Socket粘包或半包问题，以及3种解决方案

在 Java 语言中，传统的 Socket 编程分为两种实现方式，这两种实现方式也对应着两种不同的传输层协议：TCP 协议和 UDP 协议，但作为互联网中最常用的传输层协议 TCP，在使用时却会导致粘包和半包问题，于是为了彻底的解决此问题，便诞生了此篇文章。

什么是 TCP 协议？

TCP 全称是 Transmission Control Protocol（传输控制协议），它由 IETF 的 RFC 793 定义，是一种面向连接的点对点的传输层通信协议。

TCP 通过使用序列号和确认消息，从发送节点提供有关传输到目标节点的数据包的传递的信息。TCP 确保数据的可靠性，端到端传递，重新排序和重传，直到达到超时条件或接收到数据包的确认为止。

TCP 是 Internet 上最常用的协议，它也是实现 HTTP（HTTP 1.0/HTTP 2.0）通讯的基础，当我们在浏览器中请求网页时，计算机会将 TCP 数据包发送到 Web 服务器的地址，要求它将网页返还给我们，Web 服务器通过发送 TCP 数据包流进行响应，然后浏览器将这些数据包缝合在一起以形成网页。

TCP 的全部意义在于它的可靠性，它通过对数据包编号来对其进行排序，而且它会通过让服务器将响应发送回浏览器说“已收到”来进行错误检查，因此在传输过程中不会丢失或破坏任何数据。

目前市场上主流的 HTTP 协议使用的版本是 HTTP/1.1，如下图所示：

什么是粘包和半包问题？

粘包问题是指当发送两条消息时，比如发送了 ABC 和 DEF，但另一端接收到的却是 ABCD，像这种一次性读取了两条数据的情况就叫做粘包（正常情况应该是一条一条读取的）。

半包问题是指，当发送的消息是 ABC 时，另一端却接收到的是 AB 和 C 两条信息，像这种情况就叫做半包。

为什么会有粘包和半包问题？

这是因为 TCP 是面向连接的传输协议，TCP 传输的数据是以流的形式，而流数据是没有明确的开始结尾边界，所以 TCP 也没办法判断哪一段流属于一个消息。

粘包的主要原因：

发送方每次写入数据 < 套接字（Socket）缓冲区大小；
接收方读取套接字（Socket）缓冲区数据不够及时。

半包的主要原因：

发送方每次写入数据 > 套接字（Socket）缓冲区大小；
发送的数据大于协议的 MTU (Maximum Transmission Unit，最大传输单元)，因此必须拆包。

小知识点：什么是缓冲区？

缓冲区又称为缓存，它是内存空间的一部分。也就是说，在内存空间中预留了一定的存储空间，这些存储空间用来缓冲输入或输出的数据，这部分预留的空间就叫做缓冲区。

缓冲区的优势以文件流的写入为例，如果我们不使用缓冲区，那么每次写操作 CPU 都会和低速存储设备也就是磁盘进行交互，那么整个写入文件的速度就会受制于低速的存储设备（磁盘）。但如果使用缓冲区的话，每次写操作会先将数据保存在高速缓冲区内存上，当缓冲区的数据到达某个阈值之后，再将文件一次性写入到磁盘上。因为内存的写入速度远远大于磁盘的写入速度，所以当有了缓冲区之后，文件的写入速度就被大大提升了。

粘包和半包问题演示

接下来我们用代码来演示一下粘包和半包问题，为了演示的直观性，我会设置两个角色：

服务器端用来接收消息；
客户端用来发送一段固定的消息。

然后通过打印服务器端接收到的信息来观察粘包和半包问题。

服务器端代码如下：

/**
 * 服务器端（只负责接收消息）
 */
class ServSocket {
    // 字节数组的长度
    private static final int BYTE_LENGTH = 20;  
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创建 Socket 服务器
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(9999);
        // 获取客户端连接
        Socket clientSocket = serverSocket.accept();
        // 得到客户端发送的流对象
        try (InputStream inputStream = clientSocket.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) {
                    // 成功接收到有效消息并打印
                    System.out.println("接收到客户端的信息是:" + new String(bytes));
                }
                count = 0;
            }
        }
    }
}

客户端代码如下：

/**
 * 客户端（只负责发送消息）
 */
static class ClientSocket {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创建 Socket 客户端并尝试连接服务器端
        Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 9999);
        // 发送的消息内容
        final String message = "Hi,Java."; 
        // 使用输出流发送消息
        try (OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()) {
            // 给服务器端发送 10 次消息
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                // 发送消息
                outputStream.write(message.getBytes());
            }
        }
    }
}

以上程序的通讯结果如下图所示：

通过上述结果我们可以看出，服务器端发生了粘包和半包的问题，因为客户端发送了 10 次固定的“Hi,Java.”的消息，正常的结果应该是服务器端也接收到了 10 次固定的消息才对，但现实的结果并非如此。

粘包和半包的解决方案

粘包和半包的解决方案有以下 3 种：

发送方和接收方规定固定大小的缓冲区，也就是发送和接收都使用固定大小的 byte[] 数组长度，当字符长度不够时使用空字符弥补；
在 TCP 协议的基础上封装一层数据请求协议，既将数据包封装成数据头（存储数据正文大小）+ 数据正文的形式，这样在服务端就可以知道每个数据包的具体长度了，知道了发送数据的具体边界之后，就可以解决半包和粘包的问题了；
以特殊的字符结尾，比如以“\n”结尾，这样我们就知道结束字符，从而避免了半包和粘包问题（推荐解决方案）。

那么接下来我们就来演示一下，以上解决方案的具体代码实现。

解决方案1：固定缓冲区大小

固定缓冲区大小的实现方案，只需要控制服务器端和客户端发送和接收字节的（数组）长度相同即可。

服务器端实现代码如下：

/**
 * 服务器端，改进版本一（只负责接收消息）
 */
static class ServSocketV1 {
    private static final int BYTE_LENGTH = 1024;  // 字节数组长度（收消息用）
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(9091);
        // 获取到连接
        Socket clientSocket = serverSocket.accept();
        try (InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream()) {
            while (true) {
                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) {
                    // 接收到消息打印
                    System.out.println("接收到客户端的信息是:" + new String(bytes).trim());
                }
                count = 0;
            }
        }
    }
}

客户端实现代码如下：

/**
 * 客户端，改进版一（只负责接收消息）
 */
static class ClientSocketV1 {
    private static final int BYTE_LENGTH = 1024;  // 字节长度
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 9091);
        final String message = "Hi,Java."; // 发送消息
        try (OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()) {
            // 将数据组装成定长字节数组
            byte[] bytes = new byte[BYTE_LENGTH];
            int idx = 0;
            for (byte b : message.getBytes()) {
                bytes[idx] = b;
                idx++;
            }
            // 给服务器端发送 10 次消息
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                outputStream.write(bytes, 0, BYTE_LENGTH);
            }
        }
    }
}

以上代码的执行结果如下图所示：

优缺点分析

从以上代码可以看出，虽然这种方式可以解决粘包和半包的问题，但这种固定缓冲区大小的方式增加了不必要的数据传输，因为这种方式当发送的数据比较小时会使用空字符来弥补，所以这种方式就大大的增加了网络传输的负担，所以它也不是最佳的解决方案。

解决方案二：封装请求协议

这种解决方案的实现思路是将请求的数据封装为两部分：数据头+数据正文，在数据头中存储数据正文的大小，当读取的数据小于数据头中的大小时，继续读取数据，直到读取的数据长度等于数据头中的长度时才停止。

因为这种方式可以拿到数据的边界，所以也不会导致粘包和半包的问题，但这种实现方式的编码成本较大也不够优雅，因此不是最佳的实现方案，因此我们这里就略过，直接来看最终的解决方案吧。

解决方案三：特殊字符结尾，按行读取

以特殊字符结尾就可以知道流的边界了，因此也可以用来解决粘包和半包的问题，此实现方案是我们推荐最终解决方案。

这种解决方案的核心是，使用 Java 中自带的 BufferedReader 和 BufferedWriter，也就是带缓冲区的输入字符流和输出字符流，通过写入的时候加上 \n 来结尾，读取的时候使用 readLine 按行来读取数据，这样就知道流的边界了，从而解决了粘包和半包的问题。

服务器端实现代码如下：

/**
 * 服务器端，改进版三(只负责收消息)
 */
static class ServSocketV3 {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创建 Socket 服务器端
        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) {
                    // 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:" + msg);
                }
            }
        } catch (IOException ioException) {
            ioException.printStackTrace();
        }
    }
}

PS：上述代码使用了线程池来解决多个客户端同时访问服务器端的问题，从而实现了一对多的服务器响应。

客户端的实现代码如下：

/**
 * 客户端，改进版三(只负责发送消息)
 */
static class ClientSocketV3 {
    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);
        final 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();
            }
        }
    }
}