【Java TCP/IP Soket】— 剖析TCP中的死鎖
前言
大家在編寫Socket應用程式時，必須避免設計非常小心以避免出現死鎖。例如，在建立連線後，傳送端與接收端都嘗試傳送資料，顯然將會導致死鎖的發生。在前面中我們介紹了SendQ、RecvQ、Delivered佇列，SendQ、RecvQ佇列中緩衝區的容量在具體實現時會受到一定的限制。雖然它們使用的實際記憶體大小會動態的增長和收縮，還是需要一個硬性的限制，以防止行為異常的程式所控制的單獨一個TCP連線將系統記憶體耗盡，如果與TCP的流控制機制結合使用，則可能導致另一種形式的死鎖。
TCP中死鎖分析
在TCP套接字中，一旦接收端的RecvQ佇列緩衝區已滿，TCP流控制機制就會產生作用，它阻止TCP傳輸傳送端SendQ佇列緩衝區的任何資料，直到接收端呼叫in.read( )方法將RecvQ佇列緩衝區中的資料移動到Delivered佇列中騰出空間（這裡使用流控制機制目的是為了保證傳送者不會發送太多資料，而導致超出了接收系統的處理能力）。
傳送端可以持續的寫出資料，直到SendQ佇列緩衝區被填滿，然而，如果，在SendQ佇列緩衝區已滿時呼叫out.write( )方法，則阻塞等該，直到SendQ佇列緩衝區有新的空間為止。換句話說：傳送端將資料傳輸到接收端的RendQ佇列中時，如果此時RendQ佇列緩衝區已經被填滿，那麼將會產生阻塞。直到接收端呼叫in.read( )方法將資料移動到Delivered佇列中騰出空間為止。
TCP中死鎖場景
下面考慮一個場景：
即主機A與主機B之間的一個連線，假設主機A和主機B上的SendQ、RecvQ佇列緩衝區大小為500個位元組，現在考慮一下 ”兩個主機（A、B）中的程式試圖同時傳送1500個位元組時的情況“。主機A上程式中的前500個位元組已經傳輸到主機A中，另外的500個位元組也已經複製到SendQ佇列中，餘下的500個位元組將無法傳送（因此，在主機A的程式中呼叫out.write( )方法將會阻塞），直到主機B中的RecvQ佇列緩衝區中有空間空出來。然後，主機B上的程式也遇到了同樣的情況。因此，在兩個主機上程式的out.write( )方法的呼叫都將阻塞（永遠都無法完成）。
以上的場景告訴我們：”在TCP套接字中，要仔細的設計協議，避免在兩端傳送大量資料時產生死鎖“。
TCP中死鎖例子
1.示例
下面，我們通過一個例子來模擬一下上述場景中的死鎖問題，程式碼如下：
/* * 服務端 */ public class TestServer { public static void main(String[] args) throws IOException { System.out.println("服務端啟動......"); ServerSocket server = new ServerSocket(8888); Socket client = server.accept(); OutputStream output = client.getOutputStream(); InputStream input = client.getInputStream(); byte[] temp = new byte[10]; int realLen = 0; while ((realLen = input.read(temp)) != -1) { System.out.println("【服務端】正在傳送資料......"); output.write(temp, 0, realLen); } System.out.println("【客戶端】傳送資料完畢!"); output.flush(); client.close(); } }
/*
* 客戶端
*/
public class TestClient
{
public static void main(String[] args) throws UnknownHostException,
IOException
{
System.out.println("客戶端啟動......");
Socket client = new Socket(InetAddress.getLocalHost(), 8888);
OutputStream out = client.getOutputStream();
InputStream in = client.getInputStream();
FileInputStream fileIn = new FileInputStream(new File("D:\\雜亂\\桌面.jpg"));
byte[] fileTemp = new byte[1024];
int realFileLen = 0;
while ((realFileLen = fileIn.read(fileTemp)) != -1)
{
System.out.println("【客戶端】正在傳送資料......");
out.write(fileTemp, 0, realFileLen);
}
System.out.println("【客戶端】傳送資料完畢!");
out.flush();
client.shutdownOutput();
ByteArrayOutputStream byteArray = new ByteArrayOutputStream();
int realLen = 0;
byte[] temp = new byte[10];
while ((realLen = in.read(temp)) != -1)
{
byteArray.write(temp, 0, realLen);
}
byte[] recvByte = byteArray.toByteArray();
System.out.println("客戶端接收訊息成功,訊息長度:" + recvByte.length);
}
}
2.剖析
下面我們分析一下阻塞原因：
我們把TestClient客戶端類所在的主機為A，把TestServer服務端類所在的主機為B。在主機A與主機B之間建立了一條連線。現在主機A中的程式不斷的向主機B的RecvQ佇列中傳輸資料，而這時，主機B也不斷的將RecvQ佇列中的資料移動到DeliveredQ佇列中，並把DeliveredQ佇列中的資料移動到SendQ佇列中，然後再把SendQ佇列中的資料傳輸到主機A中的RecvQ佇列中（注意：這個時候主機A還在不斷的向主機B傳送資料）—— 這樣就會造成 ” 主機A中的RecvQ佇列被填滿，主機B上的程式呼叫out.write( )方法傳送資料時就會阻塞，然而不幸的是：這個時候主機A依然不斷的向主機B中的RecvQ佇列中傳輸資料，直到RecvQ佇列被填滿，然後主機A上的程式呼叫out.write( )方法傳送資料是就會阻塞“，所以，主機A的程式(客戶端)與主機B的程式(服務端)都會阻塞，永遠也執行不完！ 如下圖所示：
TCP中死鎖解決辦法
方案一：在不同的執行緒分別執行客戶端的write( ) 和 read( )
好處：可以邊讀邊寫，建立的緩衝區比較小，不會造成客戶端中RecvQ佇列被填滿 , 相應的服務端中RecvQ佇列也不會被填滿；
壞處：客戶端中得使用不同的執行緒，分別進行write() 和 read( )操作；
/*
* 服務端
*/
public class TestServer
{
public static void main(String[] args) throws IOException
{
System.out.println("服務端啟動......");
ServerSocket server = new ServerSocket(8888);
Socket client = server.accept();
OutputStream output = client.getOutputStream();
InputStream input = client.getInputStream();
byte[] temp = new byte[10];
int realLen = 0;
while ((realLen = input.read(temp)) != -1)
{
System.out.println("【服務端】正在傳送資料......");
output.write(temp, 0, realLen);
}
System.out.println("【客戶端】傳送資料完畢!");
output.flush();
client.close();
}
}
/*
* 客戶端
*/
public class TestClient
{
public static void main(String[] args) throws UnknownHostException,
IOException
{
System.out.println("客戶端啟動......");
final Socket client = new Socket(InetAddress.getLocalHost(), 8888);
final OutputStream out = client.getOutputStream();
InputStream in = client.getInputStream();
final FileInputStream fileIn = new FileInputStream(new File(
"D:\\雜亂\\桌面.jpg"));
// 使用一個子執行緒傳送資料
Thread handlerExecute = new Thread()
{
@Override
public void run()
{
try
{
byte[] fileTemp = new byte[1024];
int realFileLen = 0;
while ((realFileLen = fileIn.read(fileTemp)) != -1)
{
System.out.println("【客戶端】正在傳送資料......");
out.write(fileTemp, 0, realFileLen);
}
System.out.println("【客戶端】傳送資料完畢!");
out.flush();
client.shutdownOutput();
}
catch (IOException e)
{
e.printStackTrace();
}
}
};
handlerExecute.start();
// 使用主執行緒接收資料
ByteArrayOutputStream byteArray = new ByteArrayOutputStream();
int realLen = 0;
byte[] temp = new byte[10];
// 服務端採用邊讀邊寫的方式
while ((realLen = in.read(temp)) != -1)
{
byteArray.write(temp, 0, realLen);
}
byte[] recvByte = byteArray.toByteArray();
System.out.println("客戶端接收訊息成功,訊息長度:" + recvByte.length);
}
}
方案二: 服務端不採用 “邊讀邊寫” 的方式，而是採用 “全部讀完在全部發送” 的方式
好處：這樣，服務端和客戶端的RecvQ佇列就不會出現被填滿的情況；
壞處：不適用於大檔案的傳輸，這樣建立的緩衝區會比較大，很可能會造成資料的丟失；
/*
* 服務端
*/
public class TestServer
{
public static void main(String[] args) throws IOException
{
System.out.println("服務端啟動......");
ServerSocket server = new ServerSocket(8888);
Socket client = server.accept();
OutputStream output = client.getOutputStream();
InputStream input = client.getInputStream();
ByteArrayOutputStream byteArray = new ByteArrayOutputStream();
byte[] temp = new byte[10];
int realLen = 0;
while ((realLen = input.read(temp)) != -1)
{
byteArray.write(temp, 0, realLen);
}
byte[] recvByte = byteArray.toByteArray();
System.out.println("【服務端】正在傳送資料......");
output.write(recvByte);
output.flush();
System.out.println("【客戶端】傳送資料完畢!");
client.close();
}
}
/*
* 客戶端
*/
public class TestClient
{
public static void main(String[] args) throws UnknownHostException,
IOException
{
System.out.println("客戶端啟動......");
final Socket client = new Socket(InetAddress.getLocalHost(), 8888);
final OutputStream out = client.getOutputStream();
InputStream in = client.getInputStream();
final FileInputStream fileIn = new FileInputStream(new File(
"D:\\雜亂\\桌面.jpg"));
byte[] fileTemp = new byte[1024];
int realFileLen = 0;
while ((realFileLen = fileIn.read(fileTemp)) != -1)
{
System.out.println("【客戶端】正在傳送資料......");
out.write(fileTemp, 0, realFileLen);
}
System.out.println("【客戶端】傳送資料完畢!");
out.flush();
client.shutdownOutput();
ByteArrayOutputStream byteArray = new ByteArrayOutputStream();
int realLen = 0;
byte[] temp = new byte[10];
while ((realLen = in.read(temp)) != -1)
{
byteArray.write(temp, 0, realLen);
}
byte[] recvByte = byteArray.toByteArray();
System.out.println("客戶端接收訊息成功,訊息長度:" + recvByte.length);
}
}
每天進度一點點 —— 作者: 大餅