粘包和半包问题及解决办法

粘包问题是指数据在传输时，在一条消息中读取到了另一条消息的部分数据，这种现象就叫做粘包。

半包问题是指数据在传输时，接收端只收到了部分数据，而非完整的数据，就叫做半包。

产生粘包和半包问题原因：

这些问题发生在 TCP/IP 协议中，因为 TCP 是面向连接的传输协议，它是以“流”的形式传输数据的，而“流”数据是没有明确的开始和结尾边界的，所以就会出现粘包问题。

大部分情况下我们都把粘包问题和半包问题看成同一个问题

问题代码演示

  • 服务器端用来接收消息
  • 客户端用来发送一段固定的消息。

通过输出服务器端接收到的信息来观察粘包问题。服务器端代码实现如下：

package com.nien.test.sticky;import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;/*** @author ally-coding* @Date: 2023/10/16 23:47* @Project cetc_test* @Description: 粘包服务器端测试*/
public class ServSocket {private static final int BYTE_LENGTH = 20;public static void main(String[] args) throws IOException {ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8888);//获取客户端连接Socket clientSocker = serverSocket.accept();//得到客户端发送的流对象try(InputStream inputStream = clientSocker.getInputStream()){while(true){//循环获取客户端发送的信息byte[] bytes = new byte[BYTE_LENGTH];// 读取客户端发送的信息int count = inputStream.read(bytes, 0, BYTE_LENGTH);if(count>0){System.out.println("接受到客户端的信息是："+new String(bytes));}count=0;}}}
}

 客户端代码：

package com.nien.test.sticky;import java.io.IOException;
import java.io.OutputStream;
import java.net.Socket;/*** @author ally-coding* @Date: 2023/10/16 23:54* @Project cetc_test* @Description: 粘包客户端端测试*/
public class ClientSocket {public static void main(String[] args) throws IOException {Socket socket = new Socket("127.0.0.1",8888);final String message = "Hello world!";try(OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()){for (int i = 0; i < 10; i++) {outputStream.write(message.getBytes());}}}
}

执行结果如下所示。

可以明显看出，服务器端发生了粘包问题。

解决办法

1.发送方和接收方固定发送数据的大小，当字符长度不够时用空字符弥补，有了固定大小之后就知道每条消息的具体边界了，这样就没有粘包的问题了；
2.在 TCP 协议的基础上封装一层自定义数据协议，在自定义数据协议中，包含数据头（存储数据的大小）和数据的具体内容，这样服务端得到数据之后，通过解析数据头就可以知道数据的具体长度了，也就没有粘包的问题了；
3.以特殊的字符结尾，比如以“\n”结尾，这样我们就知道数据的具体边界了，从而避免了粘包问题（推荐方案）

方法1 固定发送数据的大小

代码实现：

服务端代码：

package com.nien.test.sticky.solver1;import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;/*** @author ally-coding* @Date: 2023/10/17 0:40* @Project cetc_test* @Description: 粘包问题解决1-服务端*/
public class Server1 {private static final int BYTE_LENGTH = 1024;public static void main(String[] args) throws IOException {ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(9091);//获取客户端连接Socket clientSocker = serverSocket.accept();//得到客户端发送的流对象try(InputStream inputStream = clientSocker.getInputStream()){while(true){//循环获取客户端发送的信息byte[] bytes = new byte[BYTE_LENGTH];// 读取客户端发送的信息int count = inputStream.read(bytes, 0, BYTE_LENGTH);if(count>0){System.out.println("接受到客户端的信息是："+new String(bytes).trim());}count=0;}}}
}

客户端代码：

package com.nien.test.sticky.solver1;import java.io.IOException;
import java.io.OutputStream;
import java.net.Socket;/*** @author ally-coding* @Date: 2023/10/17 0:40* @Project cetc_test* @Description: 粘包问题解决1-客户端*/
public class Client1 {private static final int BYTE_LENGTH=1024;public static void main(String[] args) throws IOException {Socket socket = new Socket("127.0.0.1",9091);final String messgae = "Hello world!";try(OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()){byte[] bytes = new byte[BYTE_LENGTH];int idx = 0;for (byte b : messgae.getBytes()){bytes[idx] = b;idx++;}for (int i = 0; i < 10; i++) {outputStream.write(bytes, 0, BYTE_LENGTH);}}}
}

执行结果如下所示。

虽然这种方式可以解决粘包问题，但这种固定数据大小的传输方式，当数据量比较小时会使用空字符来填充，所以会额外的增加网络传输的负担。

方法2 在 TCP 协议的基础上封装一层自定义数据协议

步骤1 编写一个消息封装类 2编写客户端 3编写服务器

1.编写消息封装类代码：

package com.nien.test.sticky.solver2;import com.sun.org.apache.regexp.internal.RE;import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.text.NumberFormat;/*** @author ally-coding* @Date: 2023/10/17 0:52* @Project cetc_test* @Description: 消息封装类*/
public class SocketPacket {static final int HEAD_SIZE=8;/*** 将协议封装为:协议头 + 协议体* @param content* @return*/public byte[] toBytes(String content){//协议体 byte数据byte[] bodyByte = content.getBytes();int bodyByteLength = bodyByte.length;// 最终封装对象byte[] result = new byte[HEAD_SIZE + bodyByteLength];// 借助 NumberFormat 将 int 转换为 byte[]NumberFormat numberFormat = NumberFormat.getNumberInstance();numberFormat.setMinimumIntegerDigits(HEAD_SIZE);numberFormat.setGroupingUsed(false);//协议头 byte数组byte[] headByte = numberFormat.format(bodyByteLength).getBytes();// 封装协议头System.arraycopy(headByte, 0, result, 0, HEAD_SIZE);// 封装协议体System.arraycopy(bodyByte,0, result, HEAD_SIZE, bodyByteLength);return result;}/*** 获取消息头的内容(也就是消息体的长度)* @param inputStream* @return* @throws IOException*/public int getHeader(InputStream inputStream) throws IOException {int result = 0;byte[] bytes = new byte[HEAD_SIZE];inputStream.read(bytes, 0, HEAD_SIZE);//得到消息体的字节长度result = Integer.valueOf(new String(bytes));return result;}
}

2.编写客户端代码

package com.nien.test.sticky.solver2;import java.io.IOException;
import java.io.OutputStream;
import java.net.Socket;
import java.util.Random;/*** @author ally-coding* @Date: 2023/10/17 1:30* @Project cetc_test* @Description: 客户端*/
public class Client2 {public static void main(String[] args) throws IOException {Socket socket = new Socket("127.0.0.1",9093);String[] message = {"Hello world","Hello java"};SocketPacket socketPacket = new SocketPacket();try(OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()){for (int i = 0; i < 10; i++) {String msg = message[new Random().nextInt(message.length)];byte[] bytes = socketPacket.toBytes(msg);outputStream.write(bytes, 0, bytes.length);outputStream.flush();}}}
}

3.编写服务端

package com.nien.test.sticky.solver2;import java.io.IOException;import java.io.InputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;
import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;
import java.util.concurrent.TimeUnit;/*** @author ally-coding* @Date: 2023/10/17 9:19* @Project cetc_test* @Description: 服务器端 使用线程池来处理每个客户端的业务请求*/
public class Server2 {public static void main(String[] args) throws IOException {ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(9093);// 获取客户端连接Socket clientSocket = serverSocket.accept();// 用线程池处理更多的客户端ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor  = new ThreadPoolExecutor(100,150,100,TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingQueue<>(1000));threadPoolExecutor.submit(()->{//客户端消息处理processMessage(clientSocket);});}private static void processMessage(Socket clientSocket){// Socket 封装对象SocketPacket socketPacket = new SocketPacket();// 获取客户端发送的消息对象try(InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream()) {while (true){// 获取消息头(也就是消息体的长度)int bodyLength = socketPacket.getHeader(inputStream);// 消息体 byte 数组byte[] bodyBytes = new byte[bodyLength];// 每次实际读取字节数int readCount = 0;// 消息体赋值下标int bodyIndex = 0;// 循环接收消息头中定义的长度while (bodyIndex<=(bodyLength-1) &&(readCount = inputStream.read(bodyBytes, bodyIndex, bodyLength))!= -1){bodyIndex += readCount;}bodyIndex=0;// 成功接收到客户端的消息并打印System.out.println("接收到客户端的信息:" + new String(bodyBytes));}} catch (IOException e) {System.out.println(e.getMessage());}}
}

​运行结果如下所示。

此方法虽然可以解决粘包问题，但消息的设计和代码的实现复杂度比较高，所以也不是理想的解决方案。

方法3 以特殊的字符结尾

代码实现：

服务器代码：

package com.nien.test.sticky.solver3;import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;
import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;
import java.util.concurrent.TimeUnit;/*** @author ally-coding* @Date: 2023/10/18 0:40* @Project cetc_test* @Description:*/
public class Server3 {public static void main(String[] args) throws IOException {ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(9092);// 获取客户端连接Socket clientSocket = serverSocket.accept();// 使用线程池处理更多的客户端ThreadPoolExecutor threadPool = new ThreadPoolExecutor(100,150,100,TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingQueue<>(1000));threadPool.submit(()->{//消息处理processMessage(clientSocket);});}/*** 消息处理* @param clientSocket*/private static void processMessage(Socket clientSocket){// 获取客户端发送的消息流对象try(BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream()))) {while (true){// 按行读取客户端发送的消息String msg = bufferedReader.readLine();if(msg!=null){System.out.println("接收到客户端的信息:" + msg);}}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}

客户端代码：

package com.nien.test.sticky.solver3;import java.io.BufferedWriter;
import java.io.IOException;
import java.io.OutputStreamWriter;
import java.net.Socket;/*** @author ally-coding* @Date: 2023/10/18 0:40* @Project cetc_test* @Description:*/
public class Client3 {public static void main(String[] args) throws IOException {// 启动 Socket 并尝试连接服务器Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 9092);String message = "Hi,Java."; // 发送消息try (BufferedWriter bufferedWriter = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(socket.getOutputStream()))) {// 给服务器端发送 10 次消息for (int i = 0; i < 10; i++) {// 注意:结尾的 \n 不能省略,它表示按行写入bufferedWriter.write(message + "\n");// 刷新缓冲区(此步骤不能省略)bufferedWriter.flush();}}}
}

执行结果如下图所示。

该方法最大优点是实现简单，但存在一定的局限性，比如当一条消息中间如果出现了结束符就会造成半包的问题，所以如果是复杂的字符串要对内容进行编码和解码处理，这样才能保证结束符的正确性。

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