提供阻塞式和回调式API。同样由于篇幅原因，这里直接省掉了。

下面我们直接看实现：

public final class LongLiveSocket {
    private static final String TAG = "LongLiveSocket";

    private static final long RETRY_INTERVAL_MILLIS = 3 * 1000;
    private static final long HEART_BEAT_INTERVAL_MILLIS = 5 * 1000;
    private static final long HEART_BEAT_TIMEOUT_MILLIS = 2 * 1000;

    /**
     * 错误回调
     */
    public interface ErrorCallback {
        /**
         * 如果需要重连，返回 true
         */
        boolean onError();
    }


    /**
     * 读数据回调
     */
    public interface DataCallback {
        void onData(byte[] data, int offset, int len);
    }


    /**
     * 写数据回调
     */
    public interface WritingCallback {
        void onSuccess();
        void onFail(byte[] data, int offset, int len);
    }


    private final String mHost;
    private final int mPort;
    private final DataCallback mDataCallback;
    private final ErrorCallback mErrorCallback;

    private final HandlerThread mWriterThread;
    private final Handler mWriterHandler;
    private final Handler mUIHandler = new Handler(Looper.getMainLooper());

    private final Object mLock = new Object();
    private Socket mSocket;  // guarded by mLock
    private boolean mClosed; // guarded by mLock

    private final Runnable mHeartBeatTask = new Runnable() {
        private byte[] mHeartBeat = new byte[0];

        @Override
        public void run() {
            // 我们使用长度为 0 的数据作为 heart beat
            write(mHeartBeat, new WritingCallback() {
                @Override
                public void onSuccess() {
                    // 每隔 HEART_BEAT_INTERVAL_MILLIS 发送一次
                    mWriterHandler.postDelayed(mHeartBeatTask, HEART_BEAT_INTERVAL_MILLIS);
                    mUIHandler.postDelayed(mHeartBeatTimeoutTask, HEART_BEAT_TIMEOUT_MILLIS);
                }

                @Override
                public void onFail(byte[] data, int offset, int len) {
                    // nop
                    // write() 方法会处理失败
                }
            });
        }
    };

    private final Runnable mHeartBeatTimeoutTask = () -> {
        Log.e(TAG, "mHeartBeatTimeoutTask#run: heart beat timeout");
        closeSocket();
    };


    public LongLiveSocket(String host, int port,
                          DataCallback dataCallback, ErrorCallback errorCallback) {
        mHost = host;
        mPort = port;
        mDataCallback = dataCallback;
        mErrorCallback = errorCallback;

        mWriterThread = new HandlerThread("socket-writer");
        mWriterThread.start();
        mWriterHandler = new Handler(mWriterThread.getLooper());
        mWriterHandler.post(this::initSocket);
    }

    private void initSocket() {
        while (true) {
            if (closed()) return;

            try {
                Socket socket = new Socket(mHost, mPort);
                synchronized (mLock) {
                    // 在我们创建 socket 的时候，客户可能就调用了 close()
                    if (mClosed) {
                        silentlyClose(socket);
                        return;
                    }
                    mSocket = socket;
                    // 每次创建新的 socket，会开一个线程来读数据
                    Thread reader = new Thread(new ReaderTask(socket), "socket-reader");
                    reader.start();
                    mWriterHandler.post(mHeartBeatTask);
                }
                break;
            } catch (IOException e) {
                Log.e(TAG, "initSocket: ", e);
                if (closed() || !mErrorCallback.onError()) {
                    break;
                }
                try {
                    TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(RETRY_INTERVAL_MILLIS);
                } catch (InterruptedException e1) {
                    // interrupt writer-thread to quit
                    break;
                }
            }
        }
    }

    public void write(byte[] data, WritingCallback callback) {
        write(data, 0, data.length, callback);
    }

    public void write(byte[] data, int offset, int len, WritingCallback callback) {
        mWriterHandler.post(() -> {
            Socket socket = getSocket();
            if (socket == null) {
                // initSocket 失败而客户说不需要重连，但客户又叫我们给他发送数据
                throw new IllegalStateException("Socket not initialized");
            }
            try {
                OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
                DataOutputStream out = new DataOutputStream(outputStream);
                out.writeInt(len);
                out.write(data, offset, len);
                callback.onSuccess();
            } catch (IOException e) {
                Log.e(TAG, "write: ", e);
                closeSocket();
                callback.onFail(data, offset, len);
                if (!closed() && mErrorCallback.onError()) {
                    initSocket();
                }
            }
        });
    }

    private boolean closed() {
        synchronized (mLock) {
            return mClosed;
        }
    }

    private Socket getSocket() {
        synchronized (mLock) {
            return mSocket;
        }
    }

    private void closeSocket() {
        synchronized (mLock) {
            closeSocketLocked();
        }
    }

    private void closeSocketLocked() {
        if (mSocket == null) return;

        silentlyClose(mSocket);
        mSocket = null;
        mWriterHandler.removeCallbacks(mHeartBeatTask);
    }

    public void close() {
        if (Looper.getMainLooper() == Looper.myLooper()) {
            new Thread() {
                @Override
                public void run() {
                    doClose();
                }
            }.start();
        } else {
            doClose();
        }
    }

    private void doClose() {
        synchronized (mLock) {
            mClosed = true;
            // 关闭 socket，从而使得阻塞在 socket 上的线程返回
            closeSocketLocked();
        }
        mWriterThread.quit();
        // 在重连的时候，有个 sleep
        mWriterThread.interrupt();
    }


    private static void silentlyClose(Closeable closeable) {
        if (closeable != null) {
            try {
                closeable.close();
            } catch (IOException e) {
                Log.e(TAG, "silentlyClose: ", e);
                // error ignored
            }
        }
    }


    private class ReaderTask implements Runnable {

        private final Socket mSocket;

        public ReaderTask(Socket socket) {
            mSocket = socket;
        }

        @Override
        public void run() {
            try {
                readResponse();
            } catch (IOException e) {
                Log.e(TAG, "ReaderTask#run: ", e);
            }
        }

        private void readResponse() throws IOException {
            // For simplicity, assume that a msg will not exceed 1024-byte
            byte[] buffer = new byte[1024];
            InputStream inputStream = mSocket.getInputStream();
            DataInputStream in = new DataInputStream(inputStream);
            while (true) {
                int nbyte = in.readInt();
                if (nbyte == 0) {
                    Log.i(TAG, "readResponse: heart beat received");
                    mUIHandler.removeCallbacks(mHeartBeatTimeoutTask);
                    continue;
                }

                if (nbyte > buffer.length) {
                    throw new IllegalStateException("Receive message with len " + nbyte +
                                    " which exceeds limit " + buffer.length);
                }

                if (readn(in, buffer, nbyte) != 0) {
                    // Socket might be closed twice but it does no harm
                    silentlyClose(mSocket);
                    // Socket will be re-connected by writer-thread if you want
                    break;
                }
                mDataCallback.onData(buffer, 0, nbyte);
            }
        }

        private int readn(InputStream in, byte[] buffer, int n) throws IOException {
            int offset = 0;
            while (n > 0) {
                int readBytes = in.read(buffer, offset, n);
                if (readBytes < 0) {
                    // EoF
                    break;
                }
                n -= readBytes;
                offset += readBytes;
            }
            return n;
        }
    }
}

下面是我们新实现的 EchoClient：

public class EchoClient {
    private static final String TAG = "EchoClient";

    private final LongLiveSocket mLongLiveSocket;

    public EchoClient(String host, int port) {
        mLongLiveSocket = new LongLiveSocket(
                host, port,
                (data, offset, len) -> Log.i(TAG, "EchoClient: received: " + new String(data, offset, len)),
                // 返回 true，所以只要出错，就会一直重连
                () -> true);
    }

    public void send(String msg) {
        mLongLiveSocket.write(msg.getBytes(), new LongLiveSocket.WritingCallback() {
            @Override
            public void onSuccess() {
                Log.d(TAG, "onSuccess: ");
            }

            @Override
            public void onFail(byte[] data, int offset, int len) {
                Log.w(TAG, "onFail: fail to write: " + new String(data, offset, len));
                // 连接成功后，还会发送这个消息
                mLongLiveSocket.write(data, offset, len, this);
            }
        });
    }
}

就这样，一个带 socket 长连接的客户端就完成了。剩余代码跟我们这里的主题没有太大关系，感兴趣的读者可以看看文末附件里的源码或者自己完成这个例子。

下面是一些输出示例：

03:54:55.583 12691-12713/com.example.echo I/LongLiveSocket: readResponse: heart beat received
03:55:00.588 12691-12713/com.example.echo I/LongLiveSocket: readResponse: heart beat received
03:55:05.594 12691-12713/com.example.echo I/LongLiveSocket: readResponse: heart beat received
03:55:09.638 12691-12710/com.example.echo D/EchoClient: onSuccess: 
03:55:09.639 12691-12713/com.example.echo I/EchoClient: EchoClient: received: hello
03:55:10.595 12691-12713/com.example.echo I/LongLiveSocket: readResponse: heart beat received
03:55:14.652 12691-12710/com.example.echo D/EchoClient: onSuccess: 
03:55:14.654 12691-12713/com.example.echo I/EchoClient: EchoClient: received: echo
03:55:15.596 12691-12713/com.example.echo I/LongLiveSocket: readResponse: heart beat received
03:55:20.597 12691-12713/com.example.echo I/LongLiveSocket: readResponse: heart beat received
03:55:25.602 12691-12713/com.example.echo I/LongLiveSocket: readResponse: heart beat received

最后需要说明的是，如果想节省资源，在有客户发送数据的时候可以省略 heart beat。

我们对读出错时候的处理，可能也存在一些争议。读出错后，我们只是关闭了 socket。socket 需要等到下一次写动作发生时，才会重新连接。实际应用中，如果这是一个问题，在读出错后可以直接开始重连。这种情况下，还需要一些额外的同步，避免重复创建 socket。heart beat timeout 的情况类似。

8、跟 TCP/IP 学协议设计

如果仅仅是为了使用是 socket，我们大可以不去理会协议的细节。之所以推荐大家去看一看《TCP/IP 详解》，是因为它们有太多值得学习的地方。很多我们工作中遇到的问题，都可以在这里找到答案。

以下每一个小节的标题都是一个小问题，建议读者独立思考一下，再继续往下看。

8.1协议版本如何升级？

有这么一句流行的话：这个世界唯一不变的，就是变化。当我们对协议版本进行升级的时候，正确识别不同版本的协议对软件的兼容非常重要。那么，我们如何设计协议，才能够为将来的版本升级做准备呢？

答案可以在 IP 协议找到。

IP 协议的第一个字段叫 version，目前使用的是 4 或 6，分别表示 IPv4 和 IPv6。由于这个字段在协议的开头，接收端收到数据后，只要根据第一个字段的值就能够判断这个数据包是 IPv4 还是 IPv6。

再强调一下，这个字段在两个版本的IP协议都位于第一个字段，为了做兼容处理，对应的这个字段必须位于同一位置。文本协议（如，JSON、HTML）的情况类似。

8.2如何发送不定长数据的数据包？

举个例子，我们用微信发送一条消息。这条消息的长度是不确定的，并且每条消息都有它的边界。我们如何来处理这个边界呢？

还是一样，看看 IP。IP 的头部有个 header length 和 data length 两个字段。通过添加一个 len 域，我们就能够把数据根据应用逻辑分开。

跟这个相对的，还有另一个方案，那就是在数据的末尾放置终止符。比方说，想 C 语言的字符串那样，我们在每个数据的末尾放一个 \0 作为终止符，用以标识一条消息的尾部。这个方法带来的问题是，用户的数据也可能存在 \0。此时，我们就需要对用户的数据进行转义。比方说，把用户数据的所有 \0 都变成 \0\0。读消息的过程总，如果遇到 \0\0，那它就代表 \0，如果只有一个 \0，那就是消息尾部。

使用 len 字段的好处是，我们不需要对数据进行转义。读取数据的时候，只要根据 len 字段，一次性把数据都读进来就好，效率会更高一些。

终止符的方案虽然要求我们对数据进行扫描，但是如果我们可能从任意地方开始读取数据，就需要这个终止符来确定哪里才是消息的开头了。

当然，这两个方法不是互斥的，可以一起使用。

8.3上传多个文件，只有所有文件都上传成功时才算成功

现在我们有一个需求，需要一次上传多个文件到服务器，只有在所有文件都上传成功的情况下，才算成功。我们该如何来实现呢？

IP 在数据报过大的时候，会把一个数据报拆分成多个，并设置一个 MF （more fragments）位，表示这个包只是被拆分后的数据的一部分。

好，我们也学一学 IP。这里，我们可以给每个文件从 0 开始编号。上传文件的同时，也携带这个编号，并额外附带一个 MF 标志。除了编号最大的文件，所有文件的 MF 标志都置位。因为 MF 没有置位的是最后一个文件，服务器就可以根据这个得出总共有多少个文件。

另一种不使用 MF 标志的方法是，我们在上传文件前，就告诉服务器总共有多少个文件。

如果读者对数据库比较熟悉，学数据库用事务来处理，也是可以的。这里就不展开讨论了。

8.4如何保证数据的有序性？

这里讲一个我曾经遇到过的面试题。现在有一个任务队列，多个工作线程从中取出任务并执行，执行结果放到一个结果队列中。先要求，放入结果队列的时候，顺序顺序需要跟从工作队列取出时的一样（也就是说，先取出的任务，执行结果需要先放入结果队列）。

我们看看 TCP/IP 是怎么处理的。IP 在发送数据的时候，不同数据报到达对端的时间是不确定的，后面发送的数据有可能较先到达。TCP 为了解决这个问题，给所发送数据的每个字节都赋了一个序列号，通过这个序列号，TCP 就能够把数据按原顺序重新组装。

一样，我们也给每个任务赋一个值，根据进入工作队列的顺序依次递增。工作线程完成任务后，在将结果放入结果队列前，先检查要放入对象的写一个序列号是不是跟自己的任务相同，如果不同，这个结果就不能放进去。此时，最简单的做法是等待，知道下一个可以放入队列的结果是自己所执行的那一个。但是，这个线程就没办法继续处理任务了。

更好的方法是，我们维护多一个结果队列的缓冲，这个缓冲里面的数据按序列号从小到大排序。

工作线程要将结果放入，有两种可能：

• 1）刚刚完成的任务刚好是下一个，将这个结果放入队列。然后从缓冲的头部开始，将所有可以放入结果队列的数据都放进去；
• 2）所完成的任务不能放入结果队列，这个时候就插入结果队列。然后，跟上一种情况一样，需要检查缓冲。
  

如果测试表明，这个结果缓冲的数据不多，那么使用普通的链表就可以。如果数据比较多，可以使用一个最小堆。

8.5如何保证对方收到了消息？

我们说，TCP 提供了可靠的传输。这样不就能够保证对方收到消息了吗？

很遗憾，其实不能。在我们往 socket 写入的数据，只要对端的内核收到后，就会返回 ACK，此时，socket 就认为数据已经写入成功。然而要注意的是，这里只是对方所运行的系统的内核成功收到了数据，并不表示应用程序已经成功处理了数据。

解决办法还是一样，我们学 TCP，添加一个应用层的 APP ACK。应用接收到消息并处理成功后，发送一个 APP ACK 给对方。

有了 APP ACK，我们需要处理的另一个问题是，如果对方真的没有收到，需要怎么做？

TCP 发送数据的时候，消息一样可能丢失。TCP 发送数据后，如果长时间没有收到对方的 ACK，就假设数据已经丢失，并重新发送。

我们也一样，如果长时间没有收到 APP ACK，就假设数据丢失，重新发送一个。

关于数据送达保证和应应答机制，以下文章进行了详细讨论：

• 《IM消息送达保证机制实现(一)：保证在线实时消息的可靠投递》
• 《IM消息送达保证机制实现(二)：保证离线消息的可靠投递》
• 《IM群聊消息如此复杂，如何保证不丢不重？》
• 《从客户端的角度来谈谈移动端IM的消息可靠性和送达机制》
  

9、源码附件下载

手把手教你写基于TCP的Socket长连接-源码(52im.net).zip (142.48 KB , 下载次数: 326 , 售价: 1 金币)

3 年前 上传

请点击文件名下载附件！

（原文链接：https://jekton.github.io/2018/06/23/socket-intro/，有改动）

附录：更多网络编程资料

《技术往事：改变世界的TCP/IP协议（珍贵多图、手机慎点）》
《UDP中一个包的大小最大能多大？》
《Java新一代网络编程模型AIO原理及Linux系统AIO介绍》
《NIO框架入门(一)：服务端基于Netty4的UDP双向通信Demo演示》
《NIO框架入门(二)：服务端基于MINA2的UDP双向通信Demo演示》
《NIO框架入门(三)：iOS与MINA2、Netty4的跨平台UDP双向通信实战》
《NIO框架入门(四)：Android与MINA2、Netty4的跨平台UDP双向通信实战》
《P2P技术详解(一)：NAT详解——详细原理、P2P简介》
《P2P技术详解(二)：P2P中的NAT穿越(打洞)方案详解》
《P2P技术详解(三)：P2P技术之STUN、TURN、ICE详解》
《通俗易懂：快速理解P2P技术中的NAT穿透原理》
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写的很详细很系统，赞！

引用：大马仕格 发表于 2018-06-29 17:22
写的很详细很系统，赞！

嗯，文章内容很饱满的

分析全面

感谢

学习了

学习了,写的很好,看的出作者的功底极其深厚

引用：梦醒 发表于 2019-03-05 16:33
学习了,写的很好,看的出作者的功底极其深厚

楼楼，有没有PHP的代码啊，Java的看不懂哦

太感谢了, 很详细

引用：lyuscott 发表于 2019-10-09 18:34
太感谢了, 很详细

嗯嗯

谢谢分享，内容很好，更新

感谢分享 ！！

感谢分享！学到了很多东西

问什么不用C讲啊

引用：zyf552311 发表于 2020-08-17 17:09
问什么不用C讲啊

为什么要用c讲啊

感谢 , 学到很多东西

感谢分享