面试突击：什么是粘包和半包？怎么解决？

粘包和半包问题是数据传输中比较常见的问题，所谓的粘包问题是指数据在传输时，在一条消息中读取到了另一条消息的部分数据，这种现象就叫做粘包。比如发送了两条消息，分别为“ABC”和“DEF”，那么正常情况下接收端也应该收到两条消息“ABC”和“DEF”，但接收端却收到的是“ABCD”，像这种情况就叫做粘包，如下图所示：

半包问题是指接收端只收到了部分数据，而非完整的数据的情况就叫做半包。比如发送了一条消息是“ABC”，而接收端却收到的是“AB”和“C”两条信息，这种情况就叫做半包，如下图所示：

PS：大部分情况下我们都把粘包问题和半包问题看成同一个问题，所以下文就用“粘包”问题来替代“粘包”和“半包”问题。

1.为什么会有粘包问题？

粘包问题发生在 TCP/IP 协议中，因为 TCP 是面向连接的传输协议，它是以“流”的形式传输数据的，而“流”数据是没有明确的开始和结尾边界的，所以就会出现粘包问题。

2.粘包问题代码演示

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问题。服务器端代码实现如下：

/**
 * 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(8888);
        // 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;
            }
        }
    }
}

客户端实现代码如下：

/**
 * 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", 8888);
        // 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());
            }
        }
    }
}

以上程序的执行结果如下图所示：

通过上述结果我们可以看出，服务器端发生了粘包问题，因为客户端发送了 10 次固定的“Hi,Java.”的消息，正确的结果应该是服务器端也接收到了 10 次固定消息“Hi,Java.”才对，但实际执行结果并非如此。

3.解决方案

粘包问题的常见解决方案有以下 3 种：

  • 发送方和接收方固定发送数据的大小，当字符长度不够时用空字符弥补，有了固定大小之后就知道每条消息的具体边界了，这样就没有粘包的问题了；
  • 在 TCP 协议的基础上封装一层自定义数据协议，在自定义数据协议中，包含数据头（存储数据的大小）和 数据的具体内容，这样服务端得到数据之后，通过解析数据头就可以知道数据的具体长度了，也就没有粘包的问题了；
  • 以特殊的字符结尾，比如以“\n”结尾，这样我们就知道数据的具体边界了，从而避免了粘包问题（推荐方案）。

解决方案1：固定数据大小

收、发固定大小的数据，服务器端的实现代码如下：

/**
* 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;
         }
     }
 }
}

客户端的实现代码如下：

/**
* 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问题，但这种固定数据大小的传输方式，当数据量比较小时会使用空字符来填充，所以会额外的增加网络传输的负担，因此不是理想的解决方案。

解决方案2：自定义请求协议

这种解决方案的实现思路是将请求的数据封装为两部分：消息头（发送的数据大小）+消息体（发送的具体数据），它的格式如下图所示：

此解决方案的实现分为以下 3 部分：

  • 编写一个消息封装类
  • 编写客户端
  • 编写服务器端

接下来我们一一来实现。

① 消息封装类

消息的封装类中提供了两个方法：一个是将消息转换成消息头 + 消息体的方法，另一个是读取消息头的方法，具体实现代码如下：

/**
 * 消息封装类
 */
class SocketPacket {
    // 消息头存储的长度(占 8 字节)
    static final int HEAD_SIZE = 8;

    /**
     * 将协议封装为:协议头 + 协议体
     * @param context 消息体(String 类型)
     * @return byte[]
     */
    public byte[] toBytes(String context) {
        // 协议体 byte 数组
        byte[] bodyByte = context.getBytes();
        int bodyByteLength = bodyByte.length;
        // 最终封装对象
        byte[] result = new byte[HEAD_SIZE + bodyByteLength];
        // 借助 NumberFormat 将 int 转换为 byte[]
        NumberFormat numberFormat = NumberFormat.getNumberInstance();
        numberFormat.setMinimumIntegerDigits(HEAD_SIZE);
        numberFormat.setGroupingUsed(false);
        // 协议头 byte 数组
        byte[] headByte = numberFormat.format(bodyByteLength).getBytes();
        // 封装协议头
        System.arraycopy(headByte, 0, result, 0, HEAD_SIZE);
        // 封装协议体
        System.arraycopy(bodyByte, 0, result, HEAD_SIZE, bodyByteLength);
        return result;
    }

    /**
     * 获取消息头的内容(也就是消息体的长度)
     * @param inputStream
     * @return     */
    public int getHeader(InputStream inputStream) throws IOException {
        int result = 0;
        byte[] bytes = new byte[HEAD_SIZE];
        inputStream.read(bytes, 0, HEAD_SIZE);
        // 得到消息体的字节长度
        result = Integer.valueOf(new String(bytes));
        return result;
    }
}

② 客户端

客户端中我们添加一组待发送的消息，随机给服务器端发送一个消息，实现代码如下：

/**
 * 客户端
 */
class MySocketClient {
    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", 9093);
        // 发送消息合集（随机发送一条消息）
        final String[] message = {"Hi,Java.", "Hi,SQL~", "关注公众号|Java中文社群."};
        // 创建协议封装对象
        SocketPacket socketPacket = new SocketPacket();
        try (OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()) {
            // 给服务器端发送 10 次消息
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                // 随机发送一条消息
                String msg = message[new Random().nextInt(message.length)];
                // 将内容封装为:协议头+协议体
                byte[] bytes = socketPacket.toBytes(msg);
                // 发送消息
                outputStream.write(bytes, 0, bytes.length);
                outputStream.flush();
            }
        }
    }
}

③ 服务器端

服务器端使用线程池来处理每个客户端的业务请求，实现代码如下：

/**
 * 服务器端
 */
class MySocketServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创建 Socket 服务器端
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(9093);
        // 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(() -> {
            // 客户端消息处理
            processMessage(clientSocket);
        });
    }
    /**
     * 客户端消息处理
     * @param clientSocket
     */
    private static void processMessage(Socket clientSocket) {
        // Socket 封装对象
        SocketPacket socketPacket = new SocketPacket();
        // 获取客户端发送的消息对象
        try (InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream()) {
            while (true) {
                // 获取消息头(也就是消息体的长度)
                int bodyLength = socketPacket.getHeader(inputStream);
                // 消息体 byte 数组
                byte[] bodyByte = new byte[bodyLength];
                // 每次实际读取字节数
                int readCount = 0;
                // 消息体赋值下标
                int bodyIndex = 0;
                // 循环接收消息头中定义的长度
                while (bodyIndex <= (bodyLength - 1) &&
                        (readCount = inputStream.read(bodyByte, bodyIndex, bodyLength)) != -1) {
                    bodyIndex += readCount;
                }
                bodyIndex = 0;
                // 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:" + new String(bodyByte));
            }
        } catch (IOException ioException) {
            System.out.println(ioException.getMessage());
        }
    }
}

以上程序的执行结果如下：

从上述结果可以看出，消息通讯正常，客户端和服务器端的交互中并没有出现粘包问题。

优缺点分析

此解决方案虽然可以解决粘包问题，但消息的设计和代码的实现复杂度比较高，所以也不是理想的解决方案。

解决方案3：特殊字符结尾

以特殊字符结尾就可以知道流的边界了，它的具体实现是：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();
            }
        }
    }
}

以上代码的执行结果如下图所示：

优缺点分析

以特殊符号作为粘包的解决方案的最大优点是实现简单，但存在一定的局限性，比如当一条消息中间如果出现了结束符就会造成半包的问题，所以如果是复杂的字符串要对内容进行编码和解码处理，这样才能保证结束符的正确性。

总结

粘包和半包问题是数据传输中比较常见的问题，它的解决方案有很多，比较常见的解决方案有：设置固定的数据传输大小、自定义请求协议的封装，在请求头中加入传输数据的长度、使用特殊符号作为结束符等。

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