Java网络编程精解之ServerSocket用法详解一

在客户/服务器通信模式中，服务器端需要创建监听特定端口的ServerSocket，ServerSocket负责接收客户连接请求。本章首先介绍ServerSocket类的各个构造方法，以及成员方法的用法，接着介绍服务器如何用多线程来处理与多个客户的通信任务。

本章提供线程池的一种实现方式。线程池包括一个工作队列和若干工作线程。服务器程序向工作队列中加入与客户通信的任务，工作线程不断从工作队列中取出任务并执行它。本章还介绍了java.util.concurrent包中的线程池类的用法，在服务器程序中可以直接使用它们。

3.1  构造ServerSocket

ServerSocket的构造方法有以下几种重载形式：

◆ServerSocket()throws IOException 
◆ServerSocket(int port) throws IOException 
◆ServerSocket(int port, int backlog) throws IOException
◆ServerSocket(int port, int backlog, InetAddress bindAddr) throws IOException   

在以上构造方法中，参数port指定服务器要绑定的端口（服务器要监听的端口），参数backlog指定客户连接请求队列的长度，参数bindAddr指定服务器要绑定的IP地址。

3.1.1  绑定端口

除了第一个不带参数的构造方法以外，其他构造方法都会使服务器与特定端口绑定，该端口由参数port指定。例如，以下代码创建了一个与80端口绑定的服务器：

ServerSocket serverSocket=new ServerSocket(80);

如果运行时无法绑定到80端口，以上代码会抛出IOException，更确切地说，是抛出BindException，它是IOException的子类。BindException一般是由以下原因造成的：

◆端口已经被其他服务器进程占用；
◆在某些操作系统中，如果没有以超级用户的身份来运行服务器程序，那么操作系统不允许服务器绑定到1~1023之间的端口。

如果把参数port设为0，表示由操作系统来为服务器分配一个任意可用的端口。由操作系统分配的端口也称为匿名端口。对于多数服务器，会使用明确的端口，而不会使用匿名端口，因为客户程序需要事先知道服务器的端口，才能方便地访问服务器。在某些场合，匿名端口有着特殊的用途，本章3.4节会对此作介绍。

3.1.2  设定客户连接请求队列的长度

当服务器进程运行时，可能会同时监听到多个客户的连接请求。例如，每当一个客户进程执行以下代码：

Socket socket=new Socket(www.javathinker.org,80);

就意味着在远程www.javathinker.org主机的80端口上，监听到了一个客户的连接请求。管理客户连接请求的任务是由操作系统来完成的。操作系统把这些连接请求存储在一个先进先出的队列中。许多操作系统限定了队列的最大长度，一般为50。当队列中的连接请求达到了队列的最大容量时，服务器进程所在的主机会拒绝新的连接请求。只有当服务器进程通过ServerSocket的accept()方法从队列中取出连接请求，使队列腾出空位时，队列才能继续加入新的连接请求。

对于客户进程，如果它发出的连接请求被加入到服务器的队列中，就意味着客户与服务器的连接建立成功，客户进程从Socket构造方法中正常返回。如果客户进程发出的连接请求被服务器拒绝，Socket构造方法就会抛出ConnectionException。

ServerSocket构造方法的backlog参数用来显式设置连接请求队列的长度，它将覆盖操作系统限定的队列的最大长度。值得注意的是，在以下几种情况中，仍然会采用操作系统限定的队列的最大长度：

◆backlog参数的值大于操作系统限定的队列的最大长度；
◆backlog参数的值小于或等于0；
◆在ServerSocket构造方法中没有设置backlog参数。

以下例程3-1的Client.java和例程3-2的Server.java用来演示服务器的连接请求队列的特性。

例程3-1  Client.java

import java.net.*;
public class Client {
  public static void main(String args[])throws Exception{
    final int length=100;
    String host="localhost";
    int port=8000;

    Socket[] sockets=new Socket[length];
    for(int i=0;i<length;i++){     ="" 试图建立100次连接<br="">      sockets[i]=new Socket(host, port);
      System.out.println("第"+(i+1)+"次连接成功");
    }
    Thread.sleep(3000);
    for(int i=0;i<length;i++){
      sockets[i].close();      //断开连接
    }
  }
}

#p#

例程3-2  Server.java

import java.io.*;
import java.net.*;
public class Server {
  private int port=8000;
  private ServerSocket serverSocket;

  public Server() throws IOException {
    serverSocket = new ServerSocket(port,3);    //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();     //从连接请求队列中取出一个

连接
        System.out.println("New connection accepted " +
        socket.getInetAddress() + ":" +socket.getPort());
      }catch (IOException e) {
         e.printStackTrace();
      }finally {
         try{
           if(socket!=null)socket.close();
         }catch (IOException e) {e.printStackTrace();}
      }
    }
  }

  public static void main(String args[])throws Exception {
    Server server=new Server();
    Thread.sleep(60000*10);      //睡眠10分钟
    //server.service();
  }
}

Client试图与Server进行100次连接。在Server类中，把连接请求队列的长度设为3。这意味着当队列中有了3个连接请求时，如果Client再请求连接，就会被Server拒绝。下面按照以下步骤运行Server和Client程序。

（1）把Server类的main()方法中的“server.service();”这行程序代码注释掉。这使得服务器与8000端口绑定后，永远不会执行serverSocket.accept()方法。这意味着队列中的连接请求永远不会被取出。先运行Server程序，然后再运行Client程序，Client程序的打印结果如下：

第1次连接成功
第2次连接成功
第3次连接成功
Exception in thread "main" java.net.ConnectException: Connection refused: connect
        at java.net.PlainSocketImpl.socketConnect(Native Method)
        at java.net.PlainSocketImpl.doConnect(Unknown Source)
        at java.net.PlainSocketImpl.connectToAddress(Unknown Source)
        at java.net.PlainSocketImpl.connect(Unknown Source)
        at java.net.SocksSocketImpl.connect(Unknown Source)
        at java.net.Socket.connect(Unknown Source)
        at java.net.Socket.connect(Unknown Source)
        at java.net.Socket.(Unknown Source)
        at java.net.Socket.(Unknown Source)
        at Client.main(Client.java:10)

从以上打印结果可以看出，Client与Server在成功地建立了3个连接后，就无法再创建其余的连接了，因为服务器的队列已经满了。

（2）把Server类的main()方法按如下方式修改：

public static void main(String args[])throws Exception {
    Server server=new Server();
    //Thread.sleep(60000*10);  //睡眠10分钟
    server.service();
  }

作了以上修改，服务器与8 000端口绑定后，就会在一个while循环中不断执行serverSocket.accept()方法，该方法从队列中取出连接请求，使得队列能及时腾出空位，以容纳新的连接请求。先运行Server程序，然后再运行Client程序，Client程序的打印结果如下：

第1次连接成功
第2次连接成功
第3次连接成功
…
第100次连接成功

从以上打印结果可以看出，此时Client能顺利与Server建立100次连接。

3.1.3  设定绑定的IP地址

如果主机只有一个IP地址，那么默认情况下，服务器程序就与该IP地址绑定。ServerSocket的第4个构造方法ServerSocket(int port, int backlog, InetAddress bindAddr)有一个bindAddr参数，它显式指定服务器要绑定的IP地址，该构造方法适用于具有多个IP地址的主机。假定一个主机有两个网卡，一个网卡用于连接到Internet， IP地址为222.67.5.94，还有一个网卡用于连接到本地局域网，IP地址为192.168.3.4。如果服务器仅仅被本地局域网中的客户访问，那么可以按如下方式创建ServerSocket：

ServerSocket serverSocket=new ServerSocket(8000,10,InetAddress.getByName ("192.168.3.4"));

3.1.4  默认构造方法的作用

ServerSocket有一个不带参数的默认构造方法。通过该方法创建的ServerSocket不与任何端口绑定，接下来还需要通过bind()方法与特定端口绑定。

这个默认构造方法的用途是，允许服务器在绑定到特定端口之前，先设置ServerSocket的一些选项。因为一旦服务器与特定端口绑定，有些选项就不能再改变了。

在以下代码中，先把ServerSocket的SO_REUSEADDR选项设为true，然后再把它与8000端口绑定：

ServerSocket serverSocket=new ServerSocket();
serverSocket.setReuseAddress(true);      //设置ServerSocket的选项
serverSocket.bind(new InetSocketAddress(8000));   //与8000端口绑定

如果把以上程序代码改为：

ServerSocket serverSocket=new ServerSocket(8000);
serverSocket.setReuseAddress(true);      //设置ServerSocket的选项

那么serverSocket.setReuseAddress(true)方法就不起任何作用了，因为SO_ REUSEADDR选项必须在服务器绑定端口之前设置才有效。

#p#

3.2  接收和关闭与客户的连接

ServerSocket的accept()方法从连接请求队列中取出一个客户的连接请求，然后创建与客户连接的Socket对象，并将它返回。如果队列中没有连接请求，accept()方法就会一直等待，直到接收到了连接请求才返回。

接下来，服务器从Socket对象中获得输入流和输出流，就能与客户交换数据。当服务器正在进行发送数据的操作时，如果客户端断开了连接，那么服务器端会抛出一个IOException的子类SocketException异常：

java.net.SocketException: Connection reset by peer

这只是服务器与单个客户通信中出现的异常，这种异常应该被捕获，使得服务器能继续与其他客户通信。

以下程序显示了单线程服务器采用的通信流程：

public void service() {
  while (true) {
    Socket socket=null;
    try {
      socket = serverSocket.accept();    //从连接请求队列中取出一个连接
      System.out.println("New connection accepted " +
      socket.getInetAddress() + ":" +socket.getPort());
      //接收和发送数据
      …
    }catch (IOException e) {
      //这只是与单个客户通信时遇到的异常，可能是由于客户端过早断开连接引起的
      //这种异常不应该中断整个while循环
       e.printStackTrace();
    }finally {
       try{
         if(socket!=null)socket.close();    //与一个客户通信结束后，要关闭

Socket
       }catch (IOException e) {e.printStackTrace();}
    }
  }
}

与单个客户通信的代码放在一个try代码块中，如果遇到异常，该异常被catch代码块捕获。try代码块后面还有一个finally代码块，它保证不管与客户通信正常结束还是异常结束，最后都会关闭Socket，断开与这个客户的连接。

3.3  关闭ServerSocket

ServerSocket的close()方法使服务器释放占用的端口，并且断开与所有客户的连接。当一个服务器程序运行结束时，即使没有执行ServerSocket的close()方法，操作系统也会释放这个服务器占用的端口。因此，服务器程序并不一定要在结束之前执行ServerSocket的close()方法。

在某些情况下，如果希望及时释放服务器的端口，以便让其他程序能占用该端口，则可以显式调用ServerSocket的close()方法。例如，以下代码用于扫描1~65535之间的端口号。如果ServerSocket成功创建，意味着该端口未被其他服务器进程绑定，否者说明该端口已经被其他进程占用：

for(int port=1;port<=65535;port++){
  try{
ServerSocket serverSocket=new ServerSocket(port);
serverSocket.close();   //及时关闭ServerSocket
  }catch(IOException e){
    System.out.println("端口"+port+" 已经被其他服务器进程占用");
}
}

以上程序代码创建了一个ServerSocket对象后，就马上关闭它，以便及时释放它占用的端口，从而避免程序临时占用系统的大多数端口。

ServerSocket的isClosed()方法判断ServerSocket是否关闭，只有执行了ServerSocket的close()方法，isClosed()方法才返回true；否则，即使ServerSocket还没有和特定端口绑定，isClosed()方法也会返回false。

ServerSocket的isBound()方法判断ServerSocket是否已经与一个端口绑定，只要ServerSocket已经与一个端口绑定，即使它已经被关闭，isBound()方法也会返回true。

如果需要确定一个ServerSocket已经与特定端口绑定，并且还没有被关闭，则可以采用以下方式：

boolean isOpen=serverSocket.isBound() && !serverSocket.isClosed();

3.4  获取ServerSocket的信息

ServerSocket的以下两个get方法可分别获得服务器绑定的IP地址，以及绑定的端口：

◆public InetAddress getInetAddress()
◆public int getLocalPort()

前面已经讲到，在构造ServerSocket时，如果把端口设为0，那么将由操作系统为服务器分配一个端口（称为匿名端口），程序只要调用getLocalPort()方法就能获知这个端口号。如例程3-3所示的RandomPort创建了一个ServerSocket，它使用的就是匿名端口。

#p#

例程3-3  RandomPort.java

import java.io.*;
import java.net.*;

public class RandomPort{
  public static void main(String args[])throws IOException{
    ServerSocket serverSocket=new ServerSocket(0);
    System.out.println("监听的端口为:"+serverSocket.getLocalPort());
  }
}

多次运行RandomPort程序，可能会得到如下运行结果：

C:\chapter03\classes>java RandomPort
监听的端口为:3000
C:\chapter03\classes>java RandomPort
监听的端口为:3004
C:\chapter03\classes>java RandomPort
监听的端口为:3005

多数服务器会监听固定的端口，这样才便于客户程序访问服务器。匿名端口一般适用于服务器与客户之间的临时通信，通信结束，就断开连接，并且ServerSocket占用的临时端口也被释放。

FTP（文件传输）协议就使用了匿名端口。如图3-1所示，FTP协议用于在本地文件系统与远程文件系统之间传送文件。

 

图3-1  FTP协议用于在本地文件系统与远程文件系统之间传送文件

FTP使用两个并行的TCP连接：一个是控制连接，一个是数据连接。控制连接用于在客户和服务器之间发送控制信息，如用户名和口令、改变远程目录的命令或上传和下载文件的命令。数据连接用于传送文件。TCP服务器在21端口上监听控制连接，如果有客户要求上传或下载文件，就另外建立一个数据连接，通过它来传送文件。数据连接的建立有两种方式。

（1）如图3-2所示，TCP服务器在20端口上监听数据连接，TCP客户主动请求建立与该端口的连接。

 

图3-2  TCP服务器在20端口上监听数据连接

（2）如图3-3所示，首先由TCP客户创建一个监听匿名端口的ServerSocket，再把这个ServerSocket监听的端口号（调用ServerSocket的getLocalPort()方法就能得到端口号）发送给TCP服务器，然后由TCP服务器主动请求建立与客户端的连接。

 

图3-3  TCP客户在匿名端口上监听数据连接

以上第二种方式就使用了匿名端口，并且是在客户端使用的，用于和服务器建立临时的数据连接。在实际应用中，在服务器端也可以使用匿名端口。

3.5  ServerSocket选项

ServerSocket有以下3个选项。

◆SO_TIMEOUT：表示等待客户连接的超时时间。
◆SO_REUSEADDR：表示是否允许重用服务器所绑定的地址。
◆SO_RCVBUF：表示接收数据的缓冲区的大小。

3.5.1  SO_TIMEOUT选项

◆设置该选项：public void setSoTimeout(int timeout) throws SocketException
◆读取该选项：public int getSoTimeout () throws IOException

SO_TIMEOUT表示ServerSocket的accept()方法等待客户连接的超时时间，以毫秒为单位。如果SO_TIMEOUT的值为0，表示永远不会超时，这是SO_TIMEOUT的默认值。

当服务器执行ServerSocket的accept()方法时，如果连接请求队列为空，服务器就会一直等待，直到接收到了客户连接才从accept()方法返回。如果设定了超时时间，那么当服务器等待的时间超过了超时时间，就会抛出SocketTimeoutException，它是InterruptedException的子类。

如例程3-4所示的TimeoutTester把超时时间设为6秒钟。

#p#

例程3-4  TimeoutTester.java

import java.io.*;
import java.net.*;

public class TimeoutTester{
  public static void main(String args[])throws IOException{
    ServerSocket serverSocket=new ServerSocket(8000);
    serverSocket.setSoTimeout(6000); //等待客户连接的时间不超过6秒
    Socket socket=serverSocket.accept();
    socket.close();
    System.out.println("服务器关闭");
  }
}

运行以上程序，过6秒钟后，程序会从serverSocket.accept()方法中抛出Socket- TimeoutException：

C:\chapter03\classes>java TimeoutTester
Exception in thread "main" java.net.SocketTimeoutException: Accept timed out
        at java.net.PlainSocketImpl.socketAccept(Native Method)
        at java.net.PlainSocketImpl.accept(Unknown Source)
        at java.net.ServerSocket.implAccept(Unknown Source)
        at java.net.ServerSocket.accept(Unknown Source)
        at TimeoutTester.main(TimeoutTester.java:8)

如果把程序中的“serverSocket.setSoTimeout(6000)”注释掉，那么serverSocket. accept()方法永远不会超时，它会一直等待下去，直到接收到了客户的连接，才会从accept()方法返回。

Tips：服务器执行serverSocket.accept()方法时，等待客户连接的过程也称为阻塞。本书第4章的4.1节（线程阻塞的概念）详细介绍了阻塞的概念。

3.5.2  SO_REUSEADDR选项

◆设置该选项：public void setResuseAddress(boolean on) throws SocketException
◆读取该选项：public boolean getResuseAddress() throws SocketException

这个选项与Socket的SO_REUSEADDR选项相同，用于决定如果网络上仍然有数据向旧的ServerSocket传输数据，是否允许新的ServerSocket绑定到与旧的ServerSocket同样的端口上。SO_REUSEADDR选项的默认值与操作系统有关，在某些操作系统中，允许重用端口，而在某些操作系统中不允许重用端口。

当ServerSocket关闭时，如果网络上还有发送到这个ServerSocket的数据，这个ServerSocket不会立刻释放本地端口，而是会等待一段时间，确保接收到了网络上发送过来的延迟数据，然后再释放端口。

许多服务器程序都使用固定的端口。当服务器程序关闭后，有可能它的端口还会被占用一段时间，如果此时立刻在同一个主机上重启服务器程序，由于端口已经被占用，使得服务器程序无法绑定到该端口，服务器启动失败，并抛出BindException：

Exception in thread "main" java.net.BindException: Address already in use: JVM_Bind

为了确保一个进程关闭了ServerSocket后，即使操作系统还没释放端口，同一个主机上的其他进程还可以立刻重用该端口，可以调用ServerSocket的setResuse- Address(true)方法：

if(!serverSocket.getResuseAddress())serverSocket.setResuseAddress(true);

值得注意的是，serverSocket.setResuseAddress(true)方法必须在ServerSocket还没有绑定到一个本地端口之前调用，否则执行serverSocket.setResuseAddress(true)方法无效。此外，两个共用同一个端口的进程必须都调用serverSocket.setResuseAddress(true)方法，才能使得一个进程关闭ServerSocket后，另一个进程的ServerSocket还能够立刻重用相同端口。

3.5.3  SO_RCVBUF选项

◆设置该选项：public void setReceiveBufferSize(int size) throws SocketException
◆读取该选项：public int getReceiveBufferSize() throws SocketException

SO_RCVBUF表示服务器端的用于接收数据的缓冲区的大小，以字节为单位。一般说来，传输大的连续的数据块（基于HTTP或FTP协议的数据传输）可以使用较大的缓冲区，这可以减少传输数据的次数，从而提高传输数据的效率。而对于交互式的通信（Telnet和网络游戏），则应该采用小的缓冲区，确保能及时把小批量的数据发送给对方。

SO_RCVBUF的默认值与操作系统有关。例如，在Windows 2000中运行以下代码时，显示SO_RCVBUF的默认值为8192：

ServerSocket serverSocket=new ServerSocket(8000);
System.out.println(serverSocket.getReceiveBufferSize());    //打印8192

无论在ServerSocket绑定到特定端口之前或之后，调用setReceiveBufferSize()方法都有效。例外情况下是如果要设置大于64K的缓冲区，则必须在ServerSocket绑定到特定端口之前进行设置才有效。例如，以下代码把缓冲区设为128K：

ServerSocket serverSocket=new ServerSocket();
int size=serverSocket.getReceiveBufferSize();
if(size<131072) serverSocket.setReceiveBufferSize(131072);  //把缓冲区的大小设为128K
serverSocket.bind(new InetSocketAddress(8000));     //与8 000端口绑定

执行serverSocket.setReceiveBufferSize()方法，相当于对所有由serverSocket.accept()方法返回的Socket设置接收数据的缓冲区的大小。

3.5.4  设定连接时间、延迟和带宽的相对重要性

◆public void setPerformancePreferences(int connectionTime,int latency,int bandwidth)

该方法的作用与Socket的setPerformancePreferences()方法的作用相同，用于设定连接时间、延迟和带宽的相对重要性，参见本书第2章的2.5.10节（设定连接时间、延迟和带宽的相对重要性）。