一、项目介绍

        1. 背景

           IP地址是网络通信中的重要标识，通过分析IP地址的归属地信息，可以帮助我们了解访问来源、用户行为和网络安全等关键信息。例如应用于网站访问日志分析：通过分析访问日志中的IP地址，了解网站访问者的地理位置分布和访问行为，优化网站内容和用户体验。

        2. 需求

        IP分析，返回归属地信息，要求在毫秒内完成。

        3. 涉及技术栈

        Eclipse的使用，JavaSE中面向对象，IO流，二分法查找，集合。

        4. 目的

        通过IP归属地查询项目，巩固javaSE部分所学知识，增强实战能力。

        需具备以下能力：1.面向对象程序设计。

                                     2.工具类的封装与使用。

                                     3. 文件IO流操作。

                                     4. 字符串处理。

                                     5. 二分法查找。

二、主要思路

        1. 读取提供的地址库文件，解析地址库字符串，转换为结构化数据

        2. 封装对应的数据结构，进行查询。

        3. 封装对应的相关工具类。

        4. 对外提供接口，只需要入参和出参（入参：IP地址，出参：归属地）。

三、代码开发

        创建utils包，存放工具类

        创建pojo包，存放实体类

        创建manager包，存储管理类，业务代码

        创建controller包，存储程序入口类

        1.  文件读取，封装为工具类

             编写文件读取工具类，用于读取本地IP地址库文件中的数据。当前类放于Utils包下。

package com.zh.utils;

import java.io.BufferedReader;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.Reader;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class FileReadUtil {
	// 默认编码方式
	private static String defaultencoding = "UTF-8";
	public static List<String> FileRead(String filePath, String encoding) throws IOException{
		// 通过类加载器获取流，防止打包后无法获取IP文件
		InputStream is =  FileReadUtil.class.getClassLoader().getResourceAsStream(filePath);
		// 字节流
		// FileInputStream fis = new FileInputStream(filePath);
		// 转字符流
		Reader read = new InputStreamReader(is,encoding);
		// 缓冲流
		BufferedReader br = new BufferedReader(read);
		String temp = null;
		// 集合存储数据
		List<String> list = new ArrayList<String>();
		// 逐行读取
		while((temp = br.readLine()) != null) {
			list.add(temp);
		}
		br.close();
		return list;
		
	}
	// 提供无参的方法，以默认编码方式为参数，调用有参的方法
	public static List<String> FileRead(String filePath) throws IOException{
		return FileRead(filePath,defaultencoding);
	}
	
	
	
	
}

        2.  抽象Pojo类，用于数据结构化

        根据地址库中的IP地址及其归属地的存储格式(1.0.0.0    1.0.0.255    澳大利亚 亚太互联网络信息中心)，创建实体类。实体类属性包括IP起始地址，IP结束地址，归属地，IP起始地址的long类型数值，IP结束地址的long类型数值。IP地址转换为long类型，用于后续对IP地址进行排序。

        实体类实现Comparable接口，用于自定义比较规则，覆写comparaTo方法，根据起始IP地址进行比较。

        实体类实现Serializable接口，可对当前对象进行序列化操作。

package com.zh.pojo;

import java.io.Serializable;

import com.zh.utils.IPUtil;

public class IPAndLocationPojo implements Comparable<IPAndLocationPojo>, Serializable {
	private static final long serialVersionUID = 1L;
	/**
	 * 起始IP
	 */
	private String startIP;
	/**
	 * 结束IP
	 */
	private String endIP;
	/**
	 * 归属地
	 */
	private String location;
	/**
	 * 起始地址转long类型
	 */
	private long startIPLong;
	/**
	 * 结束地址转long类型
	 */
	private long endIPLong;
	
	
	public IPAndLocationPojo() {
		super();
	}
	public IPAndLocationPojo(String startIP, String endIP, String location) {
		super();
		this.startIP = startIP;
		this.endIP = endIP;
		this.location = location;
		this.startIPLong = IPUtil.ipToLong(startIP);
		this.endIPLong = IPUtil.ipToLong(endIP);
				
	}
	public String getStartIP() {
		return startIP;
	}
	public void setStartIP(String startIP) {
		this.startIP = startIP;
	}
	public String getEndIP() {
		return endIP;
	}
	public void setEndIP(String endIP) {
		this.endIP = endIP;
	}
	public String getLocation() {
		return location;
	}
	public void setLocation(String location) {
		this.location = location;
	}
	
	
	public long getStartIPLong() {
		return startIPLong;
	}
	public long getEndIPLong() {
		return endIPLong;
	}

	@Override
	public String toString() {
		return "IPAndLocationPojo [startIP=" + startIP + ", endIP=" + endIP + ", location=" + location
				+ ", startIPLong=" + startIPLong + ", endIPLong=" + endIPLong + "]";
	}
	@Override
	public int compareTo(IPAndLocationPojo o) {
		long result = this.startIPLong - o.getStartIPLong();
		if(result > 0) {
			return 1; // 正序
		}else if(result < 0) {
			return -1; // 倒序
		}else {
			return 0;
		}
	}

	
	
}

        3. 结构化数据

        调用文件读取工具类，返回一个集合，集合中的每一条数据，即为文件中的一行。

        遍历集合，取出每一条数据，根据制表符（\t）分割，存储到数组中，此时数组中下标为0的位置存储的为IP起始地址的字符串，下标为1的位置存储的是IP结束地址的字符串，下标为2的位置存储的为归属地信息。

        将数组中的数据封装为对象，后添加到ArrayList集合中，此时ArrayList中每一个元素即为一个IP归属地对象。

/**
	 * 结构化数据
	 * @param filePath
	 * @param encoding
	 * @return
	 * @throws IOException
	 */
	public static List<IPAndLocationPojo> getPojoList(String filePath, String encoding) throws IOException{
		// 获取数据
		List<String> list = FileReadUtil.FileRead(filePath, encoding);
		// 封装结构化后的数据
		List<IPAndLocationPojo> pojoList = new ArrayList<IPAndLocationPojo>();
		// 逐条遍历取出数据
		for(String string : list) {
			// 跳过空行
			if(string == null || string.trim().equals("")) {
				continue;
			}
			// 分割字符串
			String[] strs = string.split("\t");
			// 跳过不合规的数组
			if(strs.length != 3) {
				continue;
			}
			String startIP = strs[0];
			String endIP = strs[1];
			String location = strs[2];
			IPAndLocationPojo ipPojo = new IPAndLocationPojo(startIP, endIP, location);
			pojoList.add(ipPojo);
		}
		return pojoList;		
	}
	

        4. 集合转数组并排序

        由于实体类中存储的起始IP和结束IP为字符串类型，默认排序规则不符合要求，所以需要提供工具类，将实体类中起始IP地址和结束IP地址的字符串转换为long类型，为实体类中添加long类型的起始IP和结束IP，并实现Comparable接口，覆写comparaTo方法来自定义比较规则。

        工具类：

package com.zh.utils;

import java.util.Scanner;

/**
 * Ip地址转换
 */
public class IPUtil {

	/**
	 * ip地址字符串转long类型
	 * 
	 * @param ipString
	 * @return
	 */
	public static long ipToLong(String ipString) {
		String[] str = ipString.split("\\.");
		return (Long.parseLong(str[0]) << 24) 
				+ (Long.parseLong(str[1]) << 16) 
				+ (Long.parseLong(str[2]) << 8)
				+ Long.parseLong(str[3]);
	}

	/**
	 * long 类型数转Ip地址
	 * 
	 * @param ipLong
	 * @return
	 */
	public static String longToIP(long ipLong) {
		StringBuffer sb = new StringBuffer("");
		sb.append(String.valueOf(ipLong >> 24)).append(".").append(String.valueOf((ipLong & 0x00ffffff) >> 16))
				.append(".").append(String.valueOf((ipLong & 0x0000ffff) >> 8)).append(".")
				.append(String.valueOf(ipLong & 0x000000ff));
		return sb.toString();
	}
}

/**
	 * 将对象集合转换为数组并排序
	 * @param ipPojoList
	 * @return
	 */
	public static IPAndLocationPojo[] IpPojoArray(List<IPAndLocationPojo> ipPojoList) {
		// 集合转数组
		IPAndLocationPojo[] ipPojoArray = new IPAndLocationPojo[ipPojoList.size()];
		ipPojoList.toArray(ipPojoArray);
		// 数组排序
		Arrays.sort(ipPojoArray);
		return ipPojoArray;
	}

        5. 二分法查找

        根据用户输入的IP地址，采用二分法在已经排序好的数组中，查找IP的归属地信息。

由于IP地址库中存储的IP为一段地址范围，所以每次判断中间索引的起始地址小于用户输入地址后，需要在判断中间索引的结束地址是否大于用户输入IP，如果满足条件说明用户输入的IP地址位于当前中间索引起始地址所在的IP地址段，直接返回中间索引的IP归属地即为用户的IP归属地，

/**
	 * 根据用户输入的地址查寻归属地
	 * @param userIp
	 * @param arr
	 * @return
	 */
	public static String searchIP(String userIp, IPAndLocationPojo[] arr) {
		// 将用户输入的IP转换为long型
		long userIP = IPUtil.ipToLong(userIp);
		int height = arr.length - 1;
		int low = 0;
		// 二分查找
		while(low <= height) {
			int mid =(height + low) / 2;
			// 当中间索引的起始IP大于用户输入IP时，结束索引等于中间索引-1
			if(arr[mid].getStartIPLong() > userIP) {
				height = mid - 1;
				// 当中间索引的结束IP地址大于等于用户输入IP时，返回当前归属地信息
			}else if(arr[mid].getEndIPLong() >= userIP){	
					return arr[mid].getLocation();
				}else {
					low = mid + 1;
				}
			}
		return null;	
		
	}
	

        6. 封装接口类

        封装接口，对外只提供获取归属地的方法，入参:IP地址， 出参:归属地

        静态代码块中为数组中数据的初始化工作，保证每次执行只执行一次，不需要重复结构化数据，提高效率。文中代码对排序好的数组执行了序列化操作，也可以不进行序列化。

        序列化工具类:

package com.zh.utils;

import java.io.BufferedInputStream;
import java.io.BufferedOutputStream;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.ObjectInputStream;
import java.io.ObjectOutputStream;


public class FileSerializationUtil {
	// 序列化对象
	public static void SerializationObject(String path, Object arr) {
		try (
				FileOutputStream fos = new FileOutputStream(path);
				BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(fos);
				ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(bos);
				) {
			
			oos.writeObject(arr);
			oos.flush();
		} catch (Exception e) {
			e.printStackTrace();
		}
		
	}
	// 对象反序列化
	public static Object DeserializationObject(String path) {
		Object obj = null;
		try (
				FileInputStream fis = new FileInputStream(path);
				BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(fis);
				ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(bis);
				){
				obj = ois.readObject();
		} catch (Exception e) {
			e.printStackTrace();
		}
		return obj;
	}
		
}

        IP地址校验工具类：用于校验用户输入IP地址是否符合规范。

package com.zh.utils;

import java.util.regex.Matcher;
import java.util.regex.Pattern;

// IP地址校验
public class IPCheckUtil {
	// 正则表达式IP地址验证规则
	private static final String IP_PATTERN = "^((25[0-5]|2[0-4][0-9]|[01]?[0-9][0-9]?)\\.){3}(25[0-5]|2[0-4][0-9]|[01]?[0-9][0-9]?)$";
	// 创建匹配模式
	private static final Pattern pattern = Pattern.compile(IP_PATTERN);
	// 匹配IP地址
	public static boolean checkIP(String ipString) {		
		Matcher matcher = pattern.matcher(ipString);
		return matcher.matches();
	}
}

        管理类中代码对外提供接口的方法

private static final String IP_ILLEGAL = "IP地址不合法";
	private static final String SERIALIZED_FILE_PATH = "./serialized_ip_data.ser";
	private static IPAndLocationPojo[] arr = null;
	// 静态语句块只加载一次
	static {
		
		File serializedPath = new File(SERIALIZED_FILE_PATH);
		if(serializedPath.exists()) {
			
			arr = (IPAndLocationPojo[])FileSerializationUtil.DeserializationObject(SERIALIZED_FILE_PATH);
		}else {
			// 本地IP地址库
			String filePath = "ip_location_relation.txt";
			// 编码方式
			String encoding = "UTF-8";
			
			List<IPAndLocationPojo> list = null;
			try {
				// 数据结构化
				list = DataProcessManager.getPojoList(filePath, encoding);
				// 转换为数组并排序
				arr = DataProcessManager.IpPojoArray(list);
				FileSerializationUtil.SerializationObject(SERIALIZED_FILE_PATH, arr);
			} catch (IOException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}
		
		
	}
	
	/**
	 * 获取IP归属地
	 * @param ipString
	 * @return
	 * @throws IOException
	 */
	public static String ipLocationSer(String ipString){
		// 校验IP地址是否合法
		if (IPCheckUtil.checkIP(ipString)) {
			// IP地址合法，查询归属地
			String ipuser = DataProcessManager.searchIP(ipString, arr);
			return ipuser;
		} else {
			return IP_ILLEGAL;
		}
	}

        7. 入口类

        充当程序入口，执行main方法。

package com.zh.controller;

import java.io.IOException;
import java.util.List;
import java.util.Scanner;

import com.zh.manage.DataProcessManager;
import com.zh.pojo.IPAndLocationPojo;
import com.zh.utils.IPCheckUtil;

//入口类
public class SystemController {
	public static void main(String[] args) {
		Scanner scanner = new Scanner(System.in);
		System.out.println("请输入要查询的IP地址:");
		String ip = null;
		while((ip = scanner.next())!= null) {
			// long startTime = System.currentTimeMillis();
			String location = DataProcessManager.ipLocationSer(ip);
			System.out.println(location);
			// System.out.println("耗时: " + (System.currentTimeMillis() - startTime));
			System.out.println("请输入要查询的IP地址:");
		}
	}	
}

             管理类完整代码：

package com.zh.manage;

import java.io.File;
import java.io.IOException;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Arrays;
import java.util.List;

import com.zh.pojo.IPAndLocationPojo;
import com.zh.utils.FileReadUtil;
import com.zh.utils.FileSerializationUtil;
import com.zh.utils.IPCheckUtil;
import com.zh.utils.IPUtil;

/**
 * 管理类
 */
public class DataProcessManager {
	
	private static final String IP_ILLEGAL = "IP地址不合法";
	private static final String SERIALIZED_FILE_PATH = "./serialized_ip_data.ser";
	private static IPAndLocationPojo[] arr = null;
	// 静态语句块只加载一次
	static {
		
		File serializedPath = new File(SERIALIZED_FILE_PATH);
		if(serializedPath.exists()) {
			
			arr = (IPAndLocationPojo[])FileSerializationUtil.DeserializationObject(SERIALIZED_FILE_PATH);
		}else {
			// 本地IP地址库
			String filePath = "ip_location_relation.txt";
			// 编码方式
			String encoding = "UTF-8";
			
			List<IPAndLocationPojo> list = null;
			try {
				// 数据结构化
				list = DataProcessManager.getPojoList(filePath, encoding);
				// 转换为数组并排序
				arr = DataProcessManager.IpPojoArray(list);
				FileSerializationUtil.SerializationObject(SERIALIZED_FILE_PATH, arr);
			} catch (IOException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}
		
		
	}
	
	/**
	 * 获取IP归属地
	 * @param ipString
	 * @return
	 * @throws IOException
	 */
	public static String ipLocationSer(String ipString){
		// 校验IP地址是否合法
		if (IPCheckUtil.checkIP(ipString)) {
			// IP地址合法，查询归属地
			String ipuser = DataProcessManager.searchIP(ipString, arr);
			return ipuser;
		} else {
			return IP_ILLEGAL;
		}
	}
	
	/**
	 * 结构化数据
	 * @param filePath
	 * @param encoding
	 * @return
	 * @throws IOException
	 */
	private static List<IPAndLocationPojo> getPojoList(String filePath, String encoding) throws IOException{
		// 获取数据
		List<String> list = FileReadUtil.FileRead(filePath, encoding);
		// 封装结构化后的数据
		List<IPAndLocationPojo> pojoList = new ArrayList<IPAndLocationPojo>();
		// 逐条遍历取出数据
		for(String string : list) {
			// 跳过空行
			if(string == null || string.trim().equals("")) {
				continue;
			}
			// 分割字符串
			String[] strs = string.split("\t");
			// 跳过不合规的数组
			if(strs.length != 3) {
				continue;
			}
			String startIP = strs[0];
			String endIP = strs[1];
			String location = strs[2];
			IPAndLocationPojo ipPojo = new IPAndLocationPojo(startIP, endIP, location);
			pojoList.add(ipPojo);
		}
		return pojoList;		
	}
	
	/**
	 * 将对象集合转换为数组并排序
	 * @param ipPojoList
	 * @return
	 */
	private static IPAndLocationPojo[] IpPojoArray(List<IPAndLocationPojo> ipPojoList) {
		// 集合转数组
		IPAndLocationPojo[] ipPojoArray = new IPAndLocationPojo[ipPojoList.size()];
		ipPojoList.toArray(ipPojoArray);
		// 数组排序
		Arrays.sort(ipPojoArray);
		return ipPojoArray;
	}
	
	/**
	 * 根据用户输入的地址查寻归属地
	 * @param userIp
	 * @param arr
	 * @return
	 */
	private static String searchIP(String userIp, IPAndLocationPojo[] arr) {
		// 将用户输入的IP转换为long型
		long userIP = IPUtil.ipToLong(userIp);
		int height = arr.length - 1;
		int low = 0;
		// 二分查找
		while(low <= height) {
			int mid =(height + low) / 2;
			// 当中间索引的起始IP大于用户输入IP时，结束索引等于中间索引-1
			if(arr[mid].getStartIPLong() > userIP) {
				height = mid - 1;
				// 当中间索引的结束IP地址大于等于用户输入IP时，返回当前归属地信息
			}else if(arr[mid].getEndIPLong() >= userIP){	
					return arr[mid].getLocation();
				}else {
					low = mid + 1;
				}
			}
		return null;	
		
	}
	
}

          运行结果：

        8. 优化

为提高首次读取效率添加序列化和反序列化，pojo类中startIP和endIP属性无需序列化可添加transient关键字，可减小序列化后文件的大小，减少IO操作耗时。

    /**
	 * 起始IP
	 */
	private transient String startIP;
	/**
	 * 结束IP
	 */
	private transient String endIP;

入口类方法可加入多线程，同步加载管理类，加载静态语句块，实现初始化。

//入口类
public class SystemController {
	public static void main(String[] args) {
		// 创建一个线程，加载管理类
		new Thread(() -> {
			try {
				Class.forName("com.zh.manage.DataProcessManager");
			} catch (ClassNotFoundException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}).start();
		
		// new Thread(() -> new DataProcessManager()).start();
		Scanner scanner = new Scanner(System.in);
		System.out.println("请输入要查询的IP地址:");
		String ip = null;
		while((ip = scanner.next())!= null) {
			long startTime = System.currentTimeMillis();
			String location = DataProcessManager.ipLocationSer(ip);
			System.out.println(location);
			System.out.println("耗时: " + (System.currentTimeMillis() - startTime));
			System.out.println("请输入要查询的IP地址:");
		}
	}	
}

优化前首次查询耗时：

优化后首次查询耗时：