Java進階：基於TCP通訊的網路實時聊天室
目錄
開門見山
一、資料結構Map
二、保證執行緒安全
三、群聊核心方法
四、聊天室具體設計
0、使用者登入伺服器
1、檢視當前上線使用者
2、群聊
3、私信
4、退出當前聊天狀態
5、離線
6、檢視幫助
五、聊天室服務完整程式碼
六、效果演示：基於TCP的網路實時聊天室
結語
開門見山
最近一個月記錄了學習Socket網路程式設計的知識和實戰案例，相對來說，比較系統地
所以，系列文章從入門開始，不斷完善C/S架構的Socket通訊，回憶一下，首先是實現了Server和Client的互相通訊，在這個過程發現問題，接著就使用多執行緒技術解決客戶端實時接收資訊的問題，後來到了伺服器端，發現多使用者連線伺服器的“先到先得”問題，“後到者”無法正常通訊，所以再使用執行緒池技術解決了多使用者伺服器的問題。
到此，基本實現了一個簡單的客戶端-伺服器應用，因此，本篇將基於前面全部內容，使用客戶端-伺服器（C/S架構），結合多執行緒技術，模擬類似QQ、微信聊天功能，實現一個網路實時聊天室，目前的功能包括：
- L(list):檢視當前上線使用者;
- G(group):群聊;
- O(one-one):私信;
- E(exit):退出當前聊天狀態;
- bye:離線;
- H(help):檢視幫助
本篇將詳細記錄網路實時聊天室的實現步驟，以系列文章為前提基礎，可見文末。
一、資料結構Map
前兩篇的TCPClientThreadFX和TCPThreadServer實現了多執行緒的通訊，但也只是客戶端和伺服器的聊天，如何做到群組的聊天？想法就是客戶A的聊天資訊通過伺服器轉發到同時線上的所有客戶。
具體做法是需要在伺服器端新增記錄登陸客戶資訊的功能，每個使用者都有自己的標識。本篇將使用簡單的“線上方式”記錄客戶套接字，即採用集合來儲存使用者登陸的套接字資訊，來跟蹤使用者連線。
所以，我們需要選擇一種合適的資料結構來儲存使用者的Socket和使用者名稱資訊，那在java中，提供了哪些資料結構呢？
Java常用的集合型別有：Map、List和Set。Map是儲存Key-Value對，List類似陣列，可儲存可重複的值，而Set只儲存不重複的值，相當於是隻儲存key，不儲存value的Map。
如果是有使用者名稱、學號登入的操作，就可以採用Map型別的集合來儲存，例如可使用key記錄使用者名稱+學號，value儲存套接字。對於本篇的網路聊天室的需求，需要採用Map，用來儲存不同使用者的socket和登入名。使用者套接字socket作為key來標識一個線上使用者是比較方便的選擇，因為每一個客戶端的IP地址+埠組合是不一樣的。
二、保證執行緒安全
很明顯，我們需要使用到多執行緒技術，而在多執行緒環境中，對共享資源的讀寫存線上程併發安全的問題，例如HashMap、HaspSet等都不是執行緒安全的，可以通過synchronized關鍵字進行加鎖，但還有更方便的方案：可以直接使用Java標準庫的java.util.concurrent包提供的執行緒安全的集合。例如HashMap的執行緒安全是 ConcurrentHashMap，HashSet的執行緒安全Set是CopyOnWriteArraySet。
如圖，Map繼承體系：
在JDK1.8中，對HashMap進行了改進，當結點數量超過TREEIFY_THRESHOLD 則要轉換為紅黑樹，這樣很大優化了查詢的效率，但仍然不是執行緒安全的。
這裡簡單瞭解一下，具體學習可以查詢相關資料。有了以上的基本知識，下面開始進入網路實時聊天室的具體實現。
三、群聊核心方法
基於前面這樣的想法：實現群聊就是客戶A的聊天資訊通過伺服器轉發到同時線上的所有客戶，伺服器端根據HashMap記錄登陸使用者的socket，向所有使用者轉發資訊。
核心的群組傳送方法sendToAllMembers，用於給所有線上客服傳送資訊。
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的遍歷，對其他所有使用者傳送資訊。
相同的原理，我們實現私聊的功能，轉化為實現的思想，也就是當前使用者和指定使用者Socket之間的通訊，所以我寫了一個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);
}
}
}
以上兩個方法是本網路聊天室的關鍵，後面實現的功能將是對這兩個方法的靈活運用。
四、聊天室具體設計
目前聊天室的功能定位包括：1)檢視當前上線使用者;2):群聊;3)私信;4)退出當前聊天狀態;5)離線;6)檢視幫助。
首先，初始化最關鍵的資料結構，作為類成員變數，HashMap用來儲存Socket和使用者名稱：
private ConcurrentHashMap<Socket,String> users=new ConcurrentHashMap();
每個功能具體實現如下：
0、使用者登入伺服器
這裡是最開始的伺服器端的資訊處理，需要記錄每個使用者的登入資訊，包括連線的套接字和自定義暱稱，方便後續使用。我採用的方法是當用戶連線伺服器時候，提醒使用者輸入使用者名稱來進一步操作，也實現了不重名的判斷邏輯。程式碼如下：
pw.println("From 伺服器：歡迎使用服務！");
pw.println("請輸入使用者名稱：");
String localName = null;
while ((hostName=br.readLine())!=null){
users.forEach((k,v)->{
if (v.equals(hostName))
flag=true;//執行緒修改了全域性變數
});
if (!flag){
localName=hostName;
users.put(socket,hostName);
flag=false;
break;
}
else{
flag=false;
pw.println("該使用者名稱已存在，請修改！");
}
}
登入成功之後會向所有線上使用者告知上線資訊。
1、檢視當前上線使用者
其實就是將伺服器端記錄在HashMap中的資訊返回給請求使用者，通過約定的命令L來檢視：
if (msg.trim().equalsIgnoreCase("L")){
users.forEach((k,v)->{
pw.println("使用者:"+v);
});
continue;
}
2、群聊
else if (msg.trim().equals("G")){
pw.println("您已進入群聊。");
while ((msg=br.readLine())!=null){
if (!msg.equals("E")&&users.size()!=1)
sendToMembers(msg,localName,socket);
else if (users.size()==1){
pw.println("當前群聊無其他使用者線上，已自動退出！");
break;
}
else {
pw.println("您已退出群組聊天室！");
break;
}
}
}
3、私信
同理，處理邏輯變為一對一的通訊，與之前伺服器-客戶端一對一類似，但是這裡需要更多的處理，保證邏輯正確，包括被私聊人的線上狀態，被私聊人使用者名稱是否正確等。
1 //一對一私聊
2 else if (msg.trim().equalsIgnoreCase("O")){
3 pw.println("請輸入私信人的使用者名稱：");
4 String name=br.readLine();
5
6 //查詢map中匹配的socket，與之建立通訊
7 //有待改進，處理輸入的使用者名稱不存在的情況
8 users.forEach((k, v)->{
9 if (v.equals(name)) {
10 isExist=true;//全域性變數與執行緒修改問題
11 }
12
13 });
14 //已修復使用者不存在的處理邏輯
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 //私信後有一方使用者離開，另一方未知，仍然發信息而未收到回覆，未處理這種情況
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("對方已經離開，已斷開連線！");
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("使用者不存在！");
39 }
點選檢視具體程式碼
4、退出當前聊天狀態
這個功能主要融入到群聊和私聊中，可見上面兩個功能實現的內部呼叫，定義了一個方法isLeaved，判斷使用者是否已經下線。
//判斷使用者是否已經下線
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、離線
這個功能比較簡單，通過約定的命令執行。
if (msg.trim().equalsIgnoreCase("bye")) {
pw.println("From 伺服器：伺服器已斷開連線，結束服務！");
users.remove(socket,localName);
sendToMembers("我下線了",localName,socket);
System.out.println("客戶端離開。");//加當前使用者名稱
break;
}
6、檢視幫助
通過命令H請求伺服器的幫助，是指使用者檢視哪些命令對應的功能，來進行選擇。
else if (msg.trim().equalsIgnoreCase("H")){
pw.println("輸入命令功能：(1)L(list):檢視當前上線使用者;(2)G(group):進入群聊;(3)O(one-one):私信;(4)E(exit):退出當前聊天狀態;(5)bye:離線;(6)H(help):幫助");
continue;//返回迴圈
}
五、聊天室服務完整程式碼
聊天室實現主要工作在於服務端，聚焦於伺服器執行緒處理的內部類Hanler，上面是各個功能具體介紹，下面完整給出程式碼，只需要在前面文章的基礎上，見Java多執行緒實現多使用者與服務端Socket通訊。
修改伺服器端執行緒處理程式碼：
class Handler implements Runnable {
private Socket socket;
public Handler(Socket socket) {
this.socket = socket;
}
public void run() {
//本地伺服器控制檯顯示客戶端連線的使用者資訊
System.out.println("New connection accept:" + socket.getInetAddress().getHostAddress());
try {
BufferedReader br = getReader(socket);
PrintWriter pw = getWriter(socket);
pw.println("From 伺服器：歡迎使用服務！");
pw.println("請輸入使用者名稱：");
String localName = null;
while ((hostName=br.readLine())!=null){
users.forEach((k,v)->{
if (v.equals(hostName))
flag=true;//執行緒修改了全域性變數
});
if (!flag){
localName=hostName;
users.put(socket,hostName);
flag=false;//可能找出不一致問題
break;
}
else{
flag=false;
pw.println("該使用者名稱已存在，請修改！");
}
}
// System.out.println(hostName+": "+socket);
sendToMembers("我已上線",localName,socket);
pw.println("輸入命令功能：(1)L(list):檢視當前上線使用者;(2)G(group):進入群聊;(3)O(one-one):私信;(4)E(exit):退出當前聊天狀態;(5)bye:離線;(6)H(help):幫助");
String msg = null;
//使用者連線伺服器上線，進入聊天選擇狀態
while ((msg = br.readLine()) != null) {
if (msg.trim().equalsIgnoreCase("bye")) {
pw.println("From 伺服器：伺服器已斷開連線，結束服務！");
users.remove(socket,localName);
sendToMembers("我下線了",localName,socket);
System.out.println("客戶端離開。");//加當前使用者名稱
break;
}
else if (msg.trim().equalsIgnoreCase("H")){
pw.println("輸入命令功能：(1)L(list):檢視當前上線使用者;(2)G(group):進入群聊;(3)O(one-one):私信;(4)E(exit):退出當前聊天狀態;(5)bye:離線;(6)H(help):幫助");
continue;//返回迴圈
}
else if (msg.trim().equalsIgnoreCase("L")){
users.forEach((k,v)->{
pw.println("使用者:"+v);
});
continue;
}
//一對一私聊
else if (msg.trim().equalsIgnoreCase("O")){
pw.println("請輸入私信人的使用者名稱：");
String name=br.readLine();
//查詢map中匹配的socket，與之建立通訊
users.forEach((k, v)->{
if (v.equals(name)) {
isExist=true;//全域性變數與執行緒修改問題
}
});
//已修復使用者不存在的處理邏輯
Socket temp=null;
for(Map.Entry<Socket,String> mapEntry : users.entrySet()){
if(mapEntry.getValue().equals(name))
temp = mapEntry.getKey();
}
if (isExist){
isExist=false;
//私信後有一方使用者離開，另一方未知，仍然發信息而未收到回覆，未處理這種情況
while ((msg=br.readLine())!=null){
if (!msg.equals("E")&&!isLeaved(temp))
sendToOne(msg,localName,temp);
else if (isLeaved(temp)){
pw.println("對方已經離開，已斷開連線！");
break;
}
else{
pw.println("您已退出私信模式！");
break;
}
}
}
else
pw.println("使用者不存在！");
}
//選擇群聊
else if (msg.trim().equals("G")){
pw.println("您已進入群聊。");
while ((msg=br.readLine())!=null){
if (!msg.equals("E")&&users.size()!=1)
sendToMembers(msg,localName,socket);
else if (users.size()==1){
pw.println("當前群聊無其他使用者線上，已自動退出！");
break;
}
else {
pw.println("您已退出群組聊天室！");
break;
}
}
}
else
pw.println("請選擇聊天狀態！");
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
try {
if (socket != null)
socket.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
點選檢視具體程式碼
六、效果演示：TCP網路實時聊天室
首先，開啟多個客戶端，連線伺服器開始進入通訊狀態。
下面動圖演示了幾個基本功能，可以看到三個使用者實現了實時通訊聊天，包括群聊和私聊功能。其他功能就留給大家去探索。
結語
系列文章從入門開始，不斷完善C/S架構的Socket通訊，回憶一下，首先是實現了Server和Client的互相通訊，在這個過程發現問題，接著就使用多執行緒技術解決客戶端實時接收資訊的問題，後來到了伺服器端，發現多使用者連線伺服器的“先到先得”問題，“後到者”無法正常通訊，所以再使用執行緒池技術解決了多使用者伺服器的問題。
本篇基本實現了一個簡單的客戶端-伺服器應用，使用客戶端-伺服器（C/S架構），結合多執行緒技術，模擬類似QQ、微信聊天功能，實現一個網路實時聊天室。
學習到的知識有：多執行緒、執行緒池、Socket通訊、TCP協議、HashMap、JavaFX等，所有知識的結合運用，並通過實戰練習，一步步理解知識！
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