Java进阶:基于TCP通信的网络实时聊天室
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开门见山
结语
开门见山
最近一个月记录了学习Socket网络编程的知识和实战案例,相对来说,比较系统地学习了基于TCP协议实现网络通信,也是计算机网络中重中之重,TCP/IP属于网络层,在java中,对该层的工作实现了封装,在编程中,就更加容易地去实现通信,而不用顾及底层的实现。当然,我们需要熟悉五层协议,在实践中体会其中的原理,理解更加深刻。
所以,系列文章从入门开始,不断完善C/S架构的Socket通信,回忆一下,首先是实现了Server和Client的互相通信,在这个过程发现问题,接着就使用多线程技术解决客户端实时接收信息的问题,后来到了服务器端,发现多用户连接服务器的“先到先得”问题,“后到者”无法正常通信,所以再使用线程池技术解决了多用户服务器的问题。
到此,基本实现了一个简单的客户端-服务器应用,因此,本篇将基于前面全部内容,使用客户端-服务器(C/S架构),结合多线程技术,模拟类似QQ、微信聊天功能,实现一个网络实时聊天室,目前的功能包括:
L(list):查看当前上线用户; G(group):群聊; O(one-one):私信; E(exit):退出当前聊天状态; bye:离线; H(help):查看帮助
本篇将详细记录网络实时聊天室的实现步骤,以系列文章为前提基础,可见文末。
一、数据结构Map
前两篇的TCPClientThreadFX和TCPThreadServer实现了多线程的通信,但也只是客户端和服务器的聊天,如何做到群组的聊天?想法就是客户A的聊天信息通过服务器转发到同时在线的所有客户。
具体做法是需要在服务器端新增记录登陆客户信息的功能,每个用户都有自己的标识。本篇将使用简单的“在线方式”记录客户套接字,即采用集合来保存用户登陆的套接字信息,来跟踪用户连接。
所以,我们需要选择一种合适的数据结构来保存用户的Socket和用户名信息,那在java中,提供了哪些数据结构呢?
Java常用的集合类型有:Map、List和Set。Map是保存Key-Value对,List类似数组,可保存可重复的值,而Set只保存不重复的值,相当于是只保存key,不保存value的Map。
如果是有用户名、学号登录的操作,就可以采用Map类型的集合来存储,例如可使用key记录用户名+学号,value保存套接字。对于本篇的网络聊天室的需求,需要采用Map,用来保存不同用户的socket和登录名。用户套接字socket作为key来标识一个在线用户是比较方便的选择,因为每一个客户端的IP地址+端口组合是不一样的。
二、保证线程安全
很明显,我们需要使用到多线程技术,而在多线程环境中,对共享资源的读写存在线程并发安全的问题,例如HashMap、HaspSet等都不是线程安全的,可以通过synchronized关键字进行加锁,但还有更方便的方案:可以直接使用Java标准库的java.util.concurrent包提供的线程安全的集合。例如HashMap的线程安全是 ConcurrentHashMap,HashSet的线程安全Set是CopyOnWriteArraySet。
如图,Map继承体系:
在JDK1.8中,对HashMap进行了改进,当结点数量超过TREEIFY_THRESHOLD
则要转换为红黑树,这样很大优化了查询的效率,但仍然不是线程安全的。
这里简单了解一下,具体学习可以查询相关资料。有了以上的基本知识,下面开始进入网络实时聊天室的具体实现。
三、群聊核心方法
基于前面这样的想法:实现群聊就是客户A的聊天信息通过服务器转发到同时在线的所有客户,服务器端根据HashMap记录登陆用户的socket,向所有用户转发信息。
核心的群组发送方法sendToAllMembers,用于给所有在线客服发送信息。
private void sendToMembers(String msg,String hostAddress,Socket mySocket) throws IOException{ PrintWriter pw; OutputStream out; Iterator iterator=users.entrySet().iterator(); while (iterator.hasNext()){ Map.Entry entry=(Map.Entry) iterator.next(); Socket tempSocket = (Socket) entry.getKey(); String name = (String) entry.getValue(); if (!tempSocket.equals(mySocket)){ out=tempSocket.getOutputStream(); pw=new PrintWriter(new OutputStreamWriter(out,"utf-8"),true); pw.println(hostAddress+":"+msg); } } }
使用到了Map的遍历,对其他所有用户发送信息。
相同的原理,我们实现私聊的功能,转化为实现的思想,也就是当前用户和指定用户Socket之间的通信,所以我写了一个sendToOne的方法。
private void sendToOne(String msg,String hostAddress,Socket another) throws IOException{ PrintWriter pw; OutputStream out; Iterator iterator=users.entrySet().iterator(); while (iterator.hasNext()){ Map.Entry entry=(Map.Entry) iterator.next(); Socket tempSocket = (Socket) entry.getKey(); String name = (String) entry.getValue(); if (tempSocket.equals(another)){ out=tempSocket.getOutputStream(); pw=new PrintWriter(new OutputStreamWriter(out,"utf-8"),true); pw.println(hostAddress+"私信了你:"+msg); } } }
以上两个方法是本网络聊天室的关键,后面实现的功能将是对这两个方法的灵活运用。
四、聊天室具体设计
目前聊天室的功能定位包括:1)查看当前上线用户;2):群聊;3)私信;4)退出当前聊天状态;5)离线;6)查看帮助。
首先,初始化最关键的数据结构,作为类成员变量,HashMap用来保存Socket和用户名:
private ConcurrentHashMap<Socket,String> users=new ConcurrentHashMap();
每个功能具体实现如下:
0、用户登录服务器
这里是最开始的服务器端的信息处理,需要记录每个用户的登录信息,包括连接的套接字和自定义昵称,方便后续使用。我采用的方法是当用户连接服务器时候,提醒用户输入用户名来进一步操作,也实现了不重名的判断逻辑。代码如下:
pw.println("From 服务器:欢迎使用服务!");
pw.println("请输入用户名:");
String localName = null;
while ((hostName=br.readLine())!=null){
users.forEach((k,v)->{
if (v.equals(hostName))
flag=true;//线程修改了全局变量
});
if (!flag){
localName=hostName;
users.put(socket,hostName);
flag=false;
break;
}
else{
flag=false;
pw.println("该用户名已存在,请修改!");
}
}
登录成功之后会向所有在线用户告知上线信息。
1、查看当前上线用户
其实就是将服务器端记录在HashMap中的信息返回给请求用户,通过约定的命令L来查看:
if (msg.trim().equalsIgnoreCase("L")){
users.forEach((k,v)->{
pw.println("用户:"+v);
});
continue;
}
2、群聊
else if (msg.trim().equals("G")){ pw.println("您已进入群聊。"); while ((msg=br.readLine())!=null){ if (!msg.equals("E")&&users.size()!=1) sendToMembers(msg,localName,socket); else if (users.size()==1){ pw.println("当前群聊无其他用户在线,已自动退出!"); break; } else { pw.println("您已退出群组聊天室!"); break; } } }
3、私信
同理,处理逻辑变为一对一的通信,与之前服务器-客户端一对一类似,但是这里需要更多的处理,保证逻辑正确,包括被私聊人的在线状态,被私聊人用户名是否正确等。
1 //一对一私聊 2 else if (msg.trim().equalsIgnoreCase("O")){ 3 pw.println("请输入私信人的用户名:"); 4 String name=br.readLine(); 5 6 //查找map中匹配的socket,与之建立通信 7 //有待改进,处理输入的用户名不存在的情况 8 users.forEach((k, v)->{ 9 if (v.equals(name)) { 10 isExist=true;//全局变量与线程修改问题 11 } 12 13 }); 14 //已修复用户不存在的处理逻辑 15 Socket temp=null; 16 for(Map.Entry<Socket,String> mapEntry : users.entrySet()){ 17 if(mapEntry.getValue().equals(name)) 18 temp = mapEntry.getKey(); 19 // System.out.println(mapEntry.getKey()+":"+mapEntry.getValue()+'\n'); 20 } 21 if (isExist){ 22 isExist=false; 23 //私信后有一方用户离开,另一方未知,仍然发信息而未收到回复,未处理这种情况 24 while ((msg=br.readLine())!=null){ 25 if (!msg.equals("E")&&!isLeaved(temp)) 26 sendToOne(msg,localName,temp); 27 else if (isLeaved(temp)){ 28 pw.println("对方已经离开,已断开连接!"); 29 break; 30 } 31 else{ 32 pw.println("您已退出私信模式!"); 33 break; 34 } 35 } 36 } 37 else 38 pw.println("用户不存在!"); 39 }
4、退出当前聊天状态
这个功能主要融入到群聊和私聊中,可见上面两个功能实现的内部调用,定义了一个方法isLeaved,判断用户是否已经下线。
//判断用户是否已经下线 private Boolean isLeaved(Socket temp){ Boolean leave=true; for(Map.Entry<Socket,String> mapEntry : users.entrySet()) { if (mapEntry.getKey().equals(temp)) leave = false; } return leave; }
5、离线
这个功能比较简单,通过约定的命令执行。
if (msg.trim().equalsIgnoreCase("bye")) {
pw.println("From 服务器:服务器已断开连接,结束服务!");
users.remove(socket,localName);
sendToMembers("我下线了",localName,socket);
System.out.println("客户端离开。");//加当前用户名
break;
}
6、查看帮助
通过命令H请求服务器的帮助,是指用户查看哪些命令对应的功能,来进行选择。
else if (msg.trim().equalsIgnoreCase("H")){
pw.println("输入命令功能:(1)L(list):查看当前上线用户;(2)G(group):进入群聊;(3)O(one-one):私信;(4)E(exit):退出当前聊天状态;(5)bye:离线;(6)H(help):帮助");
continue;//返回循环
}
五、聊天室服务完整代码
聊天室实现主要工作在于服务端,聚焦于服务器线程处理的内部类Hanler,上面是各个功能具体介绍,下面完整给出代码,只需要在前面文章的基础上,见Java多线程实现多用户与服务端Socket通信。
修改服务器端线程处理代码:
class Handler implements Runnable { private Socket socket; public Handler(Socket socket) { this.socket = socket; } public void run() { //本地服务器控制台显示客户端连接的用户信息 System.out.println("New connection accept:" + socket.getInetAddress().getHostAddress()); try { BufferedReader br = getReader(socket); PrintWriter pw = getWriter(socket); pw.println("From 服务器:欢迎使用服务!"); pw.println("请输入用户名:"); String localName = null; while ((hostName=br.readLine())!=null){ users.forEach((k,v)->{ if (v.equals(hostName)) flag=true;//线程修改了全局变量 }); if (!flag){ localName=hostName; users.put(socket,hostName); flag=false;//可能找出不一致问题 break; } else{ flag=false; pw.println("该用户名已存在,请修改!"); } } // System.out.println(hostName+": "+socket); sendToMembers("我已上线",localName,socket); pw.println("输入命令功能:(1)L(list):查看当前上线用户;(2)G(group):进入群聊;(3)O(one-one):私信;(4)E(exit):退出当前聊天状态;(5)bye:离线;(6)H(help):帮助"); String msg = null; //用户连接服务器上线,进入聊天选择状态 while ((msg = br.readLine()) != null) { if (msg.trim().equalsIgnoreCase("bye")) { pw.println("From 服务器:服务器已断开连接,结束服务!"); users.remove(socket,localName); sendToMembers("我下线了",localName,socket); System.out.println("客户端离开。");//加当前用户名 break; } else if (msg.trim().equalsIgnoreCase("H")){ pw.println("输入命令功能:(1)L(list):查看当前上线用户;(2)G(group):进入群聊;(3)O(one-one):私信;(4)E(exit):退出当前聊天状态;(5)bye:离线;(6)H(help):帮助"); continue;//返回循环 } else if (msg.trim().equalsIgnoreCase("L")){ users.forEach((k,v)->{ pw.println("用户:"+v); }); continue; } //一对一私聊 else if (msg.trim().equalsIgnoreCase("O")){ pw.println("请输入私信人的用户名:"); String name=br.readLine(); //查找map中匹配的socket,与之建立通信 users.forEach((k, v)->{ if (v.equals(name)) { isExist=true;//全局变量与线程修改问题 } }); //已修复用户不存在的处理逻辑 Socket temp=null; for(Map.Entry<Socket,String> mapEntry : users.entrySet()){ if(mapEntry.getValue().equals(name)) temp = mapEntry.getKey(); } if (isExist){ isExist=false; //私信后有一方用户离开,另一方未知,仍然发信息而未收到回复,未处理这种情况 while ((msg=br.readLine())!=null){ if (!msg.equals("E")&&!isLeaved(temp)) sendToOne(msg,localName,temp); else if (isLeaved(temp)){ pw.println("对方已经离开,已断开连接!"); break; } else{ pw.println("您已退出私信模式!"); break; } } } else pw.println("用户不存在!"); } //选择群聊 else if (msg.trim().equals("G")){ pw.println("您已进入群聊。"); while ((msg=br.readLine())!=null){ if (!msg.equals("E")&&users.size()!=1) sendToMembers(msg,localName,socket); else if (users.size()==1){ pw.println("当前群聊无其他用户在线,已自动退出!"); break; } else { pw.println("您已退出群组聊天室!"); break; } } } else pw.println("请选择聊天状态!"); } } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } finally { try { if (socket != null) socket.close(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } } }
六、效果演示:TCP网络实时聊天室
首先,开启多个客户端,连接服务器开始进入通信状态。
下面动图演示了几个基本功能,可以看到三个用户实现了实时通信聊天,包括群聊和私聊功能。其他功能就留给大家去探索。
结语
系列文章从入门开始,不断完善C/S架构的Socket通信,回忆一下,首先是实现了Server和Client的互相通信,在这个过程发现问题,接着就使用多线程技术解决客户端实时接收信息的问题,后来到了服务器端,发现多用户连接服务器的“先到先得”问题,“后到者”无法正常通信,所以再使用线程池技术解决了多用户服务器的问题。
本篇基本实现了一个简单的客户端-服务器应用,使用客户端-服务器(C/S架构),结合多线程技术,模拟类似QQ、微信聊天功能,实现一个网络实时聊天室。
学习到的知识有:多线程、线程池、Socket通信、TCP协议、HashMap、JavaFX等,所有知识的结合运用,并通过实战练习,一步步理解知识!
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Java实现socket通信网络编程系列文章:
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