【面试突击】网络通信面试实战

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网络通信面试实战

Socket 工作原理

Socket 是应用层与 TCP/IP 协议族通信的中间软件抽象层，它是一组接口，其实就是一个门面模式，将底层复杂的通信操作给封装起来对外提供接口。

简单来说就是 Socket 把 TPC/IP 协议给封装了起来，我们的程序进行网络通信都是通过 Socket 来完成的！

也就是说当两台设备进行通信时，是通过 Socket 进行通信的，接下来通过 Java 代码来了解一下如何通过 Socket 进行网络通信：

服务端：

public class Server {
    public static void main(String[] args) {
        int port = 1234; // 服务器监听的端口号

        try (ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(port)) {
            System.out.println("服务器启动，等待客户端连接...");

            // 等待客户端连接
            Socket clientSocket = serverSocket.accept();
            System.out.println("客户端已连接：" + clientSocket.getInetAddress().getHostAddress());

            // 获取输入流
            InputStream input = clientSocket.getInputStream();
            BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(input));

            // 读取客户端发送的消息
            String received = reader.readLine();
            System.out.println("接收到消息: " + received);

            // 获取输出流
            OutputStream output = clientSocket.getOutputStream();
            PrintWriter writer = new PrintWriter(output, true);

            // 回显客户端发送的消息
            writer.println("服务器回显: " + received);

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

客户端：

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        String serverAddress = "localhost"; // 服务器地址
        int port = 1234; // 服务器监听的端口号

        try (Socket socket = new Socket(serverAddress, port)) {
            System.out.println("连接到服务器...");

            // 获取输出流
            OutputStream output = socket.getOutputStream();
            PrintWriter writer = new PrintWriter(output, true);

            // 向服务器发送消息
            writer.println("Hello, Server!");

            // 获取输入流
            InputStream input = socket.getInputStream();
            BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(input));

            // 读取服务器回显的消息
            String response = reader.readLine();
            System.out.println("接收到服务器的回显: " + response);

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

BIO、NIO和AIO

面试中问到网络相关的内容，其中 BIO、NIO 的内容肯定是必问的，AIO 可以了解一下，一定要清楚 BIO 和 NIO 中通信的流程

我也画了两张图，可以记下这两张图

• AIO：

从 Java.1.7 开始，Java 提供了 AIO（异步IO），Java 的 AIO 也被称为 “NIO.2”

Java AIO 采用订阅-通知模式，应用程序向操作系统注册 IO 监听，之后继续做自己的事情，当操作系统发生 IO 事件并且已经准备好数据时，主动通知应用程序，应用程序再进行相关处理

（Linux 平台没有这种异步 IO 技术，而是使用 epoll 对异步 IO 进行模拟）

• BIO：

BIO 即同步阻塞 IO，服务端实现模式为一个连接对应一个线程，即客户端有连接请求时服务器端就需要启动一个线程进行处理

BIO简单工作流程：

1. 服务器端启动一个 ServerSocket，用于接收客户端的连接
2. 客户端启动 Socket 与服务器建立连接，默认情况下服务器端需要对每个客户端建立一个线程与之通讯（并且与每一个可u后端有一个对应的 Socket）
3. 客户端发出请求后, 先咨询服务器是否有线程响应，如果没有则会等待，或者被拒绝
4. 如果服务端有对应线程处理
   • 客户端进行读取，则线程会被阻塞直到完成读取
   • 客户端进行写入，则线程会被阻塞直到完成写入

使用 BIO 通信的流程图如下：

BIO存在问题：

1. 当并发量较大时，需要创建大量线程来处理连接，比较占用系统资源
2. 连接建立之后，如果当前线程暂时没有数据可读，则线程会阻塞在 Read 操作上，造成线程资源浪费

• NIO：

从 Java1.4 开始，Java 提供了 NIO，NIO 即 “Non-blocking IO”（同步非阻塞IO）

NIO 的几个核心概念：

1. Channel、Buffer：BIO是基于字节流或者字符流的进行操作，而NIO 是基于缓冲区和通道进行操作的，数据总是从通道读取到缓冲区中，或者从缓冲区写入到通道中

2. Selector：选择器用于监听多个通道的事件（如，连接打开，数据到达），因此，单个线程可以监听多个数据通道，极大提升了单机的并发能力

   当 Channel 上的 IO 事件未到达时，线程会在 select 方法被挂起，让出 CPU 资源，直到监听到 Channel 有 IO 事件发生，才会进行相应的处理

• NIO和BIO有什么区别？

1. NIO是以块的方式处理数据，BIO是以字节流或者字符流的形式去处理数据。
2. NIO是通过缓存区和通道的方式处理数据，BIO是通过InputStream和OutputStream流的方式处理数据。
3. NIO的通道是双向的，BIO流的方向只能是单向的。
4. NIO采用的多路复用的同步非阻塞IO模型，BIO采用的是普通的同步阻塞IO模型。
5. NIO的效率比BIO要高，NIO适用于网络IO，BIO适用于文件IO。

NIO如何实现了同步非阻塞？

通过 Selector 和 Channel 来进行实现，一个线程使用一个 Selector 监听多个 Channel 上的 IO 事件，通过配置监听的通道Channel为非阻塞，那么当Channel上的IO事件还未到达时，线程会在select方法被挂起，让出CPU资源。直到监听到Channel有IO事件发生时，才会进行相应的响应和处理。

使用 NIO 通信的流程图如下：