网络聊天室(Java)

摘要

本文阐述了基于Linux环境，Java语言实现的基本聊天室功能，涉及Linux下的Java 语言的Socket编程。以及Java语言的多线程编程。

 

关键字

Linux         Java                  Thread              Socket              Tcp

 

简介

开发背景

《 操作系统》和《计算机网络》的学习，使我能够有机会选择“基于Linux的网络聊天室的实现”这个课题项目，使自己课堂所学的理论能够联系实际，并且能够学习自己没有涉及过网络方面以及面向对象的基本思想，而且在编写聊天程序的过程中，也涉及到多线程的程序设计问题，这个概念在《操作系统》中已经学到，但是对于真正的语言应用却是第一次。Java语言的多线程编程提供了很好的基础类，可以很容易实现多线程的调用。以及Java语言的跨平台，使我有机会在Linux下编写程序，当然对于Linux下的Java编程和Windows下的Java编程，没有多少的不同，这些都是Java语言没有平台特有的特征带来的。

 

系统开发环境

Linux正以自由的精神席卷全球网络操作系统市场，而Java凭借其开放、先进的架构正迅速占领着高端软件领域。将这二者结合，便可通过Linux低廉的成本实现Java高级应用，在自由、高效的环境下充分发挥出Java的优势。因此，无论从成本还是性能上考虑，二者的结合都可谓是相得益彰。

例如，现在热门的服务器端脚本JSP的推荐实现就是Linux上的Tomcat，而与Jboss结合更是极佳的EJB平台。但是，Linux之所以未能在桌面应用等领域迅速普及，软件安装和设置复杂是一个重要原因。要在Linux下实现Java编程，其普通的环境设置可能令习惯了Windows的用户望而却步。其实，很多问题只需要简单的设置就能解决。

而对于本次课程项目的开发也正是两者的结合，尽管结合没有发挥各自的精髓，但是也能体会和感受到Java+Linux 的魅力。

 

技术概要

网络通信基本原理

Ø         TCP (Transmission Control Protocol)基础

 

数据传输协议允许创建和维护与远程计算机的连接。连接两台计算机就可彼此进行数据传输。如果创建客户应用程序，就必须知道服务器计算机名或者  IP  地址（RemoteHost  属性），还要知道进行 “ 侦听 ” 的端口（RemotePort  属性），然后调用  Connect  方法。如果创建服务器应用程序，就应设置一个收听端口（LocalPort  属性）并调用  Listen  方法。当客户计算机需要连接时就会发生  ConnectionRequest  事件。为了完成连接，可调用  ConnectionRequest  事件内的  Accept  方法。建立连接后，任何一方计算机都可以收发数据。为了发送数据，可调用  SendData  方法。当接收数据时会发生  DataArrival  事件。调用  DataArrival  事件内的  GetData  方法就可获取数据。

 

Ø         UDP(User Datagram Protocol) 基础

 

用户数据文报协议  (UDP)  是一个无连接协议。跟  TCP  的操作不同，计算机并不建立连接。另外  UDP  应用程序可以是客户机，也可以是服务器。

为了传输数据，首先要设置客户计算机的  LocalPort  属性。然后，服务器计算机只需将 

RemoteHost  设置为客户计算机的  Internet  地址，并将  RemotePort  属性设置为跟客户计算机的  LocalPort  属性相同的端口，并调用  SendData  方法来着手发送信息。于是，客户计算机使用DataArrival  事件内的  GetData  方法来获取已发送的信息。

 

Ø         Socket(Java)

 

套接字方式通信 (socket-based communication) 通过指派套接字实现程序自己的通信。套接字(Socket) 是一种抽象，为服务器和客户之间的通信提供方便。Java处理套接字通信的方式很像处理I/O操作，这样，程序对套接字进行读写就像读写文件一样容易。

 

Java支持流套接字(steam socket)和数据报套接字(datagram socket)。流套接字使用TCP协议(Transmission Control Protocol, 传输控制协议)进行数据的传输，而数据报套接字使用UDP协议(User Datagram Protocol, 用户数据报协议)。因为TCP能够探测丢失的数据传输并重新提交它们，因此传输的数据不会丢失，是可靠的。相比之下，UDP协议不能保证无损失传输。所以，采用TCP协议通信可以保证数据的正确传输。

 

Ø         客户/服务器模式

 

网络聊天室涉及的一个服务器端和N个客户端。客户向服务器发送请求，服务器对请求作出响应。客户尝试与服务器建立连接，服务器可以接受连接也可以拒绝连接。一旦连接建立起来，客户和服务器就可以通过套节字进行通信。

   客户开始工作时，服务器必须正在运行，等待客户的连接请求。创建服务器和客户所需要的语句如图1-1所示。

    

 

图1-1 服务器创建一个服务器套接字，与用户的连接一旦建立，就用客户套接字也客户保持连接

 

要建立服务器，需要创建一个服务器套接字，并把它附加到一个端口上，服务器通过这个端口监听连接请求。端口标识套接字上的TCP服务。编号在0到1023之间的端口用来为特权进程服务。

 

下面的语句创建一个服务器套接字server：

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图1-2 多个线程分享一个CPU

 

 

多线程可以使程序反应更快、交互性更强，并提高执行效率。 Java 对多线程程序设计提供更好的支持，包括内在地支持创建线程和锁定资源以避免冲突，解决了资源的共享冲突问题。

当程序运行时， Java 解释器为 main 方法开始一个线程。此时可以创建另外的线程。每一个线程都是一个对象，它的类实现 Runnable 接口或者扩展实现了 Runnable 接口的类。也可以通过扩展 Thread 类来实现 Runnable 接口来创建线程。 Thread 事实实现了 Runnable 接口。

 

 

Ø         线程有五种状态：新建、就绪、运行、阻塞、结束。

如图 1-3 所示：

图1-3一个线程处于其中的一个状态

 

 

à       新创建一个线程的时候，它进入“新建状态”。调用start方法启动线程后，它进入“就绪状态”。就绪态可以通过调用run方法实现到“运行状态”的转移。

à       如果给定的CPU时间用完，或者调用yield()方法可以使线程处于“就绪状态”

à       当线程执行结束，然后其自然应该进入“结束状态”。

à       当线程因为调用sleep()等方法，将进入“阻塞状态”。此状态还可以重新进入“就绪状态”，接着重新得到运行。

 

Ø         Thread类包括以下的几种控制方法：

 

public void run()方法，用来执行线程。用户线程类中必须覆盖该方法。

public void start()方法，它引起对run方法的调用。

public void stop()方法，结束一个线程

public void suspend()方法，挂起一个线程 [2]

public void resume()方法，唤醒一个线程 [3]

public static void sleep(long millis) throws InterruptedException 方法，可以将在运行的线程置为休眠状态，休眠时间为指定的毫秒。

public void interrupt()方法，中断正在运行的线程。

public static boolean isInterrupted()方法，测试线程是否被中断。

public boolean isAlive()方法，检查线程是不是处于运行态。

public void setPriority(int p)方法，设置方法的优先级。从1~10

public final void wait() throws InterruptedException 方法，将该线程置为暂停状态，等待另外一个线程的通知。

public final void notify()方法，唤醒一个等待的线程。

 

Linux下Java编程

本次课题项目采用的环境是：

 

¨         Linux Platform - J2SE(TM) and NetBeans(TM) IDE Bundle NB 4.1 / J2SE 5.0 Update 4 [4]

¨         Rat Hat Linux 9.0

 

在Linux采用J2SE和NetBeans可以很容易的开发面向Linux的应用程序,可以移植到windows平台下运行。其中NetBean 是Sun公司开发的免费Java图形用户界面编辑器。(如图1-4)可以很轻松的实现界面的设计，它将控件以Swing， awt， JavaBean分类放置。

集成 Tomcat 5.0 加入对 XML,Structs 的支持。这其中感触最深的地方是，不能修改自动生成的组件初始代码。假如要用 ButtonGroup 就得自己去另写一个函数来初始化。感觉这样做，因为不能随意修改代码，能避免随意修改所导致的错误。但是，很多时候，我们真的要修改那部分代码反倒是件很麻烦的事了。

对于 window 平台有个比较不当的地方就是内存消耗太大。硬盘频繁访问。在 Linux 环境可以明显感觉到速度快了不少！

 

 

 

图1-4 windows 平台下的NetBeans运行界面 [5]

基于Linux的网络聊天室的具体实现

服务器端和客户端体系结构

根据通信的基本原理，不难分析服务器端与客户端的通信实现，以下是客户端和服务器端的交互流程，如图 1-5

 

图1-5 客户端和服务器端的基本流程

 

流程图的简要描述

Server 和 Client 端通信主要是服务器端创建多个线程，生成多个 Socket 对不同的用户进行通信。服务器端和客户端通过消息命令字的方式进行消息确认。方式是在消息头加入“命令字”。

自定义命令字含义如下：

 

[MESSAGE] ：表示接下来的一句话是消息
[NAME]：   表示接下来的一句话是名字	[FIRSTNAME] ：用于程序逻辑控制，表示第一个
[SYSTEM]： 系统消息	[Server exit!] ：   服务器退出
[WHISPERMESSAGE] ：私聊控制字
[QUIT] ：      表示客户端退出聊天室

客户端：

客户端由两个类实现，一个是主类 ClientJFrame 另外一个是用于播放声音的 PlaySound 类。一下是客户端的类关系图，图 1-6 ：

图1-6 Client端两个类，ClientJFrame中创建PlaySound实例来播放声音

 

Ø        

图1-7 Server端的类视图

 

Ø             Server相对与客户端更加的复杂，要主动监听客户端发送的连接请求，创建不同的线程，来应答客户的请求。创建的线程，接受客户发送的数据的处理。

 

Server创建了连接线程后，还必须创建广播线程，将每一个客户发送的消息广播出去，到每一个客户端。对于广播线程和数据接受和处理线程之间的资源共享问题，我采用了，有序运行的方法来消除死锁。即在用户发送来数据时，开启广播线程，对刚才的数据进行广播，在信息广播结束后，关闭广播线程。这样一前一后，就可以保证数据广播的正确性。

 

在server还需要处理的一件事，就是如何将私聊信息发送给指定的客户端。我采用的方式是，“用户名查找发送法”，可以比较快而准确的发送数据 [6] ，为了和群聊消息区分，我采用WhisperThread类单独给予处理。这样可以清晰的区分。

 

在客户端，还需要处理的一件事情就是，管理当前的在线用户。我使用一个堆栈 [7] 来管理用户，当用户来到时，就将用户名压入堆栈。当用户退出时，将用户的名字从中去除 [8] 。

      

Ø             服务端使用serverListen()函数开始监听端口，其函数原型如下：

 

图1-8是windows下的运行效果，充分说明在Linux下开发的应用程序的可移植性，在Windows下运行无阻

 

Ø         程序可以实现公聊和私聊 [10] ，公聊在服务器端将加入聊天记录，私聊则只是发给指定用户，服务器端不保留聊天信息。

Ø         收到系统消息，和用户变化都会有声音提示。

Ø         完全可以单机来调试信息，也试过在Linux下运行服务器端，在Windows下使用客户端进行访问，访问方式没有区别，通信也没有故障。

Ø         当服务器退出时，或者说用户端失去服务器连接时，用户将需要重新连接，当然也可以实现超时退出的方式，这样可以实现重新连接。

Ø         可扩展功能：系统可以选择需要发送的系统消息的对象，这样可以使系统消息发送更加灵活。

Ø         用户可以通过右边的list得到当前的在线用户的状况

Ø         用户可以通过左边的textArea得到当前群中用户所发送的消息的记录 [11] 。

Ø         当用户连接失败，可以选择重新登陆，重新登陆就不需要重新输入用户名。

Ø         假如用户登陆时，没有指定连接地址，将默认为localhost地址 [12] 。

Ø         用户可以通过直接按Enter键发送消息 [13] 。

总结

经过一个星期的编码，基本完成了课题任务。从中也学到了不少的东西，锻炼了自己的独立开发能力。其中，对 Java 语言也有了一定的了解，也被 Java 语言的强大类库所折服，以及 Java 环境提供的规范语言所欣喜。正因为有这样优秀的语言，和优秀的类库使得这次的任务能顺利的完成。

从中让我深有体会的是， Java 的多线程编程。让我真正有机会接触多线程的编程，而 Java 语言的强大也使得这样的一个过程，不是非常的艰难。 Java 多线程编程，一般采用继承 Thread 类或者采用 Runnable 接口来实现。

Windows 平台和 Linux 平台对于 Java 语言，不同的只是虚拟机，对于程序，对于编码没有区别，这也是能让我顺利完成 Linux 平台的应用程序的一个保证。

通过书写这篇文档，我也从中琢磨了许多的东西，如 Rose ， UML 等面向对象实现概念，通过尝试也学习了其中工具带来的方便。

 

参考资料

以下是开发过程中参考过的资料，其中有网页模式，其中有课本，以及有用的信息。

 

m        Ineroduction to Java Programming Third Editon :     Y.Daniel Liang

 

m        Linux Platform - J2SE(TM) and NetBeans(TM) IDE : http://java.sun.com

 

m        Java sockets 101:             http://www.ibm.com/developerWorks

 

m        Building a Java chat server:     http://www.ibm.com/developerWorks

 

m        Beej网络socket编程指南:    http://www.ecst.csuchico.edu/%7Ebeej/guide/net/

 

m        UML参考手册 :             James Rumbaugh

 

 

 

 

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[1] 如果试图在被占用的端口上创建一个服务器套接字，将引起java.net.BindException 实时错误

[2] 该方法可以引起死锁。

[3] 唤醒线程一般不使用该方法，而是采用notify()方法加布尔变量来指明线程是否唤醒。

[4] Website: https://jsecom15d.sun.com/ECom/EComActionServlet;jsessionid=6596D10F28E751B8FD7981BCCB5E02DA#http://192.18.97.252/ECom/EComTicketServlet/BEGIN6596D10F28E751B8FD7981BCCB5E02DA/-2147483648/957453423/1/626894/626858/957453423/2ts+/westCoastFSEND/jdk-1.5.0_04-nb-4.1-oth-JPR/jdk-1.5.0_04-nb-4.1-oth-JPR:2/jdk-1_5_0_04-nb-4_1-linux.bin

[5] 图中所示的界面是Windows平台的界面效果，Linux(Rad hat Linux 9.0)下的执行界面的布局方式是大致相同的。

[6] 这里有个约定，就是用户名应该是唯一的。

[7] 其实是Java的向量类(Vector)，可以动态的调整大小，使用Java提供的函数可以很好实现数据的输入保存和输出得到

[8] 在实现用，我并没有这样做，而是将其赋离线常量(String), 这样的目的，在后面将叙述到

[9] 这样做的目的，是为了处理简单，当然在某些时候也是需要这样处理的

[10] 可以实现多人私聊，可以将你的信息，发给你要想让看到的人。而不用发给全部

[11] 若功能再扩展，可以实现将聊天的历史记录实时保存

[12] 本地的调试地址

[13] 这是通过调用textArea的键盘按键事件来实现的