Java网络接口追踪至Linux Socket API的过程教程

1.首先用Java实现hello/hi网络聊天程序

客户端


public class TCPClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创建发送端socket对象
        Socket s = new Socket("127.0.0.1", 6666);
        // 键盘录入数据
        BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
        // 包装通道内的流
        BufferedWriter bw = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(s.getOutputStream()));
        // 从服务端获取返回的数据
        BufferedReader brServer = new BufferedReader(new InputStreamReader(s.getInputStream()));

        String line = null;
        while ((line = br.readLine()) != null) {
            // 结束标记：quit
            if ("quit".equals(line)) {
                break;
            }
            // 往通道里写数据
            bw.write(line);
            bw.newLine();
            bw.flush();
            // 读取服务器传送过来的数据
            String lineFromServer = brServer.readLine();
            System.out.println(lineFromServer);
        }
        // 释放资源
        br.close();
        s.close();
    }
}

服务器端

public class TCPServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创建接收端Socket对象
        ServerSocket ss = new ServerSocket(6666);
        // 监听客户端连接，返回一个对应的Socket对象
        Socket s = ss.accept();
        // 包装通道内的流
        BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(s.getInputStream()));
        BufferedWriter bw = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(s.getOutputStream()));

        String line = null;
        while ((line = br.readLine()) != null) {
            System.out.println(line);
            // 往客户端发送数据
            bw.write("服务器端已收到："+ line);
            bw.newLine();
            bw.flush();
        }
        //释放资源
        s.close();
    }
}

结果
- 服务端
- 客户端

2.追踪客户端Socket

起始：第一层：TCPClient.java。

在Java中只需一行代码，客户端就创建了socket并向服务端发出连接请求（成功的话更是直接完成了与服务端的三次握手）。

// 创建发送端socket对象
Socket s = new Socket("127.0.0.1", 6666);

第二层：Socket.class

可以看到Socket的构造方法是直接调用本类的构造方法，因为传入的主机地址host!=null，所以这一层的实现为this(new InetSocketAddress(host, port))。
InetSocketAddress只是一个把主机地址和端口号封装起来的类，不是重点。因此继续跟踪this()

public Socket(String host, int port) throws UnknownHostException, IOException {
        this(host != null ? new InetSocketAddress(host, port) : new InetSocketAddress(InetAddress.getByName((String)null), port), (SocketAddress)null, true);
    }

Socket构造方法：Socket.class

把异常处理的代码去掉，可以看到try语句里的实现顺序：this.createImpl(stream)->this.bind(localAddr)->this.connect(address)。
分别继续深入看看三个方法各做了什么

private Socket(SocketAddress address, SocketAddress localAddr, boolean stream) throws IOException {
        // Socket成员变量的初始化...（省略）
        try {
            this.createImpl(stream);
            if (localAddr != null) {
                this.bind(localAddr);
            }
            this.connect(address);
        }
        // 异常处理(省略)
}

以this.createImpl(stream)为例的追踪过程

impl是一个SocketImpl实例。SocketImpl是一个抽象类，是实际实现套接字的所有类的公共超类。它用于创建客户端和服务器套接字。

protected abstract void create(boolean stream) throws IOException
创建流或数据报套接字。
参数
stream - 如果true ，创建一个流套接字; 否则，创建一个数据报套接字。

从API得知stream如果是true则建立一个TCPsocket，false则UDPSocket

void createImpl(boolean stream) throws SocketException {
    if (this.impl == null) {
        this.setImpl();
    }
    try {
        this.impl.create(stream);
        this.created = true;
    } 
}

继续跟进this.impl.create：AbstractPlainSocketImpl第三层

    protected synchronized void create(boolean stream) throws IOException {
        this.stream = stream;
        if (!stream) {
            //略
        } else {
            this.fd = new FileDescriptor();
            this.socketCreate(true);
            SocketCleanable.register(this.fd);
        }

继续跟进this.socketCreate(true)：PlainSocketImpl第四层

native void socketCreate(boolean var1) throws IOException;

查看native方法socketCreate的源码：下载JDK源码包，找到PlainSocketImol.c,第五层
可以看到socetCreate里用C语言做了fd=JVM\_Socket(domain, type, 0)

JNIEXPORT void JNICALL
Java_java_net_PlainSocketImpl_socketCreate(JNIEnv *env, jobject this,
                                           jboolean stream) {
    jobject fdObj, ssObj;
    int fd;
    //...
    int type = (stream ? SOCK_STREAM : SOCK_DGRAM);
    if ((fd = JVM_Socket(domain, type, 0)) == JVM_IO_ERR) {
        /* note: if you run out of fds, you may not be able to load
         * the exception class, and get a NoClassDefFoundError
         * instead.
         */
        NET_ThrowNew(env, errno, "can't create socket");
        return;
    }
    //...
    /*
     * If this is a server socket then enable SO_REUSEADDR
     * automatically and set to non blocking.
     */
    ssObj = (*env)->GetObjectField(env, this, psi_serverSocketID);
    if (ssObj != NULL) {
        int arg = 1;
        SET_NONBLOCKING(fd);
        if (JVM_SetSockOpt(fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, (char*)&arg,
                           sizeof(arg)) < 0) {
            NET_ThrowNew(env, errno, "cannot set SO_REUSEADDR");
            close(fd);
            return;
        }
    }

    (*env)->SetIntField(env, fdObj, IO_fd_fdID, fd);
}

查看JVM\_Socket的实现。在jvm.cpp中找到第六层
可以看到最终最终，用到了os::socket(domain, type, protocol)。从形式上也能看出，这是调用了Linux的socket接口了，再往下就是系统调用级别了。

JVM_LEAF(jint, JVM_Socket(jint domain, jint type, jint protocol))
  JVMWrapper("JVM_Socket");
  return os::socket(domain, type, protocol);
JVM_END

========================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================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至此，经历了六层的搜索，终于追踪到了Java创建socket的接口的最底层是调用Linux的socket函数。

Java中各个socket方法的追踪结果总结

由于其他方法的追踪过程与创建socket的过程相似，这里直接给出各个方法的调用栈。
客户端创建socket

socket(host, port) : TCPClient.java
    |---this.createImpl(stream) : socket.class
        |---this.impl.create(stream) : socket.class
            |---protected synchronized void create(boolean stream) : AbstractPlainSocketImpl.class
                |---this.socketCreate() : AbstractPlainSocketImpl.class
                    |---native void socketCreate(boolean var1) : PlainSocketImpl.class
                                         ------JVM------
                        |---Java_java_net_PlainSocketImpl_socketCreate : PlainSocketImol.c
                            |---fd=JVM_Socket(domain, type, 0) : PlainSocketImol.c
                                |---os::socket(domain, type, protocol) : jvm.cpp

客户端bind

socket(host,port) : TCPClient.java
    |---this.bind(localAddr) : socket.Class
        |---this.getImpl().bind(addr, port): socket.class
            |---protected synchronized void bind(InetAddress address, int lport) : AbstractPlainSocketImpl.class
                |---native void socketBind(InetAddress var1, int var2) : PlainSocketImpl.class
                               ------JVM------
                    |---Java_java_net_PlainSocketImpl_socketBind : PlainSocketImol.c
                        |---NET_Bind(int fd, struct sockaddr *him, int len) : net_util_md.c
                            |---rv = bind(fd, him, len) : net_util_md.c
                                |---return os::bind(fd, him, (socklen_t)len) : jvm.cpp

客户端connect

socket(host,port) : TCPClient.java
    |---this.connect(address) : Socket.class
        |---public void connect(SocketAddress endpoint, int timeout) : Socket.class
            |---protected void connect(SocketAddress address, int timeout) : AbstractPlainSocketImpl.class
                |---synchronized void doConnect(address, port, timeout): AbstractPlainSocketImpl.class
                    |---native void socketConnect(InetAddress var1, int var2, int var3) : PlainSocketImpl.class
                             ------JVM------
                        |---Java_java_net_PlainSocketImpl_socketConnect : PlainSocketImol.c
                            |---JVM_Connect(jint fd, struct sockaddr *him, jint len) : PlainSocketImol.c
                                |---os::connect(fd, him, (socklen_t)len) : jvm.cpp

服务端创建ServerSocket

ServerSocket(6666) : TCPServer.java
    |---public ServerSocket(port, backlog, bindAddr) : ServerSocket.class
        |---this.bind(new InetSocketAddress(bindAddr, port), backlog) : ServerSocket.class
            |---this.getImpl().bind(epoint.getAddress(), epoint.getPort()) : ServerSocket.class
                    // bind上面已经跟过了
            |---this.getImpl().listen(backlog) : ServerSocket.class
                |---this.socketListen(count) :  AbstractPlainSocketImpl.class
                    |--- native void socketListen(int var1) : PlainSocketImpl.class
                             ------JVM------
                        |---Java_java_net_PlainSocketImpl_socketListen : PlainSocketImol.c
                            |---JVM_Listen(jint fd, jint count) : PlainSocketImol.c
                                |---os::listen(fd, count) : jvm.cpp

服务器端accept

Socket s = ss.accept() : TCPServer.class
    |----this.implAccept(s) : ServerSocket.class
        |---this.getImpl().accept(si) : ServerSocket.class
            |---protected void accept(SocketImpl s) : AbstractPlainSocketImpl.class
                |---native void socketAccept(SocketImpl var1) : PlainSocketImpl.class
                        ------JVM------
                    |---Java_java_net_PlainSocketImpl_socketAccept : PlainSocketImol.c
                        |---newfd = NET_Accept(fd, (struct sockaddr *)&him, (jint*)&len) : PlainSocketImol.c
                            |---JVM_Accept(jint fd, struct sockaddr *him, jint *len) : jvm.h
                                |---jint result = os::accept(fd, him, &socklen) : jvm.cpp

总结Java Socket与Linux Socket的对应关系

=======================================================

Java的Socket方法底层是调用Linux的Socket。各个方法与Linux socket的对应关系如下：

服务端
客户端

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