JVM的ServerSocket是怎么实现的(上)

作者:超人汪小建(seaboat)

出处:https://blog.csdn.net/wangyangzhizhou/column/info/16032


概况

JDK 为我们提供了 ServerSocket 类作为服务端套接字的实现,通过它可以让主机监听某个端口而接收其他端的请求,处理完后还可以对请求端做出响应。它的内部真正实现是通过 SocketImpl 类来实现的,它提供了工厂模式,所以如果自己想要其他的实现也可以通过工厂模式来改变的。

继承结构

    --java.lang.Object
      --java.net.ServerSocket

相关类图

前面说到 ServerSocket 类真正的实现是通过 SocketImpl 类,于是可以看到它使用了 SocketImpl 类,但由于 windows 和 unix-like 系统有差异,而 windows 不同的版本也需要做不同的处理,所以两类系统的类不尽相同。

下图是 windows 的类图关系, SocketImpl 类实现了 SocketOptions 接口,接着还派生出了一系列的子类,其中 AbstractPlainSocketImpl 是原始套接字的实现的一些抽象,而 PlainSocketImpl 类是一个代理类,由它代理 TwoStacksPlainSocketImpl 和 DualStackPlainSocketImpl 两种不同实现。存在两种实现的原因是一个用于处理 Windows Vista 以下的版本,另一个用于处理 Windows Vista 及以上的版本。
2019070528_1.png

比起 windows 的实现,unix-like 的实现则不会这么繁琐,它不存在版本的问题,所以它直接由 PlainSocketImpl 类实现,此外,可以看到两类操作系统都还存在一个 SocksSocketImpl 类,它其实主要是实现了防火墙安全会话转换协议,包括 SOCKS V4 和 V5 。

2019070527_2.png

根据上面可以看到其实对于不同系统就是需要做差异处理,基本都是大同小异,下面涉及到套接字实现均以 Windows Vista 及以上的版本为例进行分析。

类定义

    public class ServerSocket implements java.io.Closeable

ServerSocket 类的声明很简单,实现了 Closeable 接口,该接口只有一个close方法。

主要属性

    private boolean created = false;
    private boolean bound = false;
    private boolean closed = false;
    private Object closeLock = new Object();
    private SocketImpl impl;
    private boolean oldImpl = false;
  • created 表示是否已经创建了 SocketImpl 对象,ServerSocket 需要依赖该对象实现套接字操作。
  • bound 是否已绑定地址和端口。
  • closed 是否已经关闭套接字。
  • closeLock 关闭套接字时用的锁。
  • impl 真正的套接字实现对象。
  • oldImpl 是不是使用旧的实现。

主要方法

构造函数

有五类构造函数,可以什么参数都不传,也可以传入 SocketImpl、端口、backlog和地址等。主要看一下最后一个构造函数,setImpl 方法用于设置实现对象,然后检查端口大小是否正确,检查 backlog 小于0就让它等于50,最后进行端口和地址绑定操作。

    ServerSocket(SocketImpl impl) {
            this.impl = impl;
            impl.setServerSocket(this);
        }

    public ServerSocket() throws IOException {
            setImpl();
        }

    public ServerSocket(int port) throws IOException {
            this(port, 50, null);
        }

    public ServerSocket(int port, int backlog) throws IOException {
            this(port, backlog, null);
        }

    public ServerSocket(int port, int backlog, InetAddress bindAddr) throws IOException {
            setImpl();
            if (port < 0 || port > 0xFFFF)
                throw new IllegalArgumentException(
                           "Port value out of range: " + port);
            if (backlog < 1)
              backlog = 50;
            try {
                bind(new InetSocketAddress(bindAddr, port), backlog);
            } catch(SecurityException e) {
                close();
                throw e;
            } catch(IOException e) {
                close();
                throw e;
            }
        }    

setImpl方法

设置套接字实现对象,这里提供了工厂模式可以方便的对接其他的实现,而默认是没有工厂对象的,所以模式的实现为 SocksSocketImpl 对象。

    private void setImpl() {
            if (factory != null) {
                impl = factory.createSocketImpl();
                checkOldImpl();
            } else {
                impl = new SocksSocketImpl();
            }
            if (impl != null)
                impl.setServerSocket(this);
        }

createImpl方法

该方法用于创建套接字实现对象,如果实现对象为空则先调用setImpl方法设置一下,接着调用套接字实现对象的create方法创建套接字。

    void createImpl() throws SocketException {
            if (impl == null)
                setImpl();
            try {
                impl.create(true);
                created = true;
            } catch (IOException e) {
                throw new SocketException(e.getMessage());
            }
        }

create方法干了些啥?它的实现逻辑在 AbstractPlainSocketImpl 类中,这里会传入一个 boolean 类型的 stream 变量,这里其实用来标识是 udp 还是 tcp 协议,stream 即是流,tcp是基于连接的,自然存在流的抽象。而 udp 是非连接的非流的。

两类连接是通过 boolean 类型来标识的,true 为 tcp,false 为 udp,再通过 socketCreate 方法传入到本地实现中,在此之前两者都会创建 FileDescriptor 对象作为套接字的引用,FileDescriptor 为文件描述符,可以用来描述文件、套接字和资源等。另外,udp 协议时还会通过 ResourceManager.beforeUdpCreate()来统计虚拟机 udp 套接字数量,超过指定最大值则会抛出异常,默认值为25。最后将套接字的 created 标识设为 true,对应 Java 中抽象的客户端套接字 Socket 对象和服务端套接字 ServerSocket 对象。

    protected synchronized void create(boolean stream) throws IOException {
            this.stream = stream;
            if (!stream) {
                ResourceManager.beforeUdpCreate();
                fd = new FileDescriptor();
                try {
                    socketCreate(false);
                } catch (IOException ioe) {
                    ResourceManager.afterUdpClose();
                    fd = null;
                    throw ioe;
                }
            } else {
                fd = new FileDescriptor();
                socketCreate(true);
            }
            if (socket != null)
                socket.setCreated();
            if (serverSocket != null)
                serverSocket.setCreated();
        }

往下看上面调用的socketCreate方法的逻辑,判断文件描述符不能为空,再调用本地socket0方法,最后将得到的句柄关联到文件描述符对象上。

    void socketCreate(boolean stream) throws IOException {
            if (fd == null)
                throw new SocketException("Socket closed");

            int newfd = socket0(stream, false /*v6 Only*/);

            fdAccess.set(fd, newfd);
        }

    static native int socket0(boolean stream, boolean v6Only) throws IOException;

接着看本地方法socket0的实现,逻辑为:
1. 通过调用NET_Socket函数创建套接字句柄,其中通过 Winsock 库的 socket函数创建句柄,并且通过SetHandleInformation函数设置句柄的继承标志。这里可以看到根据 stream 标识对应的类别为SOCK_STREAMSOCK_DGRAM。如果句柄是无效的则抛出 create 异常。
2. 然后通过setsockopt函数设置套接字的选项值,如果发生错误则抛出 create 异常。
3. 最后再次通过SetHandleInformation设置句柄的继承标志,返回句柄。

    JNIEXPORT jint JNICALL Java_java_net_DualStackPlainSocketImpl_socket0
      (JNIEnv *env, jclass clazz, jboolean stream, jboolean v6Only /*unused*/) {
        int fd, rv, opt=0;

        fd = NET_Socket(AF_INET6, (stream ? SOCK_STREAM : SOCK_DGRAM), 0);
        if (fd == INVALID_SOCKET) {
            NET_ThrowNew(env, WSAGetLastError(), "create");
            return -1;
        }

        rv = setsockopt(fd, IPPROTO_IPV6, IPV6_V6ONLY, (char *) &opt, sizeof(opt));
        if (rv == SOCKET_ERROR) {
            NET_ThrowNew(env, WSAGetLastError(), "create");
        }

        SetHandleInformation((HANDLE)(UINT_PTR)fd, HANDLE_FLAG_INHERIT, FALSE);

        return fd;
    }

    int NET_Socket (int domain, int type, int protocol) {
        SOCKET sock;
        sock = socket (domain, type, protocol);
        if (sock != INVALID_SOCKET) {
            SetHandleInformation((HANDLE)(uintptr_t)sock, HANDLE_FLAG_INHERIT, FALSE);
        }
        return (int)sock;
    }

bind方法

该方法用于将套接字绑定到指定的地址和端口上,如果 SocketAddress 为空,即代表地址和端口都不指定,此时系统会将套接字绑定到所有有效的本地地址,且动态生成一个端口。逻辑如下:
1. 判断是否已关闭,关闭则抛SocketException("Socket is closed")
2. 判断是否已绑定,绑定则抛SocketException("Already bound")
3. 判断地址是否为空,为空则创建一个 InetSocketAddress,默认是所有有效的本地地址,对应的为0.0.0.0,而端口默认为0,由操作系统动态生成。
4. 判断对象是否为 InetSocketAddress 类型,不是则抛IllegalArgumentException("Unsupported address type")
5. 判断地址是否已经有值了,没有则抛SocketException("Unresolved address")
6. backlog 如果小于1则设为50。
7. 通过安全管理器检查端口。
8. 通过套接字实现对象调用bindlisten方法。
9. bound 标识设为 true。

    public void bind(SocketAddress endpoint) throws IOException {
            bind(endpoint, 50);
        }

    public void bind(SocketAddress endpoint, int backlog) throws IOException {
            if (isClosed())
                throw new SocketException("Socket is closed");
            if (!oldImpl && isBound())
                throw new SocketException("Already bound");
            if (endpoint == null)
                endpoint = new InetSocketAddress(0);
            if (!(endpoint instanceof InetSocketAddress))
                throw new IllegalArgumentException("Unsupported address type");
            InetSocketAddress epoint = (InetSocketAddress) endpoint;
            if (epoint.isUnresolved())
                throw new SocketException("Unresolved address");
            if (backlog < 1)
              backlog = 50;
            try {
                SecurityManager security = System.getSecurityManager();
                if (security != null)
                    security.checkListen(epoint.getPort());
                getImpl().bind(epoint.getAddress(), epoint.getPort());
                getImpl().listen(backlog);
                bound = true;
            } catch(SecurityException e) {
                bound = false;
                throw e;
            } catch(IOException e) {
                bound = false;
                throw e;
            }
        }

套接字实现对象的bind方法会间接调用socketBind方法,逻辑如下:
1. 获取本地文件描述符 nativefd。
2. 判断地址是否为空。
3. 调用bind0本地方法。
4. 如果端口为0还会调用localPort0本地方法获取本地端口赋值给套接字实现对象的 localport 属性上,目的是获取操作系统动态生成的端口。

    void socketBind(InetAddress address, int port) throws IOException {
            int nativefd = checkAndReturnNativeFD();

            if (address == null)
                throw new NullPointerException("inet address argument is null.");

            bind0(nativefd, address, port, exclusiveBind);
            if (port == 0) {
                localport = localPort0(nativefd);
            } else {
                localport = port;
            }

            this.address = address;
        }
    static native void bind0(int fd, InetAddress localAddress, int localport, boolean exclBind)

    static native int localPort0(int fd) throws IOException;

bind0本地方法逻辑如下,
1. 通过NET_InetAddressToSockaddr函数将 Java 层的 InetAddress 对象的属性值填充到 SOCKETADDRESS 联合体中,对应的都是 Winsock 库的结构体,目的即是为了填充好它们。

    typedef union {
        struct sockaddr     sa;
        struct sockaddr_in  sa4;
        struct sockaddr_in6 sa6;
    } SOCKETADDRESS;
  1. NET_WinBind函数的逻辑是先根据 exclBind 标识看是否需要独占端口,如果需要则通过 Winsock 库的setsockopt函数设置SO_EXCLUSIVEADDRUSE选型,在 Java 层中决定独不独占端口可以通过sun.net.useExclusiveBind参数来配置,默认情况下是独占的。接着,通过操作系统的bind函数完成绑定操作。
  2. 如果绑定失败则抛异常。
    JNIEXPORT void JNICALL Java_java_net_DualStackPlainSocketImpl_bind0
      (JNIEnv *env, jclass clazz, jint fd, jobject iaObj, jint port,
       jboolean exclBind)
    {
        SOCKETADDRESS sa;
        int rv, sa_len = 0;

        if (NET_InetAddressToSockaddr(env, iaObj, port, &sa,
                                      &sa_len, JNI_TRUE) != 0) {
          return;
        }

        rv = NET_WinBind(fd, &sa, sa_len, exclBind);

        if (rv == SOCKET_ERROR)
            NET_ThrowNew(env, WSAGetLastError(), "NET_Bind");
    }

localPort0本地方法的实现主要是先通过 Winsock 库的getsockname函数获取套接字地址,然后通过ntohs函数将网络字节转成主机字节并转为 int 型。

    JNIEXPORT jint JNICALL Java_java_net_DualStackPlainSocketImpl_localPort0
      (JNIEnv *env, jclass clazz, jint fd) {
        SOCKETADDRESS sa;
        int len = sizeof(sa);

        if (getsockname(fd, &sa.sa, &len) == SOCKET_ERROR) {
            if (WSAGetLastError() == WSAENOTSOCK) {
                JNU_ThrowByName(env, JNU_JAVANETPKG "SocketException",
                        "Socket closed");
            } else {
                NET_ThrowNew(env, WSAGetLastError(), "getsockname failed");
            }
            return -1;
        }
        return (int) ntohs((u_short)GET_PORT(&sa));
    }

套接字实现对象的listen方法会间接调用socketListen方法,逻辑比较简单,获取本地的文件描述符然后调用listen0本地方法。可以看到本地方法很简单,仅仅是调用了 Winsock 库的listen函数来完成监听操作。

    void socketListen(int backlog) throws IOException {
            int nativefd = checkAndReturnNativeFD();

            listen0(nativefd, backlog);
        }

    static native void listen0(int fd, int backlog) throws IOException;

    JNIEXPORT void JNICALL Java_java_net_DualStackPlainSocketImpl_listen0
      (JNIEnv *env, jclass clazz, jint fd, jint backlog) {
        if (listen(fd, backlog) == SOCKET_ERROR) {
            NET_ThrowNew(env, WSAGetLastError(), "listen failed");
        }
    }

accept方法

该方法用于接收套接字连接,套接字开启监听后会阻塞等待套接字连接,一旦有连接可接收了则通过该方法进行接收操作。逻辑为,
1. 判断套接字是否已经关闭。
2. 判断套接字是否已经绑定。
3. 创建 Socket 对象,并调用implAccept方法,
4. 返回 Socket 对象。

    public Socket accept() throws IOException {
            if (isClosed())
                throw new SocketException("Socket is closed");
            if (!isBound())
                throw new SocketException("Socket is not bound yet");
            Socket s = new Socket((SocketImpl) null);
            implAccept(s);
            return s;
        }

implAccept方法逻辑为,
1. 传入的 Socket 对象里面的套接字实现如果为空,则通过setImpl方法设置套接字实现,如果非空就执行reset操作。
2. 调用套接字实现对象的accept方法完成接收操作,做这一步是因为我们的 Socket 对象里面的 SocketImpl 对象还差操作系统底层的套接字对应的文件描述符。
3. 调用安全管理器检查权限。
4. 得到完整的 SocketImpl 对象,赋值给 Socket 对象,并且调用postAccept方法将 Socket 对象设置为已创建、已连接、已绑定。

    protected final void implAccept(Socket s) throws IOException {
            SocketImpl si = null;
            try {
                if (s.impl == null)
                  s.setImpl();
                else {
                    s.impl.reset();
                }
                si = s.impl;
                s.impl = null;
                si.address = new InetAddress();
                si.fd = new FileDescriptor();
                getImpl().accept(si);

                SecurityManager security = System.getSecurityManager();
                if (security != null) {
                    security.checkAccept(si.getInetAddress().getHostAddress(),
                                         si.getPort());
                }
            } catch (IOException e) {
                if (si != null)
                    si.reset();
                s.impl = si;
                throw e;
            } catch (SecurityException e) {
                if (si != null)
                    si.reset();
                s.impl = si;
                throw e;
            }
            s.impl = si;
            s.postAccept();
        }

套接字实现对象的accept方法主要调用如下的socketAccept方法,逻辑为,
1. 获取操作系统的文件描述符。
2. SocketImpl 对象为空则抛出NullPointerException("socket is null")
3. 如果 timeout 小于等于0则直接调用本地accept0方法,一直阻塞。
4. 反之,如果 timeout 大于0,即设置了超时,那么会先调用configureBlocking本地方法,该方法用于将指定套接字设置为非阻塞模式。接着调用waitForNewConnection本地方法,如果在超时时间内能获取到新的套接字,则调用accept0方法获取新套接字的句柄,获取成功后再次调用configureBlocking本地方法将新套接字设置为阻塞模式。最后,如果非阻塞模式失败了,则将原来的套接字设置会紫塞模式,这里使用了 finally,所以能保证就算发生异常也能被执行。
5. 最后将获取到的新文件描述符赋给 SocketImpl 对象,同时也将远程端口、远程地址、本地端口等都赋给它相关变量。

    void socketAccept(SocketImpl s) throws IOException {
            int nativefd = checkAndReturnNativeFD();
            if (s == null)
                throw new NullPointerException("socket is null");
            int newfd = -1;
            InetSocketAddress[] isaa = new InetSocketAddress[1];
            if (timeout <= 0) {
                newfd = accept0(nativefd, isaa);
            } else {
                configureBlocking(nativefd, false);
                try {
                    waitForNewConnection(nativefd, timeout);
                    newfd = accept0(nativefd, isaa);
                    if (newfd != -1) {
                        configureBlocking(newfd, true);
                    }
                } finally {
                    configureBlocking(nativefd, true);
                }
            }
            fdAccess.set(s.fd, newfd);
            InetSocketAddress isa = isaa[0];
            s.port = isa.getPort();
            s.address = isa.getAddress();
            s.localport = localport;
        }

configureBlocking本地方法逻辑很简单,如下,核心就是通过调用 Winsock 库的ioctlsocket函数来设置套接字为阻塞还是非阻塞,根据 blocking 标识。

    JNIEXPORT void JNICALL Java_java_net_DualStackPlainSocketImpl_configureBlocking
      (JNIEnv *env, jclass clazz, jint fd, jboolean blocking) {
        u_long arg;
        int result;

        if (blocking == JNI_TRUE) {
            arg = SET_BLOCKING;    // 0
        } else {
            arg = SET_NONBLOCKING;   // 1
        }

        result = ioctlsocket(fd, FIONBIO, &arg);
        if (result == SOCKET_ERROR) {
            NET_ThrowNew(env, WSAGetLastError(), "configureBlocking");
        }
    }

waitForNewConnection本地方法逻辑如下,核心是通过 Winsock 库的select函数来实现超时的功能,它会等待 timeout 时间看指定的文件描述符是否有活动,超时了的话则会返回0,此时向 Java 层抛出 SocketTimeoutException 异常。而如果返回了-1则表示套接字已经关闭了,抛出 SocketException 异常。如果返回-2则抛出 InterruptedIOException。

    JNIEXPORT void JNICALL Java_java_net_DualStackPlainSocketImpl_waitForNewConnection
      (JNIEnv *env, jclass clazz, jint fd, jint timeout) {
        int rv;

        rv = NET_Timeout(fd, timeout);
        if (rv == 0) {
            JNU_ThrowByName(env, JNU_JAVANETPKG "SocketTimeoutException",
                            "Accept timed out");
        } else if (rv == -1) {
            JNU_ThrowByName(env, JNU_JAVANETPKG "SocketException", "socket closed");
        } else if (rv == -2) {
            JNU_ThrowByName(env, JNU_JAVAIOPKG "InterruptedIOException",
                            "operation interrupted");
        }
    }

    JNIEXPORT int JNICALL
    NET_Timeout(int fd, long timeout) {
        int ret;
        fd_set tbl;
        struct timeval t;
        t.tv_sec = timeout / 1000;
        t.tv_usec = (timeout % 1000) * 1000;
        FD_ZERO(&tbl);
        FD_SET(fd, &tbl);
        ret = select (fd + 1, &tbl, 0, 0, &t);
        return ret;
    }

accept0本地方法实现逻辑为,
1. 通过C语言的memset函数将 SOCKETADDRESS 联合体对应的结构体内的值设置为0。
2. 通过 Winsock 库的accept函数获取套接字地址。
3. 判断接收的套接字描述符是否无效,分别可能抛 InterruptedIOException 或 SocketException 异常。
4. 通过SetHandleInformation函数设置句柄的继承标志。
5. NET_SockaddrToInetAddress函数用于将得到的套接字转换成 Java 层的 InetAddress 对象。
6. 将生成的 InetAddress 对象用于生成 Java 层的 InetSocketAddress 对象。
7. 赋值给 Java 层的 InetSocketAddress 数组对象。
8. 返回新接收的套接字的文件描述符。

    JNIEXPORT jint JNICALL Java_java_net_DualStackPlainSocketImpl_accept0
      (JNIEnv *env, jclass clazz, jint fd, jobjectArray isaa) {
        int newfd, port=0;
        jobject isa;
        jobject ia;
        SOCKETADDRESS sa;
        int len = sizeof(sa);

        memset((char *)&sa, 0, len);
        newfd = accept(fd, &sa.sa, &len);

        if (newfd == INVALID_SOCKET) {
            if (WSAGetLastError() == -2) {
                JNU_ThrowByName(env, JNU_JAVAIOPKG "InterruptedIOException",
                                "operation interrupted");
            } else {
                JNU_ThrowByName(env, JNU_JAVANETPKG "SocketException",
                                "socket closed");
            }
            return -1;
        }

        SetHandleInformation((HANDLE)(UINT_PTR)newfd, HANDLE_FLAG_INHERIT, 0);

        ia = NET_SockaddrToInetAddress(env, &sa, &port);
        isa = (*env)->NewObject(env, isa_class, isa_ctorID, ia, port);
        (*env)->SetObjectArrayElement(env, isaa, 0, isa);

        return newfd;
    }
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