Java進階：基於TCP通信的網絡實時聊天室

目錄

開門見山

一、數據結構Map

二、保證線程安全

三、群聊核心方法

四、聊天室具體設計

    0、用戶登錄服務器

    1、查看當前上線用戶

    2、群聊

    3、私信

    4、退出當前聊天狀態

    5、離線

    6、查看幫助

五、聊天室服務完整代碼

六、效果演示：基於TCP的網絡實時聊天室

結語

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開門見山

　　最近一個月記錄了學習Socket網絡編程的知識和實戰案例，相對來說，比較系統地學習了基於TCP協議實現網絡通信，也是計算機網絡中重中之重，TCP/IP屬於網絡層，在java中，對該層的工作實現了封裝，在編程中，就更加容易地去實現通信，而不用顧及底層的實現。當然，我們需要熟悉五層協議，在實踐中體會其中的原理，理解更加深刻。

　　所以，系列文章從入門開始，不斷完善C/S架構的Socket通信，回憶一下，首先是實現了Server和Client的互相通信，在這個過程發現問題，接着就使用多線程技術解決客戶端實時接收信息的問題，后來到了服務器端，發現多用戶連接服務器的“先到先得”問題，“后到者”無法正常通信，所以再使用線程池技術解決了多用戶服務器的問題。

　　到此，基本實現了一個簡單的客戶端-服務器應用，因此，本篇將基於前面全部內容，使用客戶端-服務器（C/S架構），結合多線程技術，模擬類似QQ、微信聊天功能，實現一個網絡實時聊天室，目前的功能包括：

1.  L(list):查看當前上線用戶;
2.  G(group):群聊;
3.  O(one-one):私信;
4.  E(exit):退出當前聊天狀態;
5.  bye:離線;
6.  H(help):查看幫助

本篇將詳細記錄網絡實時聊天室的實現步驟，以系列文章為前提基礎，可見文末。

一、數據結構Map

　　前兩篇的TCPClientThreadFX和TCPThreadServer實現了多線程的通信，但也只是客戶端和服務器的聊天，如何做到群組的聊天？想法就是客戶A的聊天信息通過服務器轉發到同時在線的所有客戶。

具體做法是需要在服務器端新增記錄登陸客戶信息的功能，每個用戶都有自己的標識。本篇將使用簡單的“在線方式”記錄客戶套接字，即采用集合來保存用戶登陸的套接字信息，來跟蹤用戶連接。

所以，我們需要選擇一種合適的數據結構來保存用戶的Socket和用戶名信息，那在java中，提供了哪些數據結構呢？

Java常用的集合類型有：Map、List和Set。Map是保存Key-Value對，List類似數組，可保存可重復的值，而Set只保存不重復的值，相當於是只保存key，不保存value的Map。

　　如果是有用戶名、學號登錄的操作，就可以采用Map類型的集合來存儲，例如可使用key記錄用戶名+學號，value保存套接字。對於本篇的網絡聊天室的需求，需要采用Map，用來保存不同用戶的socket和登錄名。用戶套接字socket作為key來標識一個在線用戶是比較方便的選擇，因為每一個客戶端的IP地址+端口組合是不一樣的。

二、保證線程安全

　　很明顯，我們需要使用到多線程技術，而在多線程環境中，對共享資源的讀寫存在線程並發安全的問題，例如HashMap、HaspSet等都不是線程安全的，可以通過synchronized關鍵字進行加鎖，但還有更方便的方案：可以直接使用Java標准庫的java.util.concurrent包提供的線程安全的集合。例如HashMap的線程安全是 ConcurrentHashMap，HashSet的線程安全Set是CopyOnWriteArraySet。

如圖，Map繼承體系：

 在JDK1.8中，對HashMap進行了改進，當結點數量超過TREEIFY_THRESHOLD 則要轉換為紅黑樹，這樣很大優化了查詢的效率，但仍然不是線程安全的。

這里簡單了解一下，具體學習可以查詢相關資料。有了以上的基本知識，下面開始進入網絡實時聊天室的具體實現。

三、群聊核心方法

　　基於前面這樣的想法：實現群聊就是客戶A的聊天信息通過服務器轉發到同時在線的所有客戶，服務器端根據HashMap記錄登陸用戶的socket，向所有用戶轉發信息。

核心的群組發送方法sendToAllMembers，用於給所有在線客服發送信息。

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的遍歷，對其他所有用戶發送信息。

相同的原理，我們實現私聊的功能，轉化為實現的思想，也就是當前用戶和指定用戶Socket之間的通信，所以我寫了一個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);
        }
    }
}

以上兩個方法是本網絡聊天室的關鍵，后面實現的功能將是對這兩個方法的靈活運用。

四、聊天室具體設計

目前聊天室的功能定位包括：1)查看當前上線用戶;2):群聊;3)私信;4)退出當前聊天狀態;5)離線;6)查看幫助。

首先，初始化最關鍵的數據結構，作為類成員變量，HashMap用來保存Socket和用戶名：

private ConcurrentHashMap<Socket,String> users=new ConcurrentHashMap();

每個功能具體實現如下：

0、用戶登錄服務器

這里是最開始的服務器端的信息處理，需要記錄每個用戶的登錄信息，包括連接的套接字和自定義昵稱，方便后續使用。我采用的方法是當用戶連接服務器時候，提醒用戶輸入用戶名來進一步操作，也實現了不重名的判斷邏輯。代碼如下：

pw.println("From 服務器：歡迎使用服務！"); pw.println("請輸入用戶名："); String localName = null; while ((hostName=br.readLine())!=null){ users.forEach((k,v)->{ if (v.equals(hostName)) flag=true;//線程修改了全局變量
 }); if (!flag){ localName=hostName; users.put(socket,hostName); flag=false; break; } else{ flag=false; pw.println("該用戶名已存在，請修改！"); } }

登錄成功之后會向所有在線用戶告知上線信息。

1、查看當前上線用戶

其實就是將服務器端記錄在HashMap中的信息返回給請求用戶，通過約定的命令L來查看：

 
if (msg.trim().equalsIgnoreCase("L")){ users.forEach((k,v)->{ pw.println("用戶:"+v); }); continue; }

2、群聊

else if (msg.trim().equals("G")){
    pw.println("您已進入群聊。");
    while ((msg=br.readLine())!=null){
        if (!msg.equals("E")&&users.size()!=1)
            sendToMembers(msg,localName,socket);
        else if (users.size()==1){
            pw.println("當前群聊無其他用戶在線，已自動退出！");
            break;
        }
        else {
            pw.println("您已退出群組聊天室！");
            break;
        }
    }
 
}

3、私信

同理，處理邏輯變為一對一的通信，與之前服務器-客戶端一對一類似，但是這里需要更多的處理，保證邏輯正確，包括被私聊人的在線狀態，被私聊人用戶名是否正確等。

//一對一私聊
else if (msg.trim().equalsIgnoreCase("O")){
    pw.println("請輸入私信人的用戶名：");
    String name=br.readLine();
 
    //查找map中匹配的socket，與之建立通信
    //有待改進，處理輸入的用戶名不存在的情況
    users.forEach((k, v)->{
        if (v.equals(name)) {
            isExist=true;//全局變量與線程修改問題
        }
 
    });
    //已修復用戶不存在的處理邏輯
    Socket temp=null;
    for(Map.Entry<Socket,String> mapEntry : users.entrySet()){
        if(mapEntry.getValue().equals(name))
            temp = mapEntry.getKey();
//                            System.out.println(mapEntry.getKey()+":"+mapEntry.getValue()+'\n');
    }
    if (isExist){
        isExist=false;
        //私信后有一方用戶離開，另一方未知，仍然發信息而未收到回復，未處理這種情況
        while ((msg=br.readLine())!=null){
            if (!msg.equals("E")&&!isLeaved(temp))
                sendToOne(msg,localName,temp);
            else if (isLeaved(temp)){
                pw.println("對方已經離開，已斷開連接！");
                break;
            }
            else{
                pw.println("您已退出私信模式！");
                break;
            }
        }
    }
    else
        pw.println("用戶不存在！");
}

4、退出當前聊天狀態

這個功能主要融入到群聊和私聊中，可見上面兩個功能實現的內部調用，定義了一個方法isLeaved，判斷用戶是否已經下線。

//判斷用戶是否已經下線
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、離線

這個功能比較簡單，通過約定的命令執行。

if (msg.trim().equalsIgnoreCase("bye")) { pw.println("From 服務器：服務器已斷開連接，結束服務！"); users.remove(socket,localName); sendToMembers("我下線了",localName,socket); System.out.println("客戶端離開。");//加當前用戶名
     break; }

6、查看幫助

通過命令H請求服務器的幫助，是指用戶查看哪些命令對應的功能，來進行選擇。

else if (msg.trim().equalsIgnoreCase("H")){ pw.println("輸入命令功能：(1)L(list):查看當前上線用戶;(2)G(group):進入群聊;(3)O(one-one):私信;(4)E(exit):退出當前聊天狀態;(5)bye:離線;(6)H(help):幫助"); continue;//返回循環
}

五、聊天室服務完整代碼

聊天室實現主要工作在於服務端，聚焦於服務器線程處理的內部類Hanler，上面是各個功能具體介紹，下面完整給出代碼，只需要在前面文章的基礎上，見Java多線程實現多用戶與服務端Socket通信。

修改服務器端線程處理代碼：

class Handler implements Runnable {
    private Socket socket;
 
    public Handler(Socket socket) {
        this.socket = socket;
    }
 
    public void run() {
        //本地服務器控制台顯示客戶端連接的用戶信息
        System.out.println("New connection accept:" + socket.getInetAddress().getHostAddress());
        try {
            BufferedReader br = getReader(socket);
            PrintWriter pw = getWriter(socket);
 
            pw.println("From 服務器：歡迎使用服務！");
            pw.println("請輸入用戶名：");
            String localName = null;
            while ((hostName=br.readLine())!=null){
                users.forEach((k,v)->{
                    if (v.equals(hostName))
                        flag=true;//線程修改了全局變量
                });
 
                if (!flag){
                    localName=hostName;
                    users.put(socket,hostName);
                    flag=false;//可能找出不一致問題
                    break;
                }
                else{
                    flag=false;
                    pw.println("該用戶名已存在，請修改！");
                }
            }
 
//                System.out.println(hostName+": "+socket);
            sendToMembers("我已上線",localName,socket);
            pw.println("輸入命令功能：(1)L(list):查看當前上線用戶;(2)G(group):進入群聊;(3)O(one-one):私信;(4)E(exit):退出當前聊天狀態;(5)bye:離線;(6)H(help):幫助");
 
            String msg = null;
            //用戶連接服務器上線，進入聊天選擇狀態
            while ((msg = br.readLine()) != null) {
                if (msg.trim().equalsIgnoreCase("bye")) {
                    pw.println("From 服務器：服務器已斷開連接，結束服務！");
 
                    users.remove(socket,localName);
 
                    sendToMembers("我下線了",localName,socket);
                    System.out.println("客戶端離開。");//加當前用戶名
                    break;
                }
                else if (msg.trim().equalsIgnoreCase("H")){
                    pw.println("輸入命令功能：(1)L(list):查看當前上線用戶;(2)G(group):進入群聊;(3)O(one-one):私信;(4)E(exit):退出當前聊天狀態;(5)bye:離線;(6)H(help):幫助");
                    continue;//返回循環
                }
                else if (msg.trim().equalsIgnoreCase("L")){
                    users.forEach((k,v)->{
                        pw.println("用戶:"+v);
                    });
                    continue;
                }
                //一對一私聊
                else if (msg.trim().equalsIgnoreCase("O")){
                    pw.println("請輸入私信人的用戶名：");
                    String name=br.readLine();
 
                    //查找map中匹配的socket，與之建立通信
                    users.forEach((k, v)->{
                        if (v.equals(name)) {
                            isExist=true;//全局變量與線程修改問題
                        }
 
                    });
                    //已修復用戶不存在的處理邏輯
                    Socket temp=null;
                    for(Map.Entry<Socket,String> mapEntry : users.entrySet()){
                        if(mapEntry.getValue().equals(name))
                            temp = mapEntry.getKey();
                    }
                    if (isExist){
                        isExist=false;
                        //私信后有一方用戶離開，另一方未知，仍然發信息而未收到回復，未處理這種情況
                        while ((msg=br.readLine())!=null){
                            if (!msg.equals("E")&&!isLeaved(temp))
                                sendToOne(msg,localName,temp);
                            else if (isLeaved(temp)){
                                pw.println("對方已經離開，已斷開連接！");
                                break;
                            }
                            else{
                                pw.println("您已退出私信模式！");
                                break;
                            }
                        }
                    }
                    else
                        pw.println("用戶不存在！");
                }
                //選擇群聊
                else if (msg.trim().equals("G")){
                    pw.println("您已進入群聊。");
                    while ((msg=br.readLine())!=null){
                        if (!msg.equals("E")&&users.size()!=1)
                            sendToMembers(msg,localName,socket);
                        else if (users.size()==1){
                            pw.println("當前群聊無其他用戶在線，已自動退出！");
                            break;
                        }
                        else {
                            pw.println("您已退出群組聊天室！");
                            break;
                        }
                    }
 
                }
                else
                    pw.println("請選擇聊天狀態！");
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            try {
                if (socket != null)
                    socket.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

六、效果演示：TCP網絡實時聊天室

首先，開啟多個客戶端，連接服務器開始進入通信狀態。

下面動圖演示了幾個基本功能，可以看到三個用戶實現了實時通信聊天，包括群聊和私聊功能。其他功能就留給大家去探索。

結語

　　系列文章從入門開始，不斷完善C/S架構的Socket通信，回憶一下，首先是實現了Server和Client的互相通信，在這個過程發現問題，接着就使用多線程技術解決客戶端實時接收信息的問題，后來到了服務器端，發現多用戶連接服務器的“先到先得”問題，“后到者”無法正常通信，所以再使用線程池技術解決了多用戶服務器的問題。

　　本篇基本實現了一個簡單的客戶端-服務器應用，使用客戶端-服務器（C/S架構），結合多線程技術，模擬類似QQ、微信聊天功能，實現一個網絡實時聊天室。

學習到的知識有：多線程、線程池、Socket通信、TCP協議、HashMap、JavaFX等，所有知識的結合運用，並通過實戰練習，一步步理解知識！

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Java實現socket通信網絡編程系列文章：

1. UDP協議網絡Socket編程(java實現C/S通信案例) 
2. Java：基於TCP協議網絡socket編程(實現C/S通信) 
3. Java多線程實現TCP網絡Socket編程(C/S通信)
4. Java多線程技術：實現多用戶服務端Socket通信

 

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