Java进阶：基于TCP通信的网络实时聊天室
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开门见山
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开门见山
最近一个月记录了学习Socket网络编程的知识和实战案例，相对来说，比较系统地学习了基于TCP协议实现网络通信，也是计算机网络中重中之重，TCP/IP属于网络层，在java中，对该层的工作实现了封装，在编程中，就更加容易地去实现通信，而不用顾及底层的实现。当然，我们需要熟悉五层协议，在实践中体会其中的原理，理解更加深刻。
所以，系列文章从入门开始，不断完善C/S架构的Socket通信，回忆一下，首先是实现了Server和Client的互相通信，在这个过程发现问题，接着就使用多线程技术解决客户端实时接收信息的问题，后来到了服务器端，发现多用户连接服务器的“先到先得”问题，“后到者”无法正常通信，所以再使用线程池技术解决了多用户服务器的问题。
到此，基本实现了一个简单的客户端-服务器应用，因此，本篇将基于前面全部内容，使用客户端-服务器（C/S架构），结合多线程技术，模拟类似QQ、微信聊天功能，实现一个网络实时聊天室，目前的功能包括：
本篇将详细记录网络实时聊天室的实现步骤，以系列文章为前提基础，可见文末。
一、数据结构Map
前两篇的TCPClientThreadFX和TCPThreadServer实现了多线程的通信，但也只是客户端和服务器的聊天，如何做到群组的聊天？想法就是客户A的聊天信息通过服务器转发到同时在线的所有客户。
具体做法是需要在服务器端新增记录登陆客户信息的功能，每个用户都有自己的标识。本篇将使用简单的“在线方式”记录客户套接字，即采用集合来保存用户登陆的套接字信息，来跟踪用户连接。
所以，我们需要选择一种合适的数据结构来保存用户的Socket和用户名信息，那在java中，提供了哪些数据结构呢？
Java常用的集合类型有：Map、List和Set。Map是保存Key-Value对，List类似数组，可保存可重复的值，而Set只保存不重复的值，相当于是只保存key，不保存value的Map。
如果是有用户名、学号登录的操作，就可以采用Map类型的集合来存储，例如可使用key记录用户名+学号，value保存套接字。对于本篇的网络聊天室的需求，需要采用Map，用来保存不同用户的socket和登录名。用户套接字socket作为key来标识一个在线用户是比较方便的选择，因为每一个客户端的IP地址+端口组合是不一样的。
二、保证线程安全
很明显，我们需要使用到多线程技术，而在多线程环境中，对共享资源的读写存在线程并发安全的问题，例如HashMap、HaspSet等都不是线程安全的，可以通过synchronized关键字进行加锁，但还有更方便的方案：可以直接使用Java标准库的java.util.concurrent包提供的线程安全的集合。例如HashMap的线程安全是 ConcurrentHashMap，HashSet的线程安全Set是CopyOnWriteArraySet。
如图，Map继承体系：
在JDK1.8中，对HashMap进行了改进，当结点数量超过TREEIFY_THRESHOLD 则要转换为红黑树，这样很大优化了查询的效率，但仍然不是线程安全的。
这里简单了解一下，具体学习可以查询相关资料。有了以上的基本知识，下面开始进入网络实时聊天室的具体实现。
三、群聊核心方法
基于前面这样的想法：实现群聊就是客户A的聊天信息通过服务器转发到同时在线的所有客户，服务器端根据HashMap记录登陆用户的socket，向所有用户转发信息。
核心的群组发送方法sendToAllMembers，用于给所有在线客服发送信息。
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的遍历，对其他所有用户发送信息。
相同的原理，我们实现私聊的功能，转化为实现的思想，也就是当前用户和指定用户Socket之间的通信，所以我写了一个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); } } }
以上两个方法是本网络聊天室的关键，后面实现的功能将是对这两个方法的灵活运用。
四、聊天室具体设计
目前聊天室的功能定位包括：1)查看当前上线用户;2):群聊;3)私信;4)退出当前聊天状态;5)离线;6)查看帮助。
首先，初始化最关键的数据结构，作为类成员变量，HashMap用来保存Socket和用户名：
private ConcurrentHashMap<Socket,String> users=new ConcurrentHashMap();
每个功能具体实现如下：
0、用户登录服务器
这里是最开始的服务器端的信息处理，需要记录每个用户的登录信息，包括连接的套接字和自定义昵称，方便后续使用。我采用的方法是当用户连接服务器时候，提醒用户输入用户名来进一步操作，也实现了不重名的判断逻辑。代码如下：
pw.println("From 服务器：欢迎使用服务！");
pw.println("请输入用户名：");
String localName = null;
while ((hostName=br.readLine())!=null){
users.forEach((k,v)->{
if (v.equals(hostName))
flag=true;//线程修改了全局变量
});
if (!flag){
localName=hostName;
users.put(socket,hostName);
flag=false;
break;
}
else{
flag=false;
pw.println("该用户名已存在，请修改！");
}
}
登录成功之后会向所有在线用户告知上线信息。
1、查看当前上线用户
其实就是将服务器端记录在HashMap中的信息返回给请求用户，通过约定的命令L来查看：
if (msg.trim().equalsIgnoreCase("L")){
users.forEach((k,v)->{
pw.println("用户:"+v);
});
continue;
}
2、群聊
else if (msg.trim().equals("G")){ pw.println("您已进入群聊。"); while ((msg=br.readLine())!=null){ if (!msg.equals("E")&&users.size()!=1) sendToMembers(msg,localName,socket); else if (users.size()==1){ pw.println("当前群聊无其他用户在线，已自动退出！"); break; } else { pw.println("您已退出群组聊天室！"); break; } } }
3、私信
同理，处理逻辑变为一对一的通信，与之前服务器-客户端一对一类似，但是这里需要更多的处理，保证逻辑正确，包括被私聊人的在线状态，被私聊人用户名是否正确等。
1 //一对一私聊 2 else if (msg.trim().equalsIgnoreCase("O")){ 3 pw.println("请输入私信人的用户名："); 4 String name=br.readLine(); 5 6 //查找map中匹配的socket，与之建立通信 7 //有待改进，处理输入的用户名不存在的情况 8 users.forEach((k, v)->{ 9 if (v.equals(name)) { 10 isExist=true;//全局变量与线程修改问题 11 } 12 13 }); 14 //已修复用户不存在的处理逻辑 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 //私信后有一方用户离开，另一方未知，仍然发信息而未收到回复，未处理这种情况 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("对方已经离开，已断开连接！"); 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("用户不存在！"); 39 }
4、退出当前聊天状态
这个功能主要融入到群聊和私聊中，可见上面两个功能实现的内部调用，定义了一个方法isLeaved，判断用户是否已经下线。
//判断用户是否已经下线 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、离线
这个功能比较简单，通过约定的命令执行。
if (msg.trim().equalsIgnoreCase("bye")) {
pw.println("From 服务器：服务器已断开连接，结束服务！");
users.remove(socket,localName);
sendToMembers("我下线了",localName,socket);
System.out.println("客户端离开。");//加当前用户名
break;
}
6、查看帮助
通过命令H请求服务器的帮助，是指用户查看哪些命令对应的功能，来进行选择。
else if (msg.trim().equalsIgnoreCase("H")){
pw.println("输入命令功能：(1)L(list):查看当前上线用户;(2)G(group):进入群聊;(3)O(one-one):私信;(4)E(exit):退出当前聊天状态;(5)bye:离线;(6)H(help):帮助");
continue;//返回循环
}
五、聊天室服务完整代码
聊天室实现主要工作在于服务端，聚焦于服务器线程处理的内部类Hanler，上面是各个功能具体介绍，下面完整给出代码，只需要在前面文章的基础上，见Java多线程实现多用户与服务端Socket通信。
修改服务器端线程处理代码：
class Handler implements Runnable { private Socket socket; public Handler(Socket socket) { this.socket = socket; } public void run() { //本地服务器控制台显示客户端连接的用户信息 System.out.println("New connection accept:" + socket.getInetAddress().getHostAddress()); try { BufferedReader br = getReader(socket); PrintWriter pw = getWriter(socket); pw.println("From 服务器：欢迎使用服务！"); pw.println("请输入用户名："); String localName = null; while ((hostName=br.readLine())!=null){ users.forEach((k,v)->{ if (v.equals(hostName)) flag=true;//线程修改了全局变量 }); if (!flag){ localName=hostName; users.put(socket,hostName); flag=false;//可能找出不一致问题 break; } else{ flag=false; pw.println("该用户名已存在，请修改！"); } } // System.out.println(hostName+": "+socket); sendToMembers("我已上线",localName,socket); pw.println("输入命令功能：(1)L(list):查看当前上线用户;(2)G(group):进入群聊;(3)O(one-one):私信;(4)E(exit):退出当前聊天状态;(5)bye:离线;(6)H(help):帮助"); String msg = null; //用户连接服务器上线，进入聊天选择状态 while ((msg = br.readLine()) != null) { if (msg.trim().equalsIgnoreCase("bye")) { pw.println("From 服务器：服务器已断开连接，结束服务！"); users.remove(socket,localName); sendToMembers("我下线了",localName,socket); System.out.println("客户端离开。");//加当前用户名 break; } else if (msg.trim().equalsIgnoreCase("H")){ pw.println("输入命令功能：(1)L(list):查看当前上线用户;(2)G(group):进入群聊;(3)O(one-one):私信;(4)E(exit):退出当前聊天状态;(5)bye:离线;(6)H(help):帮助"); continue;//返回循环 } else if (msg.trim().equalsIgnoreCase("L")){ users.forEach((k,v)->{ pw.println("用户:"+v); }); continue; } //一对一私聊 else if (msg.trim().equalsIgnoreCase("O")){ pw.println("请输入私信人的用户名："); String name=br.readLine(); //查找map中匹配的socket，与之建立通信 users.forEach((k, v)->{ if (v.equals(name)) { isExist=true;//全局变量与线程修改问题 } }); //已修复用户不存在的处理逻辑 Socket temp=null; for(Map.Entry<Socket,String> mapEntry : users.entrySet()){ if(mapEntry.getValue().equals(name)) temp = mapEntry.getKey(); } if (isExist){ isExist=false; //私信后有一方用户离开，另一方未知，仍然发信息而未收到回复，未处理这种情况 while ((msg=br.readLine())!=null){ if (!msg.equals("E")&&!isLeaved(temp)) sendToOne(msg,localName,temp); else if (isLeaved(temp)){ pw.println("对方已经离开，已断开连接！"); break; } else{ pw.println("您已退出私信模式！"); break; } } } else pw.println("用户不存在！"); } //选择群聊 else if (msg.trim().equals("G")){ pw.println("您已进入群聊。"); while ((msg=br.readLine())!=null){ if (!msg.equals("E")&&users.size()!=1) sendToMembers(msg,localName,socket); else if (users.size()==1){ pw.println("当前群聊无其他用户在线，已自动退出！"); break; } else { pw.println("您已退出群组聊天室！"); break; } } } else pw.println("请选择聊天状态！"); } } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } finally { try { if (socket != null) socket.close(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } } }
六、效果演示：TCP网络实时聊天室
首先，开启多个客户端，连接服务器开始进入通信状态。
下面动图演示了几个基本功能，可以看到三个用户实现了实时通信聊天，包括群聊和私聊功能。其他功能就留给大家去探索。
结语
系列文章从入门开始，不断完善C/S架构的Socket通信，回忆一下，首先是实现了Server和Client的互相通信，在这个过程发现问题，接着就使用多线程技术解决客户端实时接收信息的问题，后来到了服务器端，发现多用户连接服务器的“先到先得”问题，“后到者”无法正常通信，所以再使用线程池技术解决了多用户服务器的问题。
本篇基本实现了一个简单的客户端-服务器应用，使用客户端-服务器（C/S架构），结合多线程技术，模拟类似QQ、微信聊天功能，实现一个网络实时聊天室。
学习到的知识有：多线程、线程池、Socket通信、TCP协议、HashMap、JavaFX等，所有知识的结合运用，并通过实战练习，一步步理解知识！
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Java实现socket通信网络编程系列文章：
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