Java多线程实现TCP网络Socket编程(C/S通信)

Z时代
2024-01-10
分类：综合

开篇必知必会

在前一篇《基于TCP协议网络socket编程" title="socket编程">socket编程(java实现C/S通信) 》，实际存在一个问题，如果服务器端在建立连接后发送多条信息给客户端，客户端是无法全部接收的，原因在于客户端为单线程，只接受了第一条信息，剩余信息阻塞等待下一次发送。所以，这造成了客户端无法处理消息队列，每次只接收并输出一条服务器信息，出现信息不同步问题。

本篇将解决这个问题，详细记录实现java多线程通信，目标是使客户端可以一次接收服务器发送的多条信息，避免阻塞。方法是将客户端接收信息功能独立为一个线程来完成，进一步完善TCP的Socket网络通信，C/S软件架构的程序设计！

Java实现socket网络编程系列文章：

基于UDP协议网络Socket编程(java实现C/S通信案例)

基于TCP协议网络socket编程(java实现C/S通信)

一、多线程技术

首先，了解多线程技术。下图是程序调用的顺序执行（左：单线程）与线程调用的并行执行（右：多线程）

多线程程序则是右边并行执行的方法。

在上一篇的TCPClientFX.java程序中，发送信息是可以通过“发送”按钮来实现主动控制，但是接收信息是被动的，只能接收一条信息，对于输入流中有多少信息是不可控制的。为此，我们使用多线程技术，添加一个线程专门负责读取输入流中的信息。

在java中，主要有两种实现多线程的方法，一是使用Thread类，二是使用Runnable类并实现run()方法。下面我是用Thread类实现，匿名内部类使用了lambda的写法，显得更加简洁。


readThread = new Thread(()->{
 //匿名内部类函数体
});

二、实现多线程接收

1、单线程版本

首先，跟之前的单线程通信对比一下，下面代码只能实现客户端接收服务器单条信息，如果服务器连续多条信息发送，则无法全部正确接收。连接成功后只能接收一条来自服务器信息。


 //连接按钮
  btConn.setOnAction(event -> {
   String ip=ipAddress.getText().trim();
   String port=tfport.getText().trim();
   try {
    //tcpClient是本程序定义的一个TCPClient类型的成员变量
    tcpClient = new TCPClient(ip, port);
    //成功连接服务器，接受服务器发来的第一条欢迎信息
    String firstMsg=tcpClient.receive();
    taDisplay.appendText(firstMsg+"\n");
    //连接服务器之后未结束服务前禁用再次连接
    btConn.setDisable(true);
    //重新连接服务器时启用输入发送功能
    tfSend.setDisable(false);
    btnSend.setDisable(false);
   }catch (Exception e){
    taDisplay.appendText("服务器连接失败！"+e.getMessage()+"\n");
   }
  });

同样，在发送按钮，每次也只能“发一条，收一条”，如下代码：


 //发送按钮事件
  btnSend.setOnAction(event -> {
   String msg=tfSend.getText();
   tcpClient.send(msg);//向服务器发送一串字符
   taDisplay.appendText("客户端发送："+msg+"\n");
   String receiveMsg=tcpClient.receive();//从服务器接收一串字符
   taDisplay.appendText(receiveMsg+"\n");
   if (msg.equals("bye")){
    btnSend.setDisable(true);//发送bye后禁用发送按钮
    tfSend.setDisable(true);//禁用Enter发送信息输入区域
    //结束服务后再次启用连接按钮
    btConn.setDisable(false);
   }
   tfSend.clear();
  });

2、多线程版本

根据前面分析，只需要将客户端接收的功能交给一个线程处理，就能够达到目的，不会因为接收语句阻塞使得主进程卡住。

所以，将线程放到连接按钮里面为好，在成功连接服务器之后，程序就启动线程，时机正好。代码修改如下：


 //连接按钮
  btConn.setOnAction(event -> {
   String ip=ipAddress.getText().trim();
   String port=tfport.getText().trim();
   try {
    //tcpClient是本程序定义的一个TCPClient类型的成员变量
    tcpClient = new TCPClient(ip, port);
    //用于接收服务器信息的单独线程
    readThread = new Thread(()->{
     String receiveMsg=null;//从服务器接收一串字符
     while ((receiveMsg=tcpClient.receive())!=null){
      //lambda表达式不能直接访问外部非final类型局部变量，需要定义一个临时变量
      //若将receiveMsg定义为类成员变量，则无需临时变量
      String msgTemp = receiveMsg;
      Platform.runLater(()->{
       now = LocalDateTime.now();
       taDisplay.setStyle("-fx-text-fill:red");
       taDisplay.appendText(dtf.format(now) +"\n");
//       taDisplay.setStyle("-fx-text-fill:black");
       taDisplay.appendText(msgTemp+"\n");
      });
     }
     Platform.runLater(()->{
      taDisplay.appendText("对话已关闭！\n");
     });
    });
    readThread.start();
    //连接服务器之后未结束服务前禁用再次连接
    btConn.setDisable(true);
    //重新连接服务器时启用输入发送功能
    tfSend.setDisable(false);
    btnSend.setDisable(false);
   }catch (Exception e){
    taDisplay.appendText("服务器连接失败！"+e.getMessage()+"\n");
   }
  });

三、多线程与进程的关系

做到这里，已经完成多线程通信的功能。不过，在不断调试时候会发现，关闭窗体的时候，终端会出现Socket已关闭，输入输出流未正常关闭、线程异常等问题。如下错误：

java.net.SocketException: Socket closed

这是为何呢？原因就是多线程与程序的关系。

由于程序开启了多线程，这就存在有几个线程处理问题。那么，在我们手动关闭窗体的时候，有的线程处于等待状态，等待IO操作，并非在关闭的同时所有线程立即也关闭了，所以解决方法就是，设置一小段间隔时间保证所有线程已关闭。

在退出方法里面设定线程睡眠时间，保证退出按钮和关闭窗体不抛出此类异常。


 private void exit() throws InterruptedException {
  if (tcpClient!=null){
   tcpClient.send("bye");
   readThread.sleep(1000);//多线程等待，关闭窗口时还有线程等待IO，设置1s间隔保证所有线程已关闭
   tcpClient.close();
  }
  System.exit(0);
 }

四、客户端界面完整代码


/*
 * TCPClientThreadFX.java
 * Copyright (c) 2020-10-25
 * author : Charzous
 * All right reserved.
 */
import javafx.application.Application;
import javafx.application.Platform;
import javafx.event.EventHandler;
import javafx.geometry.Insets;
import javafx.geometry.Pos;
import javafx.scene.Scene;
import javafx.scene.control.Button;
import javafx.scene.control.Label;
import javafx.scene.control.TextArea;
import javafx.scene.control.TextField;
import javafx.scene.input.KeyCode;
import javafx.scene.input.KeyEvent;
import javafx.scene.layout.BorderPane;
import javafx.scene.layout.HBox;
import javafx.scene.layout.Priority;
import javafx.scene.layout.VBox;
import javafx.stage.Stage;
public class TCPClientThreadFX extends Application {
 private Button btnExit=new Button("退出");
 private Button btnSend = new Button("发送");
 private TextField tfSend=new TextField();//输入信息区域
 private TextArea taDisplay=new TextArea();//显示区域
 private TextField ipAddress=new TextField();//填写ip地址
 private TextField tfport=new TextField();//填写端口
 private Button btConn=new Button("连接");
 private TCPClient tcpClient;
 private Thread readThread;
 public static void main(String[] args) {
  launch(args);
 }
 @Override
 public void start(Stage primaryStage) {
  BorderPane mainPane=new BorderPane();
  //连接服务器区域
  HBox hBox1=new HBox();
  hBox1.setSpacing(10);
  hBox1.setPadding(new Insets(10,20,10,20));
  hBox1.setAlignment(Pos.CENTER);
  hBox1.getChildren().addAll(new Label("ip地址："),ipAddress,new Label("端口："),tfport,btConn);
  mainPane.setTop(hBox1);
  VBox vBox=new VBox();
  vBox.setSpacing(10);
  vBox.setPadding(new Insets(10,20,10,20));
  vBox.getChildren().addAll(new javafx.scene.control.Label("信息显示区"),taDisplay,new Label("信息输入区"),tfSend);
  VBox.setVgrow(taDisplay, Priority.ALWAYS);
  mainPane.setCenter(vBox);
  HBox hBox=new HBox();
  hBox.setSpacing(10);
  hBox.setPadding(new Insets(10,20,10,20));
  hBox.setAlignment(Pos.CENTER_RIGHT);
  hBox.getChildren().addAll(btnSend,btnExit);
  mainPane.setBottom(hBox);
  Scene scene =new Scene(mainPane,700,500);
  primaryStage.setScene(scene);
  primaryStage.show();
  //连接按钮
  btConn.setOnAction(event -> {
   String ip=ipAddress.getText().trim();
   String port=tfport.getText().trim();
   try {
    //tcpClient是本程序定义的一个TCPClient类型的成员变量
    tcpClient = new TCPClient(ip, port);
    //用于接收服务器信息的单独线程
    readThread = new Thread(()->{
     String receiveMsg=null;//从服务器接收一串字符
     while ((receiveMsg=tcpClient.receive())!=null){
      //lambda表达式不能直接访问外部非final类型局部变量，需要定义一个临时变量
      //若将receiveMsg定义为类成员变量，则无需临时变量
      String msgTemp = receiveMsg;
      Platform.runLater(()->{
       taDisplay.appendText(msgTemp+"\n");
      });
     }
     Platform.runLater(()->{
      taDisplay.appendText("对话已关闭！\n");
     });
    });
    readThread.start();
    //连接服务器之后未结束服务前禁用再次连接
    btConn.setDisable(true);
    //重新连接服务器时启用输入发送功能
    tfSend.setDisable(false);
    btnSend.setDisable(false);
   }catch (Exception e){
    taDisplay.appendText("服务器连接失败！"+e.getMessage()+"\n");
   }
  });
//  btConn.defaultButtonProperty();
  //发送按钮事件
  btnSend.setOnAction(event -> {
   String msg=tfSend.getText();
   tcpClient.send(msg);//向服务器发送一串字符
   taDisplay.appendText("客户端发送："+msg+"\n");
   if (msg.equalsIgnoreCase("bye")){
    btnSend.setDisable(true);//发送bye后禁用发送按钮
    tfSend.setDisable(true);//禁用Enter发送信息输入区域
    //结束服务后再次启用连接按钮
    btConn.setDisable(false);
   }
   tfSend.clear();
  });
  //对输入区域绑定键盘事件
  tfSend.setOnKeyPressed(new EventHandler<KeyEvent>() {
   @Override
   public void handle(KeyEvent event) {
    if(event.getCode()==KeyCode.ENTER){
     String msg=tfSend.getText();
     tcpClient.send(msg);//向服务器发送一串字符
     taDisplay.appendText("客户端发送："+msg+"\n");
     if (msg.equalsIgnoreCase("bye")){
      tfSend.setDisable(true);//禁用Enter发送信息输入区域
      btnSend.setDisable(true);//发送bye后禁用发送按钮
      //结束服务后再次启用连接按钮
      btConn.setDisable(false);
     }
     tfSend.clear();
    }
   }
  });
  btnExit.setOnAction(event -> {
   try {
    exit();
   } catch (InterruptedException e) {
    e.printStackTrace();
   }
  });
  //窗体关闭响应的事件,点击右上角的×关闭,客户端也关闭
  primaryStage.setOnCloseRequest(event -> {
   try {
    exit();
   } catch (InterruptedException e) {
    e.printStackTrace();
   }
  });
 }
 private void exit() throws InterruptedException {
  if (tcpClient!=null){
   tcpClient.send("bye");
   readThread.sleep(1000);//多线程等待，关闭窗口时还有线程等待IO，设置1s间隔保证所有线程已关闭
   tcpClient.close();
  }
  System.exit(0);
 }
}

服务端和客户端的程序可以沿用上一篇的内容，这里不再贴出代码，详见这篇：基于TCP协议网络socket编程(java实现C/S通信)

五、多线程通信对比

那到底可以看出有什么不同呢，现在来验证一下，我们修改一下服务端返回信息的代码，在增加一行使服务器连续发送重复信息。


pw.println("来自服务器消息："+msg);
pw.println("来自服务器,重复消息："+msg);

之前单线程程序效果这样，当服务端也是“一发一收”状态，客户端“一发一收”，这没有问题：

服务端增加一行使服务器连续发送重复信息，结果变成这样，明显出现错误，可以自行分析单线程与多消息的执行情况：

客户端界面实现多线程之后，解决问题！

最后

本篇详细记录实现java多线程通信，目标达到客户端可以一次接收服务器发送的多条信息，避免阻塞。将客户端接收信息功能独立为一个线程来完成，进一步完善TCP的Socket网络通信，解决单线程存在的问题，也是上一篇博客留下来的一个问题。

另外一个问题是什么呢？这里停留思考3秒！

……

就是：现在只能单用户与服务器正常通信，如果多用户情况下，比如开启多个客户端界面连接服务器，存在一个很大问题，服务器端只实现了单用户功能，那么，马上想到，举一反三，使用本篇多线程技术应用到服务器端，是否能够解决多用户的功能呢？要解决这个问题，等待更新下一篇！