JDK中socket源码解析

1、Java.net包

1. Socket通信相关类

2. URL和URI处理类

3. 网络地址和主机名解析类

4. 代理和认证相关类

5. 网络缓存和Cookie管理类

6. 其他网络相关工具类

2、什么是socket？

3、JDK中socket核心Api

4、核心源码

1、核心方法

2、本地方法

3、linux是怎么处理链接的？

5、demo验证

建立连接

发送数据

断开连接

1、Java.net包

java.net包提供了一组用于网络编程的类，支持开发网络应用程序和处理网络通信。java.net包可以大致分为六个部分：

1. Socket通信相关类

这些类用于实现基于 TCP 和 UDP 协议的网络通信。

Socket：实现客户端的 TCP 套接字，允许程序与远程主机建立连接并传输数据。
ServerSocket：实现服务器的 TCP 套接字，用于监听客户端连接并接受连接请求。
DatagramSocket：用于 UDP 套接字通信，通过不可靠的无连接数据报协议传输数据。
MulticastSocket：扩展了 DatagramSocket，用于支持多播组通信，允许数据发送到多个接收者。
SocketAddress：表示一个套接字地址，通常用于绑定到特定 IP 地址和端口。
InetSocketAddress：表示 IP 地址和端口的组合，继承自SocketAddress 。

2. URL和URI处理类

这些类用于处理统一资源定位符（URL）和统一资源标识符（URI）。

URL：表示一个 URL（统一资源定位符），用于定位网络资源。支持从指定的 URL 中读取和解析数据。
URI：表示一个 URI（统一资源标识符），提供对 URI 的结构化处理。
URLStreamHandler：处理 URL 的协议细节，通常用于为不同协议（如 http、ftp）定义特定的处理逻辑。
URLConnection：表示到 URL 所引用的资源的通信链接，可以处理资源的获取和发送。
- HttpURLConnection：继承自URLConnection ，用于处理 HTTP 协议的 URL 连接，支持 HTTP 请求和响应。
- JarURLConnection：继承自URLConnection ，用于从 JAR 文件中获取资源。

3. 网络地址和主机名解析类

这些类用于表示 IP 地址和解析主机名。

InetAddress：表示 IP 地址，可以通过主机名或 IP 地址来查找和操作网络主机。
- Inet4Address：表示 IPv4 地址。
- Inet6Address：表示 IPv6 地址。
NetworkInterface：表示网络接口（如以太网接口），用于获取和操作本地计算机的网络接口。

4. 代理和认证相关类

这些类用于处理网络代理和认证功能。

Proxy：表示网络通信中的代理设置，支持 HTTP 和 SOCKS 等代理类型。
ProxySelector：用于选择代理服务器的策略，可以根据 URI 的类型来选择合适的代理。
Authenticator：用于实现网络请求中的认证机制，允许为 HTTP 和 FTP 请求提供用户名和密码等凭据。
PasswordAuthentication：表示用户名和密码对，用于 Authenticator 类中的认证操作。

5. 网络缓存和Cookie管理类

这些类用于处理缓存和 Cookie 的存储和管理。

CookieHandler：用于管理 HTTP 协议中的 Cookie。
- CookieManager：具体的 Cookie 管理器实现，允许存储和检索 Cookie。
CacheRequest：表示缓存系统中的请求，允许将资源写入缓存。
CacheResponse：表示缓存系统中的响应，允许从缓存中读取资源。

6. 其他网络相关工具类

一些提供额外网络功能的工具类。

DatagramPacket：用于表示数据报，包含通过 DatagramSocket 发送或接收的数据。
IDN：提供对国际化域名的处理，允许将 Unicode 域名转换为符合 Punycode 编码的 ASCII 字符串。
NetworkInterface：表示计算机上的网络接口，允许列举和操作网络接口。
StandardProtocolFamily：定义标准协议族（如 INET 和INET6），用于套接字通信。

2、什么是socket？

一个IP地址和一个端口号称为一个套接字（socket）。此术语出现在最早的TCP规范（RFC793, Page 5）中。我们知道进程通信的方法有管道、命名管道、信号、消息队列、共享内存、信号量，这些方法都要求通信的两个进程位于同一个主机。但是如果通信双方不在同一个主机又该如何进行通信呢？在计算机网络中有一个tcp/ip协议族，使用tcp/ip协议族就能达到我们想要的效果，如下图所示:

socket就是提供了tcp/ip协议的抽象，对外提供了一套接口，同过这个接口就可以统一、方便的使用tcp/ip协议的功能了，使得我们可以在在不同的计算机或网络设备之间建立连接，允许数据的发送和接收。

3、JDK中socket核心Api

方法签名		作用
构造函数	public ServerSocket()	创建未绑定的服务器套接字。稍后需要手动调用 `bind()` 来绑定到特定的端口。
	public ServerSocket(int port)	创建绑定到指定端口的服务器套接字，默认使用所有可用的网络接口（IP 地址）。
	public ServerSocket(int port, int backlog)	创建绑定到指定端口的服务器套接字，并指定连接请求队列的最大长度 `backlog`。
	public ServerSocket(int port, int backlog, InetAddress bindAddr)	创建绑定到指定 IP 地址和端口的服务器套接字，指定 `backlog` 来定义连接请求的队列长度。
	public Socket(String host, int port)（客户端）	创建一个客户端 Socket 并连接到指定的远程主机 host 和端口 port。
绑定端口方法	public void bind(SocketAddress endpoint)（客户端、服务端）	将服务器套接字绑定到指定的 `SocketAddress`，通常是 `InetSocketAddress`，以监听特定端口。
绑定端口方法	public void bind(SocketAddress endpoint, int backlog)	绑定到指定的 `SocketAddress` 并设置连接请求队列的最大长度 `backlog`，队列满时拒绝新连接请求。
监听客户端	protected void listen(int backlog)	将服务器套接字置于监听状态，backlog 参数指定允许等待连接的最大队列长度，超过该长度的连接请求将被拒绝。
接受客户端请求	public Socket accept() throws IOException	等待客户端的连接请求，接受成功后返回一个与客户端通信的新 `Socket` 对象。
尝试连接服务端socket	public void connect(SocketAddress endpoint, int timeout)（客户端）	尝试连接到远程服务器指定的 `SocketAddress` 地址，`timeout` 参数指定连接超时时间（毫秒）。如果在超时时间内未能连接，则抛出异常。
数据输入输出	InputStream getInputStream()	获取 Socket 的字节输入流
	OutputStream getOutputStream()	获取 Socket 的字节输出流
	InetAddress getInetAddress()	获取对端的 IP 地址
	InetAddress getPort()	获取对端的端口号

4、核心源码

1、核心方法

客户端和服务端最重要的两个类是Socket和Server Socket，这俩一个代表tcp通信的客户端，一个代表服务端。从源码来看,ServerSocket和socket内部分别持有一个SocketImpl对象，用于将对应的方法代理给native方法。以服务端ServerSocket为例：
构造函数中通过调用setImpl()创建了一个SocketImpl实现类，所有的创建链接、读写数据系统交互的本地方法都是在实现类中调用，也就是将对应的方法代理给native方法。

    public ServerSocket(int port, int backlog, InetAddress bindAddr) throws IOException {
        setImpl();
        if (port < 0 || port > 0xFFFF)
            throw new IllegalArgumentException(
                       "Port value out of range: " + port);
        if (backlog < 1)
          backlog = 50;
        try {
            bind(new InetSocketAddress(bindAddr, port), backlog);
        } catch(SecurityException e) {
            close();
            throw e;
        } catch(IOException e) {
            close();
            throw e;
        }
    }

setImpl();方法在JDK17与JDK8中的实现方式不一样。JDK13之前使用的是PlainSocketImpl这个实现类（阻塞式 I/O），JDK 13后，Socket 的连接过程通过 NioSocketImpl 实现，采用了 NIO（非阻塞 I/O）技术来实现高效的网络连接和数据传输。具体可以参考：JDK13新特性

  private void setImpl() {
        SocketImplFactory factory = ServerSocket.factory;
        if (factory != null) {
            impl = factory.createSocketImpl();
        } else {
            impl = SocketImpl.createPlatformSocketImpl(true);
        }
    }

  static <S extends SocketImpl & PlatformSocketImpl> S createPlatformSocketImpl(boolean server) {  （默认传参false）
        if (USE_PLAINSOCKETIMPL) {
            return (S) new PlainSocketImpl(server);
        } else {
            return (S) new NioSocketImpl(server);
        }
    }

创建对应的socket实现类以后，调用bind方法绑定端口与开启监听，真正的本地方法的调用都在：getImpl().bind(epoint.getAddress(), epoint.getPort())、getImpl().listen(backlog)中实现：

 public void bind(SocketAddress endpoint, int backlog) throws IOException {
        if (backlog < 1)
          backlog = 50;
        try {
            @SuppressWarnings("removal")
            SecurityManager security = System.getSecurityManager();
            if (security != null)
                security.checkListen(epoint.getPort());
            getImpl().bind(epoint.getAddress(), epoint.getPort());
            getImpl().listen(backlog);
            bound = true;
        } catch(SecurityException e) {
            bound = false;
            throw e;
        } catch(IOException e) {
            bound = false;
            throw e;
        }
    }

  static void bind(ProtocolFamily family, FileDescriptor fd,
                     InetAddress addr, int port) throws IOException
    {
        boolean preferIPv6 = isIPv6Available() &&
            (family != StandardProtocolFamily.INET);
        if (addr.isLinkLocalAddress()) {
            addr = IPAddressUtil.toScopedAddress(addr);
        }
        bind0(fd, preferIPv6, exclusiveBind, addr, port);
    }

2、本地方法

JDK8源码中的路径：C:\jdk-8\src\solaris\native\java\net\PlainSocketImpl.c

JNIEXPORT void JNICALL
Java_java_net_PlainSocketImpl_socketBind(JNIEnv *env, jobject this,
                                         jobject iaObj, jint localport) {}

3、linux是怎么处理链接的？

前面提到的核心Api中，有关建立socket连接的Api中都有一个参数叫做backlog，源码中这个参数如果不设置，系统默认值为50，那么这个参数到底是什么？

 public ServerSocket(int port) throws IOException {
        this(port, 50, null);
    }

public ServerSocket(int port, int backlog, InetAddress bindAddr) throws IOException {
        setImpl();
    }

关于这个参数，只需要看懂下面这张图就明白了：

Linux内核协议栈为TCP连接管理使用两个队列，一个是SYN队列（半链接队列，用来保存处于SYN_SENT和SYN_RECV状态的请求），一个是accpetd队列（用来保存处于established状态，但是应用层没有调用accept取走的请求），这两个队列是内核实现的，当服务器绑定、监听了某个端口后，这个端口的SYN队列和ACCEPT队列就建立好了。如图，整个过程就是：

1. 当SYN包到达了服务器后，内核会把这一信息放到SYN队列（即未完成握手队列）中，同时回一个SYN+ACK包给客户端。
2. 一段时间后，客户端再次发来了针对服务器SYN包的ACK网络分组时，内核会把连接从SYN队列中取出，再把这个连接放到ACCEPT队列（即已完成握手队列）中。
3. 服务器在第3步调用accept时，其实就是直接从ACCEPT队列中取出已经建立成功的连接套接字而已。

那么问题来了，当这两个队列满了后，新的请求到达了又将发生什么？

对于SYN队列，若队列满，则会直接丢弃请求，即新的SYN网络分组会被丢弃，这个问题好解决，客户端接收不到回复，会再一次发送，然后服务端继续丢弃，知道队列有空闲的位置。而客户端如果一直接收不到回复，发几次之后就会停止。
对于ACCEPT队列的处理就有点复杂了，分两种情况：

1. 如果server端设置了sysctl_tcp_abort_on_overflow，那么server会发送rst给client，并删除掉这个链接。默认情况下是不会设置的。
2. 如果没有设置sysctl_tcp_abort_on_overflow ，server端只是标记连接请求块的acked标志，并且连接建立定时器，会遍历半连接表，重新发送synack，重复上面的过程，如果重传次数超过synack重传的阀值，会把该连接从半连接链表中直接删除。

5、demo验证

建立连接

1、服务端创建服务端套接字，并开启客户端监听与等待连接请求
2、客户端客户端套接字，尝试连接服务端
3、客户端调用private static native int connect0(boolean preferIPv6,
FileDescriptor fd,
InetAddress remote,
int remotePort)
3次握手建立连接