上位机与下位机交互--让socket不"死"

需求说明：

下位机是plc，西门子1200

下位机只能做服务器端，监听一个端口，不能主动给客户端发送消息（原计划是上位机也是监听一个端口，供下位机来访问，上传数据，结果现实很骨感）

上位机（pc）充当客户端，可以主动连接下位机交换信息

具体需求：

1，上位机给下位机下达工作数据

（比如下位机是生产纸张，上位机需要发给下位机纸张的尺寸，数量等数据）

2，下位机会在某个特定的时间“发送”数据，供上位机“接收”

(注意  “发送” 是加上引号的，因为服务器（下位机）是不能主动给客户端（上位机，pc）发送数据的,这是此文需要解决的问题）

需求1毫无难度，直接在用户在上位机点击下单，上位机即可创建一个socket将相关数据下传即可

重点来看看需求2;

可以想象为服务器与客户端（浏览器）

不妨以秒杀为例，

客户端（浏览器）提交秒杀请求（相当于这里的上位机给下位机下单），由于秒杀并发很大，不能实时返回数据（一般是异步下单，这里不深究）

客户端如果需要知道秒杀的结果，会在浏览器（客户端）通过轮询查询订单状态（如果有，则表示下单成功）

在需求2中，“客户端” 就指的是上位机创建的“socket”,socket是唯一和下位机沟通的途径，而且下位机不能创建socket，主动发数据给上位机，那么上位机创建得到socket，能否让他成为一个永久的客户端，上位机定时的取这个socket里的数据呢？？

答案是肯定的：

思路：

将socket封装成一个单例，需求1和需求2中的客户端（上位机的socket） 使用同一个socket

问题又来了：

问题1：

如果上位机正在给下位机下传工作信息，下位机恰好也在此时完成了一些工作，将工作状态通过socket（由上位机创建的）发送数据，那么会有可能出现冲突，有点乱套

解决：

尝试加锁，让这个socket同一时间只能用在  过程1 （ 上位机给下位机下传工作数据）

                                                                           或者 过程2（上位机周期读取socket中的数据（也就是下位机返回的工作完成情况这些数据）），

通过加锁：让这一个socket在某一个时刻，只能用于过程1或者过程2

问题2：

如果socket挂掉了？该如何获取与下位机的交互数据的“要道” 呢？？

解决：

封装后的socket单例类，在使用socket读、写时，加上try catch 捕捉  SocketException，出现此异常，socket连接就是断开了，重新是用封装好的单例类的getInstance方法获取 socket对象，重建连接

此单例实现代码如下：

其中需要注意的是：

1，Semphore这一锁（信号量），参数指定此锁允许最多同时被多少个线程使用某一个资源（或者是资源的个数）

2，isDead 标记，用来标记当前单例对象是否断开（socket）,如果是断开的，在getInstance是对其做了判断

如果没有单例对象，或者单例对象标记为“死亡”，那么就创建新的单例对象

第2点保证了，同一时刻，只能有一个线程使用socket

第2点保证了，socket的持久通信，及时下位机重启或者其他原因导致socket连接中断，也能重新创建连接

/**
 * socket单例  用于维系上位机与下位机的通信
 * 需要保证是同一个socket，并且需要注意锁的问题
 */
public class SocketSingleton extends Socket{
    //只允同时一个线程访问此单例
    public static Semaphore singletonLock=new Semaphore(1);
    private boolean isLocked;//标记单例是否被锁住，有Semaphore，这里就可以省略了
    private volatile  boolean isDead;//标记单例是否死亡
    private static SocketSingleton ourInstance=null;

    private SocketSingleton() throws IOException {
            super(WINDER_IP,WINDER_PORT);
             isDead=false;
            ourInstance=this;
            isLocked=false;
    }

    /**
     * 获取锁
     */
   public synchronized  void  getLock(){
        this.isLocked=true;
   }

    /**
     * 释放锁
     */
   public synchronized  void  releaseLock(){
        this.isLocked=false;
   }

    /**
     *
     * @return 检测锁
     */
    public synchronized  boolean checkIfLock(){
        return this.isLocked;
    }

    /**
     *   kill 连接异常的socket
     */

    public static void killSingleton(){
        ourInstance.isDead=true;
    }
    /**
     *
     * @return
     * @throws IOException
     * 如果当前单例的socket是dead，就创建新的socket
     */
    public synchronized static SocketSingleton getInstance() throws IOException {
        return (Objects.isNull(ourInstance)||ourInstance.isDead) ? new SocketSingleton():ourInstance;
  }
}

使用：

以下位机状态“返回“”为例”

1 先获取锁（获取资源）

2  业务操作

3 再释放锁（释放资源）

 @Scheduled(cron = "0/10 * * * * ?")
    @Transactional(rollbackFor = Exception.class)
    public void myTestWork() throws IOException, InterruptedException {

        TubeServiceWithPC2Winder tubeServiceWithPC2Winder = new TubeServiceWithPC2Winder();
        log.info("定时器启动！{}", new Timestamp(System.currentTimeMillis()));
        SocketSingleton socket=SocketSingleton.getInstance();

       try{
//理解为获取锁，或者是获取资源，如果没有，这里会阻塞吗，直到其他线程将资源释放，这里才会往下进行
           SocketSingleton.singletonLock.acquire();
        log.info("状态交互获取到锁  singletonLock:{}",new Timestamp(System.currentTimeMillis()));

 
           socket.setSoTimeout( SOCKET_TIME_READ_timeout);
           log.info("状态交互 hashcode：{}",socket.hashCode());
           InputStream inputStream = socket.getInputStream();
           OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
           byte[] dataFromServer = new byte[WORK_FINISHED_BYTES_LENGTH];
           inputStream.read(dataFromServer);
           ByteQueue byteQueue = new ByteQueue(dataFromServer);
           log.info("来自服务端的数据：{}", byteQueue.toString());
   //数据处理的业务逻辑，此处忽略
           Tube tubeInfo = resolveData(dataFromServer);
         


       }catch(SocketTimeoutException e){

           log.info("状态交互 read 超时");
       }catch (SocketException e){

          //处理连接中断，重新创建单例socket
           SocketSingleton.killSingleton();
             SocketSingleton.getInstance();
       }  finally{
// 这里理解为释放锁，或者是释放资源（一共只有1个资源），如果不释放，其他线程将不能获得此资源，比如下一个周期到了，定时器将停在     SocketSingleton.singletonLock.acquire() 无法向下进行
           SocketSingleton.singletonLock.release();
           log.info("状态交互 释放成功  singletonLock:{}",new   Timestamp(System.currentTimeMillis()));
       }



    }

定时任务改进说明：

最初是在定时器里面没有使用单例，每个周期到了，将new Socket(），发现随着执行的任务次数增加，会出现问题

内存资源的问题：

比如我创建2000个socket：

 @Test
    public  void  testCreateMoreSocket() throws IOException, InterruptedException {
       for(int i=0;i<2000;i++){
           Socket socket=new Socket(WINDER_IP,WINDER_PORT);
           log.info("socket:{},hashCode:{}",new Object[]{i,socket.hashCode()});
//           Thread.sleep(1*1000);
       }
    }

创建之前：

创建之后：变化感觉不大，但是idea电脑卡死将近5秒

定时任务是会一直执行的，如果是4000次又会是怎样的呢？

当创建完1563个的时候已经抛异常了，有一瞬间cpu使用率100%

改下代码，创建socket使用完就将其close,测试结果竟然让调试助手还是无响应了，

  @Test
    public  void  testCreateMoreSocket() throws IOException, InterruptedException {
       for(int i=0;i<4000;i++){
           Socket socket=new Socket(WINDER_IP,WINDER_PORT);
           log.info("socket:{},hashCode:{}",new Object[]{i,socket.hashCode()});
//           Thread.sleep(1*1000);
           socket.close();
       }
    }

可能是创建台频繁，那就延时1秒试试，然后喝 1*n 杯咖啡（4000个创建完需要一个小时，暂时就不测试了,毕竟咖啡不够了）

上面的测试过程是为了说明创建socket是需要耗费资源,那么就得减少socket的创建，完成任务就好