java多執行緒實現TCP網路Socket程式設計(C/S通訊)

Charzueus發表於2020-10-30
Java執行緒TCP程式設計

目錄

開篇必知必會

一、多執行緒技術

二、實現多執行緒接收

       1、單執行緒版本

　　2、多執行緒版本

三、多執行緒與程式的關係

四、客戶端介面完整程式碼

五、多執行緒通訊對比

最後

開篇必知必會

在前一篇《Java：基於TCP協議網路socket程式設計(實現C/S通訊) 》，實際存在一個問題，如果伺服器端在建立連線後傳送多條資訊給客戶端，客戶端是無法全部接收的，原因在於客戶端為單執行緒，只接受了第一條資訊，剩餘資訊阻塞等待下一次傳送。所以，這造成了客戶端無法處理訊息佇列，每次只接收並輸出一條伺服器資訊，出現資訊不同步問題。

本篇將解決這個問題，詳細記錄實現java多執行緒通訊，目標是使客戶端可以一次接收伺服器傳送的多條資訊，避免阻塞。方法是將客戶端接收資訊功能獨立為一個執行緒來完成，進一步完善TCP的Socket網路通訊，C/S軟體架構的程式設計！

Java實現socket網路程式設計系列文章：

  1. UDP協議網路Socket程式設計(java實現C/S通訊案例) 
  2. Java：基於TCP協議網路socket程式設計(實現C/S通訊) 

一、多執行緒技術

首先，瞭解多執行緒技術。下圖是程式呼叫的順序執行（左：單執行緒）與執行緒呼叫的並行執行（右：多執行緒）

多執行緒程式則是右邊並行執行的方法。

在上一篇的TCPClientFX.java程式中，傳送資訊是可以通過“傳送”按鈕來實現主動控制，但是接收資訊是被動的，只能接收一條資訊，對於輸入流中有多少資訊是不可控制的。為此，我們使用多執行緒技術，新增一個執行緒專門負責讀取輸入流中的資訊。

在java中，主要有兩種實現多執行緒的方法，一是使用Thread類，二是使用Runnable類並實現run()方法。下面我是用Thread類實現，匿名內部類使用了lambda的寫法 ，顯得更加簡潔。

readThread = new Thread(()->{
    //匿名內部類函式體
 
});

二、實現多執行緒接收

1、單執行緒版本

首先，跟之前的單執行緒通訊對比一下，下面程式碼只能實現客戶端接收伺服器單條資訊，如果伺服器連續多條資訊傳送，則無法全部正確接收。連線成功後只能接收一條來自伺服器資訊。

        //連線按鈕
        btConn.setOnAction(event -> {
            String ip=ipAddress.getText().trim();
            String port=tfport.getText().trim();
 
            try {
                //tcpClient是本程式定義的一個TCPClient型別的成員變數
                tcpClient = new TCPClient(ip, port);
                //成功連線伺服器，接受伺服器發來的第一條歡迎資訊
                String firstMsg=tcpClient.receive();
                taDisplay.appendText(firstMsg+"\n");
                //連線伺服器之後未結束服務前禁用再次連線
                btConn.setDisable(true);
                //重新連線伺服器時啟用輸入傳送功能
                tfSend.setDisable(false);
                btnSend.setDisable(false);
            }catch (Exception e){
                taDisplay.appendText("伺服器連線失敗！"+e.getMessage()+"\n");
            }
        });

同樣，在傳送按鈕，每次也只能“發一條，收一條”，如下程式碼：

        //傳送按鈕事件
        btnSend.setOnAction(event -> {
            String msg=tfSend.getText();
            tcpClient.send(msg);//向伺服器傳送一串字元
            taDisplay.appendText("客戶端傳送："+msg+"\n");
            String receiveMsg=tcpClient.receive();//從伺服器接收一串字元
            taDisplay.appendText(receiveMsg+"\n");
            if (msg.equals("bye")){
                btnSend.setDisable(true);//傳送bye後禁用傳送按鈕
                tfSend.setDisable(true);//禁用Enter傳送資訊輸入區域
                //結束服務後再次啟用連線按鈕
                btConn.setDisable(false);
            }
            tfSend.clear();
        });

2、多執行緒版本

根據前面分析，只需要將客戶端接收的功能交給一個執行緒處理，就能夠達到目的，不會因為接收語句阻塞使得主程式卡住。

所以，將執行緒放到連線按鈕裡面為好，在成功連線伺服器之後，程式就啟動執行緒，時機正好。程式碼修改如下：

        //連線按鈕
        btConn.setOnAction(event -> {
            String ip=ipAddress.getText().trim();
            String port=tfport.getText().trim();
 
            try {
                //tcpClient是本程式定義的一個TCPClient型別的成員變數
                tcpClient = new TCPClient(ip, port);
                //用於接收伺服器資訊的單獨執行緒
                readThread = new Thread(()->{
                    String receiveMsg=null;//從伺服器接收一串字元
                    while ((receiveMsg=tcpClient.receive())!=null){
                        //lambda表示式不能直接訪問外部非final型別區域性變數，需要定義一個臨時變數
                        //若將receiveMsg定義為類成員變數，則無需臨時變數
                        String msgTemp = receiveMsg;
                        Platform.runLater(()->{
                            now = LocalDateTime.now();
                            taDisplay.setStyle("-fx-text-fill:red");
                            taDisplay.appendText(dtf.format(now) +"\n");
//                            taDisplay.setStyle("-fx-text-fill:black");
                            taDisplay.appendText(msgTemp+"\n");
                        });
                    }
                    Platform.runLater(()->{
                        taDisplay.appendText("對話已關閉！\n");
                    });
                });
 
                readThread.start();
                //連線伺服器之後未結束服務前禁用再次連線
                btConn.setDisable(true);
                //重新連線伺服器時啟用輸入傳送功能
                tfSend.setDisable(false);
                btnSend.setDisable(false);
            }catch (Exception e){
                taDisplay.appendText("伺服器連線失敗！"+e.getMessage()+"\n");
            }
        });

三、多執行緒與程式的關係

做到這裡，已經完成多執行緒通訊的功能。不過，在不斷除錯時候會發現，關閉窗體的時候，終端會出現Socket已關閉，輸入輸出流未正常關閉、執行緒異常等問題。如下錯誤：

java.net.SocketException: Socket closed

這是為何呢？原因就是多執行緒與程式的關係。

由於程式開啟了多執行緒，這就存在有幾個執行緒處理問題。那麼，在我們手動關閉窗體的時候，有的執行緒處於等待狀態，等待IO操作，並非在關閉的同時所有執行緒立即也關閉了，所以解決方法就是，設定一小段間隔時間保證所有執行緒已關閉。

在退出方法裡面設定執行緒睡眠時間，保證退出按鈕和關閉窗體不丟擲此類異常。

    private void exit() throws InterruptedException {
        if (tcpClient!=null){
            tcpClient.send("bye");
            readThread.sleep(1000);//多執行緒等待，關閉視窗時還有執行緒等待IO，設定1s間隔保證所有執行緒已關閉
            tcpClient.close();
        }
        System.exit(0);
    }

四、客戶端介面完整程式碼

java多執行緒實現TCP網路Socket程式設計(C/S通訊) 
/*
 *  TCPClientThreadFX.java
 * Copyright (c) 2020-10-25
 * author : Charzous
 * All right reserved.
 */
 
import javafx.application.Application;
import javafx.application.Platform;
import javafx.event.EventHandler;
import javafx.geometry.Insets;
import javafx.geometry.Pos;
import javafx.scene.Scene;
import javafx.scene.control.Button;
import javafx.scene.control.Label;
import javafx.scene.control.TextArea;
import javafx.scene.control.TextField;
import javafx.scene.input.KeyCode;
import javafx.scene.input.KeyEvent;
import javafx.scene.layout.BorderPane;
import javafx.scene.layout.HBox;
import javafx.scene.layout.Priority;
import javafx.scene.layout.VBox;
import javafx.stage.Stage;
 
 
 
public class TCPClientThreadFX extends Application {
 
    private Button btnExit=new Button("退出");
    private Button btnSend = new Button("傳送");
 
    private TextField tfSend=new TextField();//輸入資訊區域
 
    private TextArea taDisplay=new TextArea();//顯示區域
    private TextField ipAddress=new TextField();//填寫ip地址
    private TextField tfport=new TextField();//填寫埠
    private Button btConn=new Button("連線");
    private TCPClient tcpClient;
    private Thread readThread;
 
    public static void main(String[] args) {
        launch(args);
    }
 
    @Override
    public void start(Stage primaryStage) {
        BorderPane mainPane=new BorderPane();
 
        //連線伺服器區域
        HBox hBox1=new HBox();
        hBox1.setSpacing(10);
        hBox1.setPadding(new Insets(10,20,10,20));
        hBox1.setAlignment(Pos.CENTER);
        hBox1.getChildren().addAll(new Label("ip地址："),ipAddress,new Label("埠："),tfport,btConn);
        mainPane.setTop(hBox1);
 
        VBox vBox=new VBox();
        vBox.setSpacing(10);
 
        vBox.setPadding(new Insets(10,20,10,20));
        vBox.getChildren().addAll(new javafx.scene.control.Label("資訊顯示區"),taDisplay,new Label("資訊輸入區"),tfSend);
 
        VBox.setVgrow(taDisplay, Priority.ALWAYS);
        mainPane.setCenter(vBox);
 
 
 
        HBox hBox=new HBox();
        hBox.setSpacing(10);
        hBox.setPadding(new Insets(10,20,10,20));
        hBox.setAlignment(Pos.CENTER_RIGHT);
        hBox.getChildren().addAll(btnSend,btnExit);
        mainPane.setBottom(hBox);
 
        Scene scene =new Scene(mainPane,700,500);
        primaryStage.setScene(scene);
        primaryStage.show();
        //連線按鈕
        btConn.setOnAction(event -> {
            String ip=ipAddress.getText().trim();
            String port=tfport.getText().trim();
 
            try {
                //tcpClient是本程式定義的一個TCPClient型別的成員變數
                tcpClient = new TCPClient(ip, port);
                //用於接收伺服器資訊的單獨執行緒
                readThread = new Thread(()->{
                    String receiveMsg=null;//從伺服器接收一串字元
                    while ((receiveMsg=tcpClient.receive())!=null){
                        //lambda表示式不能直接訪問外部非final型別區域性變數，需要定義一個臨時變數
                        //若將receiveMsg定義為類成員變數，則無需臨時變數
                        String msgTemp = receiveMsg;
                        Platform.runLater(()->{
                            taDisplay.appendText(msgTemp+"\n");
                        });
                    }
                    Platform.runLater(()->{
                        taDisplay.appendText("對話已關閉！\n");
                    });
                });
 
                readThread.start();
                //連線伺服器之後未結束服務前禁用再次連線
                btConn.setDisable(true);
                //重新連線伺服器時啟用輸入傳送功能
                tfSend.setDisable(false);
                btnSend.setDisable(false);
            }catch (Exception e){
                taDisplay.appendText("伺服器連線失敗！"+e.getMessage()+"\n");
            }
        });
 
//        btConn.defaultButtonProperty();
 
        //傳送按鈕事件
        btnSend.setOnAction(event -> {
            String msg=tfSend.getText();
            tcpClient.send(msg);//向伺服器傳送一串字元
            taDisplay.appendText("客戶端傳送："+msg+"\n");
            if (msg.equalsIgnoreCase("bye")){
                btnSend.setDisable(true);//傳送bye後禁用傳送按鈕
                tfSend.setDisable(true);//禁用Enter傳送資訊輸入區域
                //結束服務後再次啟用連線按鈕
                btConn.setDisable(false);
            }
            tfSend.clear();
        });
        //對輸入區域繫結鍵盤事件
        tfSend.setOnKeyPressed(new EventHandler<KeyEvent>() {
            @Override
            public void handle(KeyEvent event) {
               if(event.getCode()==KeyCode.ENTER){
                   String msg=tfSend.getText();
                   tcpClient.send(msg);//向伺服器傳送一串字元
                   taDisplay.appendText("客戶端傳送："+msg+"\n");
 
                   if (msg.equalsIgnoreCase("bye")){
                       tfSend.setDisable(true);//禁用Enter傳送資訊輸入區域
                       btnSend.setDisable(true);//傳送bye後禁用傳送按鈕
                       //結束服務後再次啟用連線按鈕
                       btConn.setDisable(false);
                   }
                   tfSend.clear();
                }
            }
        });
 
        btnExit.setOnAction(event -> {
            try {
                exit();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        //窗體關閉響應的事件,點選右上角的×關閉,客戶端也關閉
        primaryStage.setOnCloseRequest(event -> {
            try {
                exit();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
    }
 
    private void exit() throws InterruptedException {
        if (tcpClient!=null){
            tcpClient.send("bye");
            readThread.sleep(1000);//多執行緒等待，關閉視窗時還有執行緒等待IO，設定1s間隔保證所有執行緒已關閉
            tcpClient.close();
        }
        System.exit(0);
    }
}
View Code

服務端和客戶端的程式可以沿用上一篇的內容，這裡不再貼出程式碼，詳見這篇：Java：基於TCP協議網路socket程式設計(實現C/S通訊) 

五、多執行緒通訊對比

那到底可以看出有什麼不同呢，現在來驗證一下，我們修改一下服務端返回資訊的程式碼，在增加一行使伺服器連續傳送重複資訊。

pw.println("來自伺服器訊息："+msg);
pw.println("來自伺服器,重複訊息："+msg);

之前單執行緒程式效果這樣，當服務端也是“一發一收”狀態，客戶端“一發一收”，這沒有問題：

服務端增加一行使伺服器連續傳送重複資訊，結果變成這樣，明顯出現錯誤，可以自行分析單執行緒與多訊息的執行情況：

客戶端介面實現多執行緒之後，解決問題！

最後

本篇詳細記錄實現java多執行緒通訊，目標達到客戶端可以一次接收伺服器傳送的多條資訊，避免阻塞。將客戶端接收資訊功能獨立為一個執行緒來完成，進一步完善TCP的Socket網路通訊，解決單執行緒存在的問題，也是上一篇部落格留下來的一個問題。

另外一個問題是什麼呢？這裡停留思考3秒！

……

……

……

就是：現在只能單使用者與伺服器正常通訊，如果多使用者情況下，比如開啟多個客戶端介面連線伺服器，存在一個很大問題，伺服器端只實現了單使用者功能，那麼，馬上想到，舉一反三，使用本篇多執行緒技術應用到伺服器端，是否能夠解決多使用者的功能呢？要解決這個問題，等待更新下一篇！

如果覺得不錯歡迎推薦收藏關注，有問題直接評論，交流學習！

Java實現socket網路程式設計系列文章：

  1. UDP協議網路Socket程式設計(java實現C/S通訊案例) 
  2. Java：基於TCP協議網路socket程式設計(實現C/S通訊) 

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