Interview assault 70: what is the glue bag and a bag?How to solve?

粘包和半包问题是数据传输中比较常见的问题,所谓的 

粘包问题是指数据在传输时,在一条消息中读取到了另一条消息的部分数据,这种现象就叫做粘包.

 比如发送了两条消息,分别为“ABC”和“DEF”,那么正常情况下接收端也应该收到两条消息“ABC”和“DEF”,但接收端却收到的是“ABCD”,像这种情况就叫做粘包,如下图所示：

半包问题是指接收端只收到了部分数据,而非完整的数据的情况就叫做半包.比如发送了一条消息是“ABC”,而接收端却收到的是“AB”和“C”两条信息,这种情况就叫做半包,如下图所示：

PS：大部分情况下我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”问题来替代“粘包”和“半包”问题.

1.为什么会有粘包问题？

粘包问题发生在 TCP/IP 协议中,

因为 TCP 是面向连接的传输协议,它是以“流”的形式传输数据的,而“流”数据是没有明确的开始和结尾边界的,所以就会出现粘包问题

.

2.粘包问题代码演示

接下来我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：

• 服务器端用来接收消息;

• 客户端用来发送一段固定的消息.

然后通过打印服务器端接收到的信息来观察粘包问题.服务器端代码实现如下：

/**
 * 服务器端（只负责接收消息）
 */
class ServSocket {
 // 字节数组的长度
 private static final int BYTE_LENGTH = 20; 
 public static void main(String[] args) throws IOException {
 // 创建 Socket 服务器
 ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8888);
 // 获取客户端连接
 Socket clientSocket = serverSocket.accept();
 // 得到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) {
 // 成功接收到有效消息并打印
 System.out.println("接收到客户端的信息是:" + new String(bytes));
 }
 count = 0;
 }
 }
 }
}


客户端实现代码如下：

/**
 * 客户端（只负责发送消息）
 */
static class ClientSocket {
 public static void main(String[] args) throws IOException {
 // 创建 Socket 客户端并尝试连接服务器端
 Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 8888);
 // 发送的消息内容
 final String message = "Hi,Java."; 
 // 使用输出流发送消息
 try (OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()) {
 // 给服务器端发送 10 次消息
 for (int i = 0; i < 10; i++) {
 // 发送消息
 outputStream.write(message.getBytes());
 }
 }
 }
}


以上程序的执行结果如下图所示：

通过上述结果我们可以看出,服务器端发生了粘包问题,因为客户端发送了 10 次固定的“Hi,Java.”的消息,正确的结果应该是服务器端也接收到了 10 次固定消息“Hi,Java.”才对,但实际执行结果并非如此.

3.解决方案

粘包问题的常见解决方案有以下 3 种：

• 发送方和接收方固定发送数据的大小,当字符长度不够时用空字符弥补,有了固定大小之后就知道每条消息的具体边界了,这样就没有粘包的问题了;

• 在 TCP 协议的基础上封装一层自定义数据协议,在自定义数据协议中,包含数据头（存储数据的大小）和 数据的具体内容,这样服务端得到数据之后,通过解析数据头就可以知道数据的具体长度了,也就没有粘包的问题了;

• 以特殊的字符结尾,比如以“\n”结尾,这样我们就知道数据的具体边界了,从而避免了粘包问题（
  推荐方案
  ）.

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,改进版本一（只负责接收消息）
 */
 static class ServSocketV1 {
 private static final int BYTE_LENGTH = 1024; // 字节数组长度（收消息用）
 public static void main(String[] args) throws IOException {
 ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(9091);
 // 获取到连接
 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) {
 // 接收到消息打印
 System.out.println("接收到客户端的信息是:" + new String(bytes).trim());
 }
 count = 0;
 }
 }
 }
 }


客户端的实现代码如下：

 /**
 * 客户端,改进版一（只负责接收消息）
 */
 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."; // 发送消息
 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 次消息
 for (int i = 0; i < 10; i++) {
 outputStream.write(bytes, 0, BYTE_LENGTH);
 }
 }
 }
 }


以上代码的执行结果如下图所示：

优缺点分析

从以上代码可以看出,虽然这种方式可以解决粘包问题,但这种

固定数据大小的传输方式,当数据量比较小时会使用空字符来填充,所以会额外的增加网络传输的负担

,因此不是理想的解决方案.

解决方案2：自定义请求协议

这种解决方案的实现思路是将请求的数据封装为两部分：消息头（发送的数据大小）+消息体（发送的具体数据）,它的格式如下图所示：

此解决方案的实现分为以下 3 部分：

• 编写一个消息封装类

• 编写客户端

• 编写服务器端

接下来我们一一来实现.

① 消息封装类

消息的封装类中提供了两个方法：一个是将消息转换成消息头 + 消息体的方法,另一个是读取消息头的方法,具体实现代码如下：

/**
 * 消息封装类
 */
class SocketPacket {
 // 消息头存储的长度(占 8 字节)
 static final int HEAD_SIZE = 8;

 /**
 * 将协议封装为:协议头 + 协议体
 * @param context 消息体(String 类型)
 * @return byte[]
 */
 public byte[] toBytes(String context) {
 // 协议体 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);
 // 协议头 byte 数组
 byte[] headByte = numberFormat.format(bodyByteLength).getBytes();
 // 封装协议头
 System.arraycopy(headByte, 0, result, 0, HEAD_SIZE);
 // 封装协议体
 System.arraycopy(bodyByte, 0, result, HEAD_SIZE, bodyByteLength);
 return result;
 }

 /**
 * 获取消息头的内容(也就是消息体的长度)
 * @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);
 // 得到消息体的字节长度
 result = Integer.valueOf(new String(bytes));
 return result;
 }
}


② 客户端

客户端中我们添加一组待发送的消息,随机给服务器端发送一个消息,实现代码如下：

/**
 * 客户端
 */
class MySocketClient {
 public static void main(String[] args) throws IOException {
 // 启动 Socket 并尝试连接服务器
 Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 9093);
 // 发送消息合集（随机发送一条消息）
 final String[] message = {"Hi,Java.", "Hi,SQL~", "关注公众号|Java中文社群."};
 // 创建协议封装对象
 SocketPacket socketPacket = new SocketPacket();
 try (OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()) {
 // 给服务器端发送 10 次消息
 for (int i = 0; i < 10; i++) {
 // 随机发送一条消息
 String msg = message[new Random().nextInt(message.length)];
 // 将内容封装为:协议头+协议体
 byte[] bytes = socketPacket.toBytes(msg);
 // 发送消息
 outputStream.write(bytes, 0, bytes.length);
 outputStream.flush();
 }
 }
 }
}


③ 服务器端

服务器端使用线程池来处理每个客户端的业务请求,实现代码如下：

/**
 * 服务器端
 */
class MySocketServer {
 public static void main(String[] args) throws IOException {
 // 创建 Socket 服务器端
 ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(9093);
 // 获取客户端连接
 Socket clientSocket = serverSocket.accept();
 // 使用线程池处理更多的客户端
 ThreadPoolExecutor threadPool = new ThreadPoolExecutor(100, 150, 100,
 TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingQueue<>(1000));
 threadPool.submit(() -> {
 // 客户端消息处理
 processMessage(clientSocket);
 });
 }
 /**
 * 客户端消息处理
 * @param clientSocket
 */
 private static void processMessage(Socket clientSocket) {
 // Socket 封装对象
 SocketPacket socketPacket = new SocketPacket();
 // 获取客户端发送的消息对象
 try (InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream()) {
 while (true) {
 // 获取消息头(也就是消息体的长度)
 int bodyLength = socketPacket.getHeader(inputStream);
 // 消息体 byte 数组
 byte[] bodyByte = new byte[bodyLength];
 // 每次实际读取字节数
 int readCount = 0;
 // 消息体赋值下标
 int bodyIndex = 0;
 // 循环接收消息头中定义的长度
 while (bodyIndex <= (bodyLength - 1) &&
 (readCount = inputStream.read(bodyByte, bodyIndex, bodyLength)) != -1) {
 bodyIndex += readCount;
 }
 bodyIndex = 0;
 // 成功接收到客户端的消息并打印
 System.out.println(&quot;接收到客户端的信息:&quot; + new String(bodyByte));
 }
 } catch (IOException ioException) {
 System.out.println(ioException.getMessage());
 }
 }
}


以上程序的执行结果如下：

从上述结果可以看出,消息通讯正常,客户端和服务器端的交互中并没有出现粘包问题.

优缺点分析

此解决方案虽然可以解决粘包问题,但消息的设计和代码的实现复杂度比较高,所以也不是理想的解决方案.

解决方案3：特殊字符结尾

以特殊字符结尾就可以知道流的边界了,它的具体实现是：使用 Java 中自带的 

BufferedReader

 和 

BufferedWriter

,也就是带缓冲区的输入字符流和输出字符流,通过写入的时候加上 

\n

 来结尾,读取的时候使用 

readLine

 按行来读取数据,这样就知道流的边界了,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(只负责收消息)
 */
static class ServSocketV3 {
 public static void main(String[] args) throws IOException {
 // 创建 Socket 服务器端
 ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(9092);
 // 获取客户端连接
 Socket clientSocket = serverSocket.accept();
 // 使用线程池处理更多的客户端
 ThreadPoolExecutor threadPool = new ThreadPoolExecutor(100, 150, 100,
 TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingQueue<>(1000));
 threadPool.submit(() -> {
 // 消息处理
 processMessage(clientSocket);
 });
 }
 /**
 * 消息处理
 * @param clientSocket
 */
 private static void processMessage(Socket clientSocket) {
 // 获取客户端发送的消息流对象
 try (BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(
 new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream()))) {
 while (true) {
 // 按行读取客户端发送的消息
 String msg = bufferedReader.readLine();
 if (msg != null) {
 // 成功接收到客户端的消息并打印
 System.out.println(&quot;接收到客户端的信息:&quot; + msg);
 }
 }
 } catch (IOException ioException) {
 ioException.printStackTrace();
 }
 }
}


PS：上述代码使用了线程池来解决多个客户端同时访问服务器端的问题,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(只负责发送消息)
 */
static class ClientSocketV3 {
 public static void main(String[] args) throws IOException {
 // 启动 Socket 并尝试连接服务器
 Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 9092);
 final String message = "Hi,Java."; // 发送消息
 try (BufferedWriter bufferedWriter = new BufferedWriter(
 new OutputStreamWriter(socket.getOutputStream()))) {
 // 给服务器端发送 10 次消息
 for (int i = 0; i < 10; i++) {
 // 注意:结尾的 \n 不能省略,它表示按行写入
 bufferedWriter.write(message + &quot;\n&quot;);
 // 刷新缓冲区(此步骤不能省略)
 bufferedWriter.flush();
 }
 }
 }
}


以上代码的执行结果如下图所示：

优缺点分析

以特殊符号作为粘包的解决方案的最大优点是实现简单,但存在一定的局限性,比如当一条消息中间如果出现了结束符就会造成半包的问题,所以如果是复杂的字符串要对内容进行编码和解码处理,这样才能保证结束符的正确性.

总结

粘包和半包问题是数据传输中比较常见的问题,它的解决方案有很多,比较常见的解决方案有：设置固定的数据传输大小、自定义请求协议的封装,在请求头中加入传输数据的长度、使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.

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