概況
JDK 為我們提供了 ServerSocket 類作為服務端套接字的實現，通過它可以讓主機監聽某個埠而接收其他端的請求，處理完後還可以對請求端做出響應。它的內部真正實現是通過 SocketImpl 類來實現的，它提供了工廠模式，所以如果自己想要其他的實現也可以通過工廠模式來改變的。
繼承結構
--java.lang.Object
--java.net.ServerSocket
複製程式碼相關類圖
前面說到 ServerSocket 類真正的實現是通過 SocketImpl 類，於是可以看到它使用了 SocketImpl 類，但由於 windows 和 unix-like 系統有差異，而 windows 不同的版本也需要做不同的處理，所以兩類系統的類不盡相同。
下圖是 windows 的類圖關係， SocketImpl 類實現了 SocketOptions 介面，接著還派生出了一系列的子類，其中 AbstractPlainSocketImpl 是原始套接字的實現的一些抽象，而 PlainSocketImpl 類是一個代理類，由它代理 TwoStacksPlainSocketImpl 和 DualStackPlainSocketImpl 兩種不同實現。存在兩種實現的原因是一個用於處理 Windows Vista 以下的版本，另一個用於處理 Windows Vista 及以上的版本。
比起 windows 的實現，unix-like 的實現則不會這麼繁瑣，它不存在版本的問題，所以它直接由 PlainSocketImpl 類實現，此外，可以看到兩類作業系統都還存在一個 SocksSocketImpl 類，它其實主要是實現了防火牆安全會話轉換協議，包括 SOCKS V4 和 V5 。
根據上面可以看到其實對於不同系統就是需要做差異處理，基本都是大同小異，下面涉及到套接字實現均以 Windows Vista 及以上的版本為例進行分析。
類定義
public class ServerSocket implements java.io.Closeable
複製程式碼ServerSocket 類的宣告很簡單，實現了 Closeable 介面，該介面只有一個close方法。
主要屬性
private boolean created = false;
private boolean bound = false;
private boolean closed = false;
private Object closeLock = new Object();
private SocketImpl impl;
private boolean oldImpl = false;
複製程式碼- created 表示是否已經建立了 SocketImpl 物件，ServerSocket 需要依賴該物件實現套接字操作。
- bound 是否已繫結地址和埠。
- closed 是否已經關閉套接字。
- closeLock 關閉套接字時用的鎖。
- impl 真正的套接字實現物件。
- oldImpl 是不是使用舊的實現。
主要方法
建構函式
有五類建構函式，可以什麼引數都不傳，也可以傳入 SocketImpl、埠、backlog和地址等。主要看一下最後一個建構函式，setImpl 方法用於設定實現物件，然後檢查埠大小是否正確，檢查 backlog 小於0就讓它等於50，最後進行埠和地址繫結操作。
ServerSocket(SocketImpl impl) {
this.impl = impl;
impl.setServerSocket(this);
}
public ServerSocket() throws IOException {
setImpl();
}
public ServerSocket(int port) throws IOException {
this(port, 50, null);
}
public ServerSocket(int port, int backlog) throws IOException {
this(port, backlog, null);
}
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;
}
}
複製程式碼setImpl方法
設定套接字實現物件，這裡提供了工廠模式可以方便的對接其他的實現，而預設是沒有工廠物件的，所以模式的實現為 SocksSocketImpl 物件。
private void setImpl() {
if (factory != null) {
impl = factory.createSocketImpl();
checkOldImpl();
} else {
impl = new SocksSocketImpl();
}
if (impl != null)
impl.setServerSocket(this);
}
複製程式碼createImpl方法
該方法用於建立套接字實現物件，如果實現物件為空則先呼叫setImpl方法設定一下，接著呼叫套接字實現物件的create方法建立套接字。
void createImpl() throws SocketException {
if (impl == null)
setImpl();
try {
impl.create(true);
created = true;
} catch (IOException e) {
throw new SocketException(e.getMessage());
}
}
複製程式碼create方法幹了些啥？它的實現邏輯在 AbstractPlainSocketImpl 類中，這裡會傳入一個 boolean 型別的 stream 變數，這裡其實用來標識是 udp 還是 tcp 協議，stream 即是流，tcp是基於連線的，自然存在流的抽象。而 udp 是非連線的非流的。
兩類連線是通過 boolean 型別來標識的，true 為 tcp，false 為 udp，再通過 socketCreate 方法傳入到本地實現中，在此之前兩者都會建立 FileDescriptor 物件作為套接字的引用，FileDescriptor 為檔案描述符，可以用來描述檔案、套接字和資源等。另外，udp 協議時還會通過 ResourceManager.beforeUdpCreate()來統計虛擬機器 udp 套接字數量，超過指定最大值則會丟擲異常，預設值為25。最後將套接字的 created 標識設為 true，對應 Java 中抽象的客戶端套接字 Socket 物件和服務端套接字 ServerSocket 物件。
protected synchronized void create(boolean stream) throws IOException {
this.stream = stream;
if (!stream) {
ResourceManager.beforeUdpCreate();
fd = new FileDescriptor();
try {
socketCreate(false);
} catch (IOException ioe) {
ResourceManager.afterUdpClose();
fd = null;
throw ioe;
}
} else {
fd = new FileDescriptor();
socketCreate(true);
}
if (socket != null)
socket.setCreated();
if (serverSocket != null)
serverSocket.setCreated();
}
複製程式碼往下看上面呼叫的socketCreate方法的邏輯，判斷檔案描述符不能為空，再呼叫本地socket0方法，最後將得到的控制程式碼關聯到檔案描述符物件上。
void socketCreate(boolean stream) throws IOException {
if (fd == null)
throw new SocketException("Socket closed");
int newfd = socket0(stream, false /*v6 Only*/);
fdAccess.set(fd, newfd);
}
static native int socket0(boolean stream, boolean v6Only) throws IOException;
複製程式碼接著看本地方法socket0的實現，邏輯為：
- 通過呼叫
NET_Socket函式建立套接字控制程式碼，其中通過 Winsock 庫的socket函式建立控制程式碼，並且通過SetHandleInformation函式設定控制程式碼的繼承標誌。這裡可以看到根據 stream 標識對應的類別為SOCK_STREAM和SOCK_DGRAM。如果控制程式碼是無效的則丟擲 create 異常。 - 然後通過
setsockopt函式設定套接字的選項值，如果發生錯誤則丟擲 create 異常。 - 最後再次通過
SetHandleInformation設定控制程式碼的繼承標誌，返回控制程式碼。
JNIEXPORT jint JNICALL Java_java_net_DualStackPlainSocketImpl_socket0
(JNIEnv *env, jclass clazz, jboolean stream, jboolean v6Only /*unused*/) {
int fd, rv, opt=0;
fd = NET_Socket(AF_INET6, (stream ? SOCK_STREAM : SOCK_DGRAM), 0);
if (fd == INVALID_SOCKET) {
NET_ThrowNew(env, WSAGetLastError(), "create");
return -1;
}
rv = setsockopt(fd, IPPROTO_IPV6, IPV6_V6ONLY, (char *) &opt, sizeof(opt));
if (rv == SOCKET_ERROR) {
NET_ThrowNew(env, WSAGetLastError(), "create");
}
SetHandleInformation((HANDLE)(UINT_PTR)fd, HANDLE_FLAG_INHERIT, FALSE);
return fd;
}
int NET_Socket (int domain, int type, int protocol) {
SOCKET sock;
sock = socket (domain, type, protocol);
if (sock != INVALID_SOCKET) {
SetHandleInformation((HANDLE)(uintptr_t)sock, HANDLE_FLAG_INHERIT, FALSE);
}
return (int)sock;
}
複製程式碼bind方法
該方法用於將套接字繫結到指定的地址和埠上，如果 SocketAddress 為空，即代表地址和埠都不指定，此時系統會將套接字繫結到所有有效的本地地址，且動態生成一個埠。邏輯如下：
- 判斷是否已關閉，關閉則拋
SocketException("Socket is closed")。 - 判斷是否已繫結，繫結則拋
SocketException("Already bound")。 - 判斷地址是否為空，為空則建立一個 InetSocketAddress，預設是所有有效的本地地址，對應的為
0.0.0.0，而埠預設為0，由作業系統動態生成。 - 判斷物件是否為 InetSocketAddress 型別，不是則拋
IllegalArgumentException("Unsupported address type")。 - 判斷地址是否已經有值了，沒有則拋
SocketException("Unresolved address")。 - backlog 如果小於1則設為50。
- 通過安全管理器檢查埠。
- 通過套接字實現物件呼叫
bind和listen方法。 - bound 標識設為 true。
public void bind(SocketAddress endpoint) throws IOException {
bind(endpoint, 50);
}
public void bind(SocketAddress endpoint, int backlog) throws IOException {
if (isClosed())
throw new SocketException("Socket is closed");
if (!oldImpl && isBound())
throw new SocketException("Already bound");
if (endpoint == null)
endpoint = new InetSocketAddress(0);
if (!(endpoint instanceof InetSocketAddress))
throw new IllegalArgumentException("Unsupported address type");
InetSocketAddress epoint = (InetSocketAddress) endpoint;
if (epoint.isUnresolved())
throw new SocketException("Unresolved address");
if (backlog < 1)
backlog = 50;
try {
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;
}
}
複製程式碼套接字實現物件的bind方法會間接呼叫socketBind方法，邏輯如下：
- 獲取本地檔案描述符 nativefd。
- 判斷地址是否為空。
- 呼叫
bind0本地方法。 - 如果埠為0還會呼叫
localPort0本地方法獲取本地埠賦值給套接字實現物件的 localport 屬性上，目的是獲取作業系統動態生成的埠。
void socketBind(InetAddress address, int port) throws IOException {
int nativefd = checkAndReturnNativeFD();
if (address == null)
throw new NullPointerException("inet address argument is null.");
bind0(nativefd, address, port, exclusiveBind);
if (port == 0) {
localport = localPort0(nativefd);
} else {
localport = port;
}
this.address = address;
}
static native void bind0(int fd, InetAddress localAddress, int localport, boolean exclBind)
static native int localPort0(int fd) throws IOException;
複製程式碼bind0本地方法邏輯如下，
- 通過
NET_InetAddressToSockaddr函式將 Java 層的 InetAddress 物件的屬性值填充到 SOCKETADDRESS 聯合體中，對應的都是 Winsock 庫的結構體，目的即是為了填充好它們。
typedef union {
struct sockaddr sa;
struct sockaddr_in sa4;
struct sockaddr_in6 sa6;
} SOCKETADDRESS;
複製程式碼NET_WinBind函式的邏輯是先根據 exclBind 標識看是否需要獨佔埠，如果需要則通過 Winsock 庫的setsockopt函式設定SO_EXCLUSIVEADDRUSE選型，在 Java 層中決定獨不獨佔埠可以通過sun.net.useExclusiveBind引數來配置，預設情況下是獨佔的。接著，通過作業系統的bind函式完成繫結操作。- 如果繫結失敗則拋異常。
JNIEXPORT void JNICALL Java_java_net_DualStackPlainSocketImpl_bind0
(JNIEnv *env, jclass clazz, jint fd, jobject iaObj, jint port,
jboolean exclBind)
{
SOCKETADDRESS sa;
int rv, sa_len = 0;
if (NET_InetAddressToSockaddr(env, iaObj, port, &sa,
&sa_len, JNI_TRUE) != 0) {
return;
}
rv = NET_WinBind(fd, &sa, sa_len, exclBind);
if (rv == SOCKET_ERROR)
NET_ThrowNew(env, WSAGetLastError(), "NET_Bind");
}
複製程式碼localPort0本地方法的實現主要是先通過 Winsock 庫的getsockname函式獲取套接字地址，然後通過ntohs函式將網路位元組轉成主機位元組並轉為 int 型。
JNIEXPORT jint JNICALL Java_java_net_DualStackPlainSocketImpl_localPort0
(JNIEnv *env, jclass clazz, jint fd) {
SOCKETADDRESS sa;
int len = sizeof(sa);
if (getsockname(fd, &sa.sa, &len) == SOCKET_ERROR) {
if (WSAGetLastError() == WSAENOTSOCK) {
JNU_ThrowByName(env, JNU_JAVANETPKG "SocketException",
"Socket closed");
} else {
NET_ThrowNew(env, WSAGetLastError(), "getsockname failed");
}
return -1;
}
return (int) ntohs((u_short)GET_PORT(&sa));
}
複製程式碼套接字實現物件的listen方法會間接呼叫socketListen方法，邏輯比較簡單，獲取本地的檔案描述符然後呼叫listen0本地方法。可以看到本地方法很簡單，僅僅是呼叫了 Winsock 庫的listen函式來完成監聽操作。
void socketListen(int backlog) throws IOException {
int nativefd = checkAndReturnNativeFD();
listen0(nativefd, backlog);
}
static native void listen0(int fd, int backlog) throws IOException;
JNIEXPORT void JNICALL Java_java_net_DualStackPlainSocketImpl_listen0
(JNIEnv *env, jclass clazz, jint fd, jint backlog) {
if (listen(fd, backlog) == SOCKET_ERROR) {
NET_ThrowNew(env, WSAGetLastError(), "listen failed");
}
}
複製程式碼accept方法
該方法用於接收套接字連線，套接字開啟監聽後會阻塞等待套接字連線，一旦有連線可接收了則通過該方法進行接收操作。邏輯為，
- 判斷套接字是否已經關閉。
- 判斷套接字是否已經繫結。
- 建立 Socket 物件，並呼叫
implAccept方法， - 返回 Socket 物件。
public Socket accept() throws IOException {
if (isClosed())
throw new SocketException("Socket is closed");
if (!isBound())
throw new SocketException("Socket is not bound yet");
Socket s = new Socket((SocketImpl) null);
implAccept(s);
return s;
}
複製程式碼implAccept方法邏輯為，
- 傳入的 Socket 物件裡面的套接字實現如果為空，則通過
setImpl方法設定套接字實現，如果非空就執行reset操作。 - 呼叫套接字實現物件的
accept方法完成接收操作，做這一步是因為我們的 Socket 物件裡面的 SocketImpl 物件還差作業系統底層的套接字對應的檔案描述符。 - 呼叫安全管理器檢查許可權。
- 得到完整的 SocketImpl 物件，賦值給 Socket 物件，並且呼叫
postAccept方法將 Socket 物件設定為已建立、已連線、已繫結。
protected final void implAccept(Socket s) throws IOException {
SocketImpl si = null;
try {
if (s.impl == null)
s.setImpl();
else {
s.impl.reset();
}
si = s.impl;
s.impl = null;
si.address = new InetAddress();
si.fd = new FileDescriptor();
getImpl().accept(si);
SecurityManager security = System.getSecurityManager();
if (security != null) {
security.checkAccept(si.getInetAddress().getHostAddress(),
si.getPort());
}
} catch (IOException e) {
if (si != null)
si.reset();
s.impl = si;
throw e;
} catch (SecurityException e) {
if (si != null)
si.reset();
s.impl = si;
throw e;
}
s.impl = si;
s.postAccept();
}
複製程式碼套接字實現物件的accept方法主要呼叫如下的socketAccept方法，邏輯為，
- 獲取作業系統的檔案描述符。
- SocketImpl 物件為空則丟擲
NullPointerException("socket is null")。 - 如果 timeout 小於等於0則直接呼叫本地
accept0方法，一直阻塞。 - 反之，如果 timeout 大於0，即設定了超時，那麼會先呼叫
configureBlocking本地方法，該方法用於將指定套接字設定為非阻塞模式。接著呼叫waitForNewConnection本地方法，如果在超時時間內能獲取到新的套接字，則呼叫accept0方法獲取新套接字的控制程式碼，獲取成功後再次呼叫configureBlocking本地方法將新套接字設定為阻塞模式。最後，如果非阻塞模式失敗了，則將原來的套接字設定會紫塞模式，這裡使用了 finally，所以能保證就算髮生異常也能被執行。 - 最後將獲取到的新檔案描述符賦給 SocketImpl 物件，同時也將遠端埠、遠端地址、本地埠等都賦給它相關變數。
void socketAccept(SocketImpl s) throws IOException {
int nativefd = checkAndReturnNativeFD();
if (s == null)
throw new NullPointerException("socket is null");
int newfd = -1;
InetSocketAddress[] isaa = new InetSocketAddress[1];
if (timeout <= 0) {
newfd = accept0(nativefd, isaa);
} else {
configureBlocking(nativefd, false);
try {
waitForNewConnection(nativefd, timeout);
newfd = accept0(nativefd, isaa);
if (newfd != -1) {
configureBlocking(newfd, true);
}
} finally {
configureBlocking(nativefd, true);
}
}
fdAccess.set(s.fd, newfd);
InetSocketAddress isa = isaa[0];
s.port = isa.getPort();
s.address = isa.getAddress();
s.localport = localport;
}
複製程式碼configureBlocking本地方法邏輯很簡單，如下，核心就是通過呼叫 Winsock 庫的ioctlsocket函式來設定套接字為阻塞還是非阻塞，根據 blocking 標識。
JNIEXPORT void JNICALL Java_java_net_DualStackPlainSocketImpl_configureBlocking
(JNIEnv *env, jclass clazz, jint fd, jboolean blocking) {
u_long arg;
int result;
if (blocking == JNI_TRUE) {
arg = SET_BLOCKING; // 0
} else {
arg = SET_NONBLOCKING; // 1
}
result = ioctlsocket(fd, FIONBIO, &arg);
if (result == SOCKET_ERROR) {
NET_ThrowNew(env, WSAGetLastError(), "configureBlocking");
}
}
複製程式碼waitForNewConnection本地方法邏輯如下，核心是通過 Winsock 庫的select函式來實現超時的功能，它會等待 timeout 時間看指定的檔案描述符是否有活動，超時了的話則會返回0，此時向 Java 層丟擲 SocketTimeoutException 異常。而如果返回了-1則表示套接字已經關閉了，丟擲 SocketException 異常。如果返回-2則丟擲 InterruptedIOException。
JNIEXPORT void JNICALL Java_java_net_DualStackPlainSocketImpl_waitForNewConnection
(JNIEnv *env, jclass clazz, jint fd, jint timeout) {
int rv;
rv = NET_Timeout(fd, timeout);
if (rv == 0) {
JNU_ThrowByName(env, JNU_JAVANETPKG "SocketTimeoutException",
"Accept timed out");
} else if (rv == -1) {
JNU_ThrowByName(env, JNU_JAVANETPKG "SocketException", "socket closed");
} else if (rv == -2) {
JNU_ThrowByName(env, JNU_JAVAIOPKG "InterruptedIOException",
"operation interrupted");
}
}
JNIEXPORT int JNICALL
NET_Timeout(int fd, long timeout) {
int ret;
fd_set tbl;
struct timeval t;
t.tv_sec = timeout / 1000;
t.tv_usec = (timeout % 1000) * 1000;
FD_ZERO(&tbl);
FD_SET(fd, &tbl);
ret = select (fd + 1, &tbl, 0, 0, &t);
return ret;
}
複製程式碼accept0本地方法實現邏輯為，
- 通過C語言的
memset函式將 SOCKETADDRESS 聯合體對應的結構體內的值設定為0。 - 通過 Winsock 庫的
accept函式獲取套接字地址。 - 判斷接收的套接字描述符是否無效，分別可能拋 InterruptedIOException 或 SocketException 異常。
- 通過
SetHandleInformation函式設定控制程式碼的繼承標誌。 NET_SockaddrToInetAddress函式用於將得到的套接字轉換成 Java 層的 InetAddress 物件。- 將生成的 InetAddress 物件用於生成 Java 層的 InetSocketAddress 物件。
- 賦值給 Java 層的 InetSocketAddress 陣列物件。
- 返回新接收的套接字的檔案描述符。
JNIEXPORT jint JNICALL Java_java_net_DualStackPlainSocketImpl_accept0
(JNIEnv *env, jclass clazz, jint fd, jobjectArray isaa) {
int newfd, port=0;
jobject isa;
jobject ia;
SOCKETADDRESS sa;
int len = sizeof(sa);
memset((char *)&sa, 0, len);
newfd = accept(fd, &sa.sa, &len);
if (newfd == INVALID_SOCKET) {
if (WSAGetLastError() == -2) {
JNU_ThrowByName(env, JNU_JAVAIOPKG "InterruptedIOException",
"operation interrupted");
} else {
JNU_ThrowByName(env, JNU_JAVANETPKG "SocketException",
"socket closed");
}
return -1;
}
SetHandleInformation((HANDLE)(UINT_PTR)newfd, HANDLE_FLAG_INHERIT, 0);
ia = NET_SockaddrToInetAddress(env, &sa, &port);
isa = (*env)->NewObject(env, isa_class, isa_ctorID, ia, port);
(*env)->SetObjectArrayElement(env, isaa, 0, isa);
return newfd;
}
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