从tcp层面研究java socket 的使用

本文主要通过wireshark抓包来分析java socket程序的一些细节， 解决以前的一些疑问: 

1.当一方的socket先关闭后，另一方尚未关闭的socket 还能做什么？

2.当基于socket的流关闭后，socket 还能使用吗？

首先给出基本的server和client端代码（为了便于分析，在代码中有很多sleep代码）。

server端（192.168.104.188）：

import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.OutputStreamWriter;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class Server {
    public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8888);
        Socket socket = serverSocket.accept();
        System.out.println("the connection has opened...");
        TimeUnit.SECONDS.sleep(60);
        
        PrintWriter out = new PrintWriter(new OutputStreamWriter(socket.getOutputStream()), true);
        BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));

        String temp = in.readLine();
        System.out.println("the server receives from client : " + temp);
        TimeUnit.SECONDS.sleep(60);
        
        out.println(temp.toUpperCase());
        System.out.println("the server sends to client HELLO ...");
        
        TimeUnit.SECONDS.sleep(60);
        socket.close();
        serverSocket.close();
    }
}

client端（192.168.5.51）：

import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.OutputStreamWriter;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.Socket;
import java.net.UnknownHostException;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class Client {
    public static void main(String[] args) throws UnknownHostException, IOException, InterruptedException {
        Socket socket = new Socket("192.168.104.188", 8888);
        System.out.println("the connection has opened...");
        TimeUnit.SECONDS.sleep(60);
        
        
        PrintWriter out = new PrintWriter(new OutputStreamWriter(socket.getOutputStream()), true);
        BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
        
        out.println("hello");
        System.out.println("the client sends hello to Server...");
        TimeUnit.SECONDS.sleep(60);
        
        System.out.println("the client receives : " + in.readLine());
        
        TimeUnit.SECONDS.sleep(60);
        socket.close();
    }
}

分别执行server和client，抓包结果如下：

 分析：

1. 序号 81、82、83 对于着 socket建立（tcp建立）的三次握手。

2. 序号 809、810 对于着client向server发送了 “hello” ， server向client 响应ack。

3. 序号 1557、1561 、1562对于着server向client发送的"HELLO"， client 向server响应ack ，其中1561发生了一次tcp 重传。

4. 序号 2366 、2367 、 2368 对于着双方socket的关闭（tcp 连接的关闭）。

上面的过程应该没有什么问题，现在我们修改代码来研究一下刚开始时提出的问题

问题1： 其中一方的socket先于另一方关闭后，另一方socket还能做什么？

server端：

import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.OutputStreamWriter;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class Server {
    public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8888);
        Socket socket = serverSocket.accept();
        System.out.println("the connection has opened...");
        
        PrintWriter out = new PrintWriter(new OutputStreamWriter(socket.getOutputStream()), true);
        BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));

        String temp = in.readLine();
        System.out.println("the server receives from client : " + temp);
        
        out.println(temp.toUpperCase());
        System.out.println("the server sends to client HELLO ...");
        
        TimeUnit.SECONDS.sleep(20);
　　　　 //此时client端的socket已经关闭
        out.println("world");
        System.out.println(in.readLine()); //返回null
        
        
        socket.close();
        serverSocket.close();
    }
}

client端：

import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.OutputStreamWriter;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.Socket;
import java.net.UnknownHostException;

public class Client {
    public static void main(String[] args) throws UnknownHostException, IOException, InterruptedException {
        Socket socket = new Socket("192.168.104.188", 8888);
        
        PrintWriter out = new PrintWriter(new OutputStreamWriter(socket.getOutputStream()), true);
        BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
        
        out.println("hello");
        System.out.println("the client sends hello to Server...");
        
        System.out.println("the client receives : " + in.readLine());
        
        socket.close();
    }
}

在修改后的代码中，在client端的socket关闭后，server依旧会操作socket的输入输出流，我们来看看会发送什么。wireshark抓包如下：

分析：

1. 序号 107 、 108 、109 双方建立socket连接（tcp连接）

2. 序号 110 、 111 client端向server发送hello， server向client响应ACK

3. 序号 112 是server端向client发送HELLO， 注意113， 它有两个作用，首先是client向server发起断开连接请求FIN,附带着确认对上一次HELLO的响应ACK。

4. 序号115 是server端对client端断开连接FIN的确认ACK

到此时为止，client端的socket已经关闭了，等待20秒钟后，server端 调用  out.println("world"); 继续想socket输入流中写入数据，调用 in.readLine()继续读数据。

5. 序号 337 对于的就是server端继续向client端发送 world。

6. 因为此时client端的socket早已经关闭了，相应的资源都已经释放了（例如端口 59102 早已经关闭了）,所以client会向server端发送RST报文，表示无法处理。

7. 序号 339 是 server端向 client端发送拆除tcp连接的FIN，同样由于client端早已经关闭了，所以如序号 340 那样，client依旧相应了一个表示服务不可用的RST报文。

总结： 当一方socket关闭后（socket.close()）， 关闭一方就会发送FIN，一段时间后释放自己的相关资源 。 另一方即使仍然没有关闭，它的读写已经没有作用了，向关闭一方发送的数据会得到RST响应，而从流中读（in.readline()）直接响应null。

问题2： 在socket没有关闭前，主动关闭了流，会发生什么？

server端：

import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.OutputStreamWriter;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class Server {
    public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8888);
        Socket socket = serverSocket.accept();
        System.out.println("the connection has opened...");
        
        PrintWriter out = new PrintWriter(new OutputStreamWriter(socket.getOutputStream()), true);
        BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));

        TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
        
        String temp = in.readLine(); 
        
        out.println(temp == null ? "null" : temp.toUpperCase());
        System.out.println("the server sends to client HELLO ...");
        
        socket.close();
        serverSocket.close();
    }
}

client端：

import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.OutputStreamWriter;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.Socket;
import java.net.UnknownHostException;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class Client {
    public static void main(String[] args) throws UnknownHostException, IOException, InterruptedException {
        Socket socket = new Socket("192.168.104.188", 8888);
        
        PrintWriter out = new PrintWriter(new OutputStreamWriter(socket.getOutputStream()), true);
        BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
        
        out.close();
        
        TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
        
        try{
            PrintWriter out2 = new PrintWriter(new OutputStreamWriter(socket.getOutputStream()), true);
            
            out2.println("hello");
            System.out.println("the client sends hello to Server...");
            
            System.out.println("the client receives : " + in.readLine());
        }catch(Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
        
        socket.close();
    }
}

在client端中，获取连接后从socket中获得输入输出流，然后就关闭了输出流，等待一段时间后尝试再次获得流。 server端没有什么变化。

 分析：

1. 序号 71 、 72、 73 双方socket连接（tcp连接）建立。

2. 在建立连接后获得流，然后client主动关闭了流，此时对应 序号74， client 此时发起了 断开连接的FIN，注意此时其实等同于调用了socket.close(), 关闭流同样关闭了底层的连接， 等尝试再次从socket中获得流时，会报错。在收到client的FIN后，序号 75对应server端响应的ACK。

3. server端结束睡眠后，向客户端发送数据，对应序号183， 但是client端早已经关闭了，所以依然后收到 RST响应。

（我不知道为什么server端直到程序结束也没有向client发送FIN 是为什么？）

 总结： 在socket关闭前，关闭socket的流相当于 直接关闭这个socket。