45 Socket 源码及面试题

引导语

Socket 中文翻译叫套接字，可能很多工作四五年的同学都没有用过这个 API，但只要用到这个 API 时，必然是在重要的工程的核心代码处。

大家平时基本都在用开源的各种 rpc 框架，比如说 Dubbo、gRPC、Spring Cloud 等等，很少需要手写网络调用，以下三小节可以帮助大家补充这块的内容，当你真正需要的时候，可以作为手册示例。

本文和《ServerSocket 源码及面试题》一文主要说 Socket 和 ServerSocket 的源码，《工作实战：Socket 结合线程池的使用》这章主要说两个 API 在实际工作中如何落地。

1 Socket 整体结构

Socket 的结构非常简单，Socket 就像一个壳一样，将套接字初始化、创建连接等各种操作包装了一下，其底层实现都是 SocketImpl 实现的，Socket 本身的业务逻辑非常简单。

Socket 的属性不多，有套接字的状态，SocketImpl，读写的状态等等，源码如下图：

套接字的状态变更都是有对应操作方法的，比如套接字新建（createImpl 方法）后，状态就会更改成 created = true，连接（connect）之后，状态更改成 connected = true 等等。

2 初始化

Socket 的构造器比较多，可以分成两大类：

指定代理类型（Proxy）创建套节点，一共有三种类型为：DIRECT（直连）、HTTP（HTTP、FTP 高级协议的代理）、SOCKS（SOCKS 代理），三种不同的代码方式对应的 SocketImpl 不同，分别是：PlainSocketImpl、HttpConnectSocketImpl、SocksSocketImpl，除了类型之外 Proxy 还指定了地址和端口；
默认 SocksSocketImpl 创建，并且需要在构造器中传入地址和端口，源码如下：

// address 代表IP地址，port 表示套接字的端口
// address 我们一般使用 InetSocketAddress，InetSocketAddress 有 ip+port、域名+port、InetAddress 等初始化方式
public Socket(InetAddress address, int port) throws IOException {this(address != null ? new InetSocketAddress(address, port) : null,(SocketAddress) null, true);
}

这里的 address 可以是 ip 地址或者域名，比如说 127.0.0.1 或者 www.wenhe.com。

我们一起看一下这个构造器调用的 this 底层构造器的源码：

// stream 为 true 时，表示为stream socket 流套接字，使用 TCP 协议，比较稳定可靠，但占用资源多
// stream 为 false 时，表示为datagram socket 数据报套接字，使用 UDP 协议，不稳定，但占用资源少
private Socket(SocketAddress address, SocketAddress localAddr,boolean stream) throws IOException {setImpl();// backward compatibilityif (address == null)throw new NullPointerException();try {// 创建 socketcreateImpl(stream);// 如果 ip 地址不为空，绑定地址if (localAddr != null)// create、bind、connect 也是 native 方法bind(localAddr);connect(address);} catch (IOException | IllegalArgumentException | SecurityException e) {try {close();} catch (IOException ce) {e.addSuppressed(ce);}throw e;}
}

从源码中可以看出：

在构造 Socket 的时候，你可以选择 TCP 或 UDP，默认是 TCP；
如果构造 Socket 时，传入地址和端口，那么在构造的时候，就会尝试在此地址和端口上创建套接字；
Socket 的无参构造器只会初始化 SocksSocketImpl，并不会和当前地址端口绑定，需要我们手动的调用 connect 方法，才能使用当前地址和端口；
Socket 我们可以理解成网络沟通的语言层次的抽象，底层网络创建、连接和关闭，仍然是 TCP 或 UDP 本身网络协议指定的标准，Socket 只是使用 Java 语言做了一层封装，从而让我们更方便地使用。

3 connect 连接服务端

connect 方法主要用于 Socket 客户端连接上服务端，如果底层是 TCP 层协议的话，就是通过三次握手和服务端建立连接，为客户端和服务端之间的通信做好准备，底层源码如下：

public void connect(SocketAddress endpoint, int timeout) throws IOException {
}

connect 方法要求有两个入参，第一个入参是 SocketAddress，表示服务端的地址，我们可以使用 InetSocketAddress 进行初始化，比如：new InetSocketAddress(“www.wenhe.com”, 2000)。

第二入参是超时时间的意思（单位毫秒），表示客户端连接服务端的最大等待时间，如果超过当前等待时间，仍然没有成功建立连接，抛 SocketTimeoutException 异常，如果是 0 的话，表示无限等待。

4 Socket 常用设置参数

Socket 的常用设置参数在 SocketOptions 类中都可以找到，接下来我们来一一分析下，以下理解大多来自类注释和网络。

4.1 setTcpNoDelay

此方法是用来设置 TCP_NODELAY 属性的，属性的注释是这样的：此设置仅仅对 TCP 生效，主要为了禁止使用 Nagle 算法，true 表示禁止使用，false 表示使用，默认是 false。

对于 Nagle 算法，我们引用维基百科上的解释：

纳格算法是以减少数据包发送量来增进 [TCP/IP] 网络的性能，它由约翰·纳格任职于Ford Aerospace时命名。

纳格的文件[注 1]描述了他所谓的“小数据包问题”－某个应用程序不断地提交小单位的数据，且某些常只占1字节大小。因为TCP数据包具有40字节的标头信息（TCP与IPv4各占20字节），这导致了41字节大小的数据包只有1字节的可用信息，造成庞大的浪费。这种状况常常发生于Telnet工作阶段－大部分的键盘操作会产生1字节的数据并马上提交。更糟的是，在慢速的网络连线下，这类的数据包会大量地在同一时点传输，造成壅塞碰撞。

纳格算法的工作方式是合并（coalescing）一定数量的输出数据后一次提交。特别的是，只要有已提交的数据包尚未确认，发送者会持续缓冲数据包，直到累积一定数量的数据才提交。

总结算法开启关闭的场景：

如果 Nagle 算法关闭，对于小数据包，比如一次鼠标移动，点击，客户端都会立马和服务端交互，实时响应度非常高，但频繁的通信却很占用不少网络资源；
如果 Nagle 算法开启，算法会自动合并小数据包，等到达到一定大小（MSS）后，才会和服务端交互，优点是减少了通信次数，缺点是实时响应度会低一些。

Socket 创建时，默认是开启 Nagle 算法的，可以根据实时性要求来选择是否关闭 Nagle 算法。

4.2 setSoLinger

setSoLinger 方法主要用来设置 SO_LINGER 属性值的。

注释上大概是这个意思：在我们调用 close 方法时，默认是直接返回的，但如果给 SO_LINGER 赋值，就会阻塞 close 方法，在 SO_LINGER 时间内，等待通信双方发送数据，如果时间过了，还未结束，将发送 TCP RST 强制关闭 TCP 。

我们看一下 setSoLinger 源码：

// on 为 false，表示不启用延时关闭，true 的话表示启用延时关闭
// linger 为延时的时间，单位秒
public void setSoLinger(boolean on, int linger) throws SocketException {// 检查是否已经关闭if (isClosed())throw new SocketException("Socket is closed");// 不启用延时关闭if (!on) {getImpl().setOption(SocketOptions.SO_LINGER, new Boolean(on));// 启用延时关闭，如果 linger 为 0，那么会立即关闭// linger 最大为 65535 秒，约 18 小时} else {if (linger < 0) {throw new IllegalArgumentException("invalid value for SO_LINGER");}if (linger > 65535)linger = 65535;getImpl().setOption(SocketOptions.SO_LINGER, new Integer(linger));}
}

4.3 setOOBInline

setOOBInline 方法主要使用设置 SO_OOBINLINE 属性。

注释上说：如果希望接受 TCP urgent data（TCP 紧急数据）的话，可以开启该选项，默认该选项是关闭的，我们可以通过 Socket#sendUrgentData 方法来发送紧急数据。

查询了很多资料，都建议尽可能的去避免设置该值，禁止使用 TCP 紧急数据。

4.4 setSoTimeout

setSoTimeout 方法主要是用来设置 SO_TIMEOUT 属性的。

注释上说：用来设置阻塞操作的超时时间，阻塞操作主要有：

ServerSocket.accept() 服务器等待客户端的连接；
SocketInputStream.read() 客户端或服务端读取输入超时；
DatagramSocket.receive()。

我们必须在必须在阻塞操作之前设置该选项，如果时间到了，操作仍然在阻塞，会抛出 InterruptedIOException 异常（Socket 会抛出 SocketTimeoutException 异常，不同的套接字抛出的异常可能不同）。

对于 Socket 来说，超时时间如果设置成 0，表示没有超时时间，阻塞时会无限等待。

4.5 setSendBufferSize

setSendBufferSize 方法主要用于设置 SO_SNDBUF 属性的，入参是 int 类型，表示设置发送端（输出端）的缓冲区的大小，单位是字节。

入参 size 必须大于 0，否则会抛出 IllegalArgumentException 异常。

一般我们都是采取默认的，如果值设置太小，很有可能导致网络交互过于频繁，如果值设置太大，那么交互变少，实时性就会变低。

4.6 setReceiveBufferSize

setReceiveBufferSize 方法主要用来设置 SO_RCVBUF 属性的，入参是 int 类型，表示设置接收端的缓冲区的大小，单位是字节。

入参 size 必须大于 0，否则会抛出 IllegalArgumentException 异常。

一般来说，在套接字建立连接之后，我们可以随意修改窗口大小，但是当窗口大小大于 64k 时，需要注意：

必须在 Socket 连接客户端之前设置缓冲值；
必须在 ServerSocket 绑定本地地址之前设置缓冲值。

4.7 setKeepAlive

setKeepAlive 方法主要用来设置 SO_KEEPALIVE 属性，主要是用来探测服务端的套接字是否还是存活状态，默认设置是 false，不会触发这个功能。

如果 SO_KEEPALIVE 开启的话，TCP 自动触发功能：如果两小时内，客户端和服务端的套接字之间没有任何通信，TCP 会自动发送 keepalive 探测给对方，对方必须响应这个探测（假设是客户端发送给服务端），预测有三种情况：

服务端使用预期的 ACK 回复，说明一切正常；
服务端回复 RST，表示服务端处于死机或者重启状态，终止连接；
没有得到服务端的响应（会尝试多次），表示套接字已经关闭了。

4.8 setReuseAddress

setReuseAddress 方法主要用来设置 SO_REUSEADDR 属性，入参是布尔值，默认是 false。

套接字在关闭之后，会等待一段时间之后才会真正的关闭，如果此时有新的套接字前来绑定同样的地址和端口时，如果 setReuseAddress 为 true 的话，就可以绑定成功，否则绑定失败。

5 总结

如果平时一直在做业务代码，Socket 可能用到的很少，但面试问到网络协议时，或者以后有机会做做中间件的时候，就会有大概率会接触到 Socket，所以多学学，作为知识储备也蛮好的。

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