粘包和半包问题及解决办法

news2024/11/19 19:33:28

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。

半包问题是指数据在传输时，接收端只收到了部分数据，而非完整的数据，就叫做半包。

产生粘包和半包问题原因：

这些问题发生在 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。

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

问题代码演示

  • 服务器端用来接收消息
  • 客户端用来发送一段固定的消息。

通过输出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：

package com.nien.test.sticky;

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

/**
 * @author ally-coding
 * @Date: 2023/10/16 23:47
 * @Project cetc_test
 * @Description: 粘包服务器端测试
 */
public class ServSocket {
    private static final int BYTE_LENGTH = 20;
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8888);
        //获取客户端连接
        Socket clientSocker = serverSocket.accept();
        //得到客户端发送的流对象
        try(InputStream inputStream = clientSocker.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){
                    System.out.println("接受到客户端的信息是："+new String(bytes));
                }
                count=0;
            }
        }
    }
}

 客户端代码：

package com.nien.test.sticky;

import java.io.IOException;
import java.io.OutputStream;
import java.net.Socket;

/**
 * @author ally-coding
 * @Date: 2023/10/16 23:54
 * @Project cetc_test
 * @Description: 粘包客户端端测试
 */
public class ClientSocket {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Socket socket = new Socket("127.0.0.1",8888);
        final String message = "Hello world!";
        try(OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()){
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                outputStream.write(message.getBytes());
            }
        }
    }
}

执行结果如下所示。

可以明显看出，服务器端发生了粘包问题。

解决办法

1.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；
2.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；
3.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）

方法1 固定发送数据的大小

代码实现：

服务端代码：

package com.nien.test.sticky.solver1;

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

/**
 * @author ally-coding
 * @Date: 2023/10/17 0:40
 * @Project cetc_test
 * @Description: 粘包问题解决1-服务端
 */
public class Server1 {
    private static final int BYTE_LENGTH = 1024;
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(9091);
        //获取客户端连接
        Socket clientSocker = serverSocket.accept();
        //得到客户端发送的流对象
        try(InputStream inputStream = clientSocker.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){
                    System.out.println("接受到客户端的信息是："+new String(bytes).trim());
                }
                count=0;
            }
        }
    }
}

客户端代码：

package com.nien.test.sticky.solver1;

import java.io.IOException;
import java.io.OutputStream;
import java.net.Socket;

/**
 * @author ally-coding
 * @Date: 2023/10/17 0:40
 * @Project cetc_test
 * @Description: 粘包问题解决1-客户端
 */
public class Client1 {

    private static final int BYTE_LENGTH=1024;

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Socket socket = new Socket("127.0.0.1",9091);
        final String messgae = "Hello world!";
        try(OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()){
            byte[] bytes = new byte[BYTE_LENGTH];
            int idx = 0;
            for (byte b : messgae.getBytes()){
                bytes[idx] = b;
                idx++;
            }
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                outputStream.write(bytes, 0, BYTE_LENGTH);
            }
        }
    }
}

执行结果如下所示。

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。

方法2 在 TCP 协议的基础上封装一层自定义数据协议

步骤1 编写一个消息封装类 2编写客户端 3编写服务器

1.编写消息封装类代码：

package com.nien.test.sticky.solver2;

import com.sun.org.apache.regexp.internal.RE;

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.text.NumberFormat;

/**
 * @author ally-coding
 * @Date: 2023/10/17 0:52
 * @Project cetc_test
 * @Description: 消息封装类
 */
public class SocketPacket {

    static final int HEAD_SIZE=8;

    /**
     * 将协议封装为:协议头 + 协议体
     * @param content
     * @return
     */
    public byte[] toBytes(String content){
        //协议体 byte数据
        byte[] bodyByte = content.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
     * @throws IOException
     */
    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.编写客户端代码

package com.nien.test.sticky.solver2;

import java.io.IOException;
import java.io.OutputStream;
import java.net.Socket;
import java.util.Random;

/**
 * @author ally-coding
 * @Date: 2023/10/17 1:30
 * @Project cetc_test
 * @Description: 客户端
 */
public class Client2 {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Socket socket = new Socket("127.0.0.1",9093);
        String[] message = {"Hello world","Hello java"};
        SocketPacket socketPacket = new SocketPacket();
        try(OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()){
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                String msg = message[new Random().nextInt(message.length)];
                byte[] bytes = socketPacket.toBytes(msg);
                outputStream.write(bytes, 0, bytes.length);
                outputStream.flush();
            }
        }
    }
}

3.编写服务端

package com.nien.test.sticky.solver2;

import java.io.IOException;

import java.io.InputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;
import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * @author ally-coding
 * @Date: 2023/10/17 9:19
 * @Project cetc_test
 * @Description: 服务器端 使用线程池来处理每个客户端的业务请求
 */
public class Server2 {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(9093);
        // 获取客户端连接
        Socket clientSocket = serverSocket.accept();
        // 用线程池处理更多的客户端
        ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor  = new ThreadPoolExecutor(100,150,100,
                TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingQueue<>(1000));
        threadPoolExecutor.submit(()->{
            //客户端消息处理
            processMessage(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[] bodyBytes = 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(bodyBytes, bodyIndex, bodyLength))!= -1){
                    bodyIndex += readCount;
                }
                bodyIndex=0;
                // 成功接收到客户端的消息并打印
                System.out.println("接收到客户端的信息:" + new String(bodyBytes));
            }
        } catch (IOException e) {
            System.out.println(e.getMessage());
        }
    }
}

​运行结果如下所示。

此方法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。

方法3 以特殊的字符结尾

代码实现：

服务器代码：

package com.nien.test.sticky.solver3;

import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;
import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * @author ally-coding
 * @Date: 2023/10/18 0:40
 * @Project cetc_test
 * @Description:
 */
public class Server3 {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        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){
                    System.out.println("接收到客户端的信息:" + msg);
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

客户端代码：

package com.nien.test.sticky.solver3;

import java.io.BufferedWriter;
import java.io.IOException;
import java.io.OutputStreamWriter;
import java.net.Socket;

/**
 * @author ally-coding
 * @Date: 2023/10/18 0:40
 * @Project cetc_test
 * @Description:
 */
public class Client3 {

    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);
        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 + "\n");
                // 刷新缓冲区(此步骤不能省略)
                bufferedWriter.flush();
            }
        }
    }
}

执行结果如下图所示。

该方法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。

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