Socket粘包問題的3種解決方案，最後一種最完美！
阿新 • • 發佈：2021-01-06
在 Java 語言中，傳統的 Socket 程式設計分為兩種實現方式，這兩種實現方式也對應著兩種不同的傳輸層協議：TCP 協議和 UDP 協議，但作為網際網路中最常用的傳輸層協議 TCP，在使用時卻會導致粘包和半包問題，於是為了徹底的解決此問題，便誕生了此篇文章。
# 什麼是 TCP 協議？
TCP 全稱是 Transmission Control Protocol（傳輸控制協議），它由 IETF 的 RFC 793 定義，是一種面向連線的點對點的傳輸層通訊協議。
TCP 通過使用序列號和確認訊息，從傳送節點提供有關傳輸到目標節點的資料包的傳遞的資訊。TCP 確保資料的可靠性，端到端傳遞，重新排序和重傳，直到達到超時條件或接收到資料包的確認為止。
TCP 是 Internet 上最常用的協議，它也是實現 HTTP（HTTP 1.0/HTTP 2.0）通訊的基礎，當我們在瀏覽器中請求網頁時，計算機會將 TCP 資料包傳送到 Web 伺服器的地址，要求它將網頁返還給我們，Web 伺服器通過傳送 TCP 資料包流進行響應，然後瀏覽器將這些資料包縫合在一起以形成網頁。
TCP 的全部意義在於它的可靠性，它通過對資料包編號來對其進行排序，而且它會通過讓伺服器將響應傳送回瀏覽器說“已收到”來進行錯誤檢查，因此在傳輸過程中不會丟失或破壞任何資料。
目前市場上主流的 HTTP 協議使用的版本是 HTTP/1.1，如下圖所示：
# 什麼是粘包和半包問題？
粘包問題是指當傳送兩條訊息時，比如傳送了 ABC 和 DEF，但另一端接收到的卻是 ABCD，像這種一次性讀取了兩條資料的情況就叫做粘包（正常情況應該是一條一條讀取的）。
半包問題是指，當傳送的訊息是 ABC 時，另一端卻接收到的是 AB 和 C 兩條資訊，像這種情況就叫做半包。
# 為什麼會有粘包和半包問題？
這是**因為 TCP 是面向連線的傳輸協議，TCP 傳輸的資料是以流的形式，而流資料是沒有明確的開始結尾邊界，所以 TCP 也沒辦法判斷哪一段流屬於一個訊息**。
### 粘包的主要原因：
- 傳送方每次寫入資料 < 套接字（Socket）緩衝區大小；
- 接收方讀取套接字（Socket）緩衝區資料不夠及時。
### 半包的主要原因：
- 傳送方每次寫入資料 > 套接字（Socket）緩衝區大小；
- 傳送的資料大於協議的 MTU (Maximum Transmission Unit，最大傳輸單元)，因此必須拆包。
### 小知識點：什麼是緩衝區？
緩衝區又稱為快取，它是記憶體空間的一部分。也就是說，在記憶體空間中預留了一定的儲存空間，這些儲存空間用來緩衝輸入或輸出的資料，這部分預留的空間就叫做緩衝區。
緩衝區的優勢以檔案流的寫入為例，如果我們不使用緩衝區，那麼每次寫操作 CPU 都會和低速儲存裝置也就是磁碟進行互動，那麼整個寫入檔案的速度就會受制於低速的儲存裝置（磁碟）。但如果使用緩衝區的話，每次寫操作會先將資料儲存在高速緩衝區記憶體上，當緩衝區的資料到達某個閾值之後，再將檔案一次性寫入到磁碟上。因為記憶體的寫入速度遠遠大於磁碟的寫入速度，所以當有了緩衝區之後，檔案的寫入速度就被大大提升了。
# 粘包和半包問題演示
接下來我們用程式碼來演示一下粘包和半包問題，為了演示的直觀性，我會設定兩個角色：
- 伺服器端用來接收訊息；
- 客戶端用來發送一段固定的訊息。
然後通過列印伺服器端接收到的資訊來觀察粘包和半包問題。
伺服器端程式碼如下：
```java
/**
* 伺服器端（只負責接收訊息）
*/
class ServSocket {
// 位元組陣列的長度
private static final int BYTE_LENGTH = 20;
public static void main(String[] args) throws IOException {
// 建立 Socket 伺服器
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(9999);
// 獲取客戶端連線
Socket clientSocket = serverSocket.accept();
// 得到客戶端傳送的流物件
try (InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream()) {
while (true) {
// 迴圈獲取客戶端傳送的資訊
byte[] bytes = new byte[BYTE_LENGTH];
// 讀取客戶端傳送的資訊
int count = inputStream.read(bytes, 0, BYTE_LENGTH);
if (count > 0) {
// 成功接收到有效訊息並列印
System.out.println("接收到客戶端的資訊是:" + new String(bytes));
}
count = 0;
}
}
}
}
```
客戶端程式碼如下：
```java
/**
* 客戶端（只負責傳送訊息）
*/
static class ClientSocket {
public static void main(String[] args) throws IOException {
// 建立 Socket 客戶端並嘗試連線伺服器端
Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 9999);
// 傳送的訊息內容
final String message = "Hi,Java.";
// 使用輸出流傳送訊息
try (OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()) {
// 給伺服器端傳送 10 次訊息
for (int i = 0; i < 10; i++) {
// 傳送訊息
outputStream.write(message.getBytes());
}
}
}
}
```
以上程式的通訊結果如下圖所示：
通過上述結果我們可以看出，伺服器端發生了粘包和半包的問題，因為客戶端傳送了 10 次固定的“Hi,Java.”的訊息，正常的結果應該是伺服器端也接收到了 10 次固定的訊息才對，但現實的結果並非如此。
# 粘包和半包的解決方案
粘包和半包的解決方案有以下 3 種：
1. 傳送方和接收方規定固定大小的緩衝區，也就是傳送和接收都使用固定大小的 byte[] 陣列長度，當字元長度不夠時使用空字元彌補；
1. 在 TCP 協議的基礎上封裝一層資料請求協議，既將資料包封裝成資料頭（儲存資料正文大小）+ 資料正文的形式，這樣在服務端就可以知道每個資料包的具體長度了，知道了傳送資料的具體邊界之後，就可以解決半包和粘包的問題了；
1. 以特殊的字元結尾，比如以“\n”結尾，這樣我們就知道結束字元，從而避免了半包和粘包問題（**推薦解決方案**）。
那麼接下來我們就來演示一下，以上解決方案的具體程式碼實現。
## 解決方案1：固定緩衝區大小
固定緩衝區大小的實現方案，只需要控制伺服器端和客戶端傳送和接收位元組的（陣列）長度相同即可。
伺服器端實現程式碼如下：
```java
/**
* 伺服器端，改進版本一（只負責接收訊息）
*/
static class ServSocketV1 {
private static final int BYTE_LENGTH = 1024; // 位元組陣列長度（收訊息用）
public static void main(String[] args) throws IOException {
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(9091);
// 獲取到連線
Socket clientSocket = serverSocket.accept();
try (InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream()) {
while (true) {
byte[] bytes = new byte[BYTE_LENGTH];
// 讀取客戶端傳送的資訊
int count = inputStream.read(bytes, 0, BYTE_LENGTH);
if (count >