Java进阶:基于TCP通信的网络实时聊天室

目录

开门见山

一、数据结构Map

二、保证线程安全

三、群聊核心方法

四、聊天室具体设计

    0、用户登录服务器

    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

五、聊天室服务完整代码

六、效果演示:基于TCP的网络实时聊天室

结语

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:

  1.  L(list):查看当前上线用户;
  2.  G(group):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):查看帮助

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:

Java进阶:基于TCP通信的网络实时聊天室

 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。

Java进阶:基于TCP通信的网络实时聊天室

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。

Java进阶:基于TCP通信的网络实时聊天室

 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 }

点击查看具体代码

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:

Java进阶:基于TCP通信的网络实时聊天室

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();
            }
        }
    }
}

点击查看具体代码

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。

Java进阶:基于TCP通信的网络实时聊天室

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。

Java进阶:基于TCP通信的网络实时聊天室

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:

    1. UDP协议网络Socket编程(java实现C/S通信案例) 
    2. Java:基于TCP协议网络socket编程(实现C/S通信) 
    3. Java多线程实现TCP网络Socket编程(C/S通信)
    4. Java多线程技术:实现多用户服务端Socket通信

 

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