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開門見山
最近一個月記錄了學習Socket網絡編程的知識和實戰案例，相對來說，比較系統地學習了基於TCP協議實現網絡通信，也是計算機網絡中重中之重，TCP/IP屬於網絡層，在java中，對該層的工作實現了封裝，在編程中，就更加容易地去實現通信，而不用顧及底層的實現。當然，我們需要熟悉五層協議，在實踐中體會其中的原理，理解更加深刻。
所以，系列文章從入門開始，不斷完善C/S架構的Socket通信，回憶一下，首先是實現了Server和Client的互相通信，在這個過程發現問題，接著就使用多線程技術解決客戶端實時接收信息的問題，後來到了伺服器端，發現多用戶連接伺服器的「先到先得」問題，「後到者」無法正常通信，所以再使用線程池技術解決了多用戶伺服器的問題。
到此，基本實現了一個簡單的客戶端-伺服器應用，因此，本篇將基於前面全部內容，使用客戶端-伺服器（C/S架構），結合多線程技術，模擬類似QQ、微信聊天功能，實現一個網絡實時聊天室，目前的功能包括：
1.L(list):查看當前上線用戶;
2. G(group):群聊;
3. O(one-one):私信;
4. E(exit):退出當前聊天狀態;
5. bye:離線;
6. H(help):查看幫助
本篇將詳細記錄網絡實時聊天室的實現步驟，以系列文章為前提基礎，可見文末。
一、數據結構Map
前兩篇的TCPClientThreadFX和TCPThreadServer實現了多線程的通信，但也只是客戶端和伺服器的聊天，如何做到群組的聊天？想法就是客戶A的聊天信息通過伺服器轉發到同時在線的所有客戶。
具體做法是需要在伺服器端新增記錄登陸客戶信息的功能，每個用戶都有自己的標識。本篇將使用簡單的「在線方式」記錄客戶套接字，即採用集合來保存用戶登陸的套接字信息，來跟蹤用戶連接。
所以，我們需要選擇一種合適的數據結構來保存用戶的Socket和用戶名信息，那在java中，提供了哪些數據結構呢？
Java常用的集合類型有：Map、List和Set。Map是保存Key-Value對，List類似數組，可保存可重複的值，而Set只保存不重複的值，相當於是只保存key，不保存value的Map。
如果是有用戶名、學號登錄的操作，就可以採用Map類型的集合來存儲，例如可使用key記錄用戶名+學號，value保存套接字。對於本篇的網絡聊天室的需求，需要採用Map，用來保存不同用戶的socket和登錄名。用戶套接字socket作為key來標識一個在線用戶是比較方便的選擇，因為每一個客戶端的IP位址+埠組合是不一樣的。
二、保證線程安全
很明顯，我們需要使用到多線程技術，而在多線程環境中，對共享資源的讀寫存在線程並發安全的問題，例如HashMap、HaspSet等都不是線程安全的，可以通過synchronized關鍵字進行加鎖，但還有更方便的方案：可以直接使用Java標準庫的java.util.concurrent包提供的線程安全的集合。例如HashMap的線程安全是 ConcurrentHashMap，HashSet的線程安全Set是CopyOnWriteArraySet。
如圖，Map繼承體系：
在JDK1.8中，對HashMap進行了改進，當結點數量超過TREEIFY_THRESHOLD 則要轉換為紅黑樹，這樣很大優化了查詢的效率，但仍然不是線程安全的。
這裡簡單了解一下，具體學習可以查詢相關資料。有了以上的基本知識，下面開始進入網絡實時聊天室的具體實現。
三、群聊核心方法
基於前面這樣的想法：實現群聊就是客戶A的聊天信息通過伺服器轉發到同時在線的所有客戶，伺服器端根據HashMap記錄登陸用戶的socket，向所有用戶轉發信息。
核心的群組發送方法sendToAllMembers，用於給所有在線客服發送信息。
private void sendToMembers(String msg,String hostAddress,Socket mySocket) throws IOException{
PrintWriter pw;
OutputStream out;
Iterator iterator=users.entrySet().iterator();
while (iterator.hasNext()){
Map.Entry entry=(Map.Entry) iterator.next();
Socket tempSocket = (Socket) entry.getKey();
String name = (String) entry.getValue();
if (!tempSocket.equals(mySocket)){
out=tempSocket.getOutputStream();
pw=new PrintWriter(new OutputStreamWriter(out,"utf-8"),true);
pw.println(hostAddress+"："+msg);
}
}
}
使用到了Map的遍歷，對其他所有用戶發送信息。
相同的原理，我們實現私聊的功能，轉化為實現的思想，也就是當前用戶和指定用戶Socket之間的通信，所以我寫了一個sendToOne的方法。
private void sendToOne(String msg,String hostAddress,Socket another) throws IOException{
PrintWriter pw;
OutputStream out;
Iterator iterator=users.entrySet().iterator();
while (iterator.hasNext()){
Map.Entry entry=(Map.Entry) iterator.next();
Socket tempSocket = (Socket) entry.getKey();
String name = (String) entry.getValue();
if (tempSocket.equals(another)){
out=tempSocket.getOutputStream();
pw=new PrintWriter(new OutputStreamWriter(out,"utf-8"),true);
pw.println(hostAddress+"私信了你："+msg);
}
}
}
以上兩個方法是本網絡聊天室的關鍵，後面實現的功能將是對這兩個方法的靈活運用。
四、聊天室具體設計
目前聊天室的功能定位包括：1)查看當前上線用戶;2):群聊;3)私信;4)退出當前聊天狀態;5)離線;6)查看幫助。
首先，初始化最關鍵的數據結構，作為類成員變量，HashMap用來保存Socket和用戶名：
private ConcurrentHashMap users=new ConcurrentHashMap();
每個功能具體實現如下：
0、用戶登錄伺服器
這裡是最開始的伺服器端的信息處理，需要記錄每個用戶的登錄信息，包括連接的套接字和自定義暱稱，方便後續使用。我採用的方法是當用戶連接伺服器時候，提醒用戶輸入用戶名來進一步操作，也實現了不重名的判斷邏輯。代碼如下：
pw.println("From 伺服器：歡迎使用服務！");
pw.println("請輸入用戶名：");
String localName = null;
while ((hostName=br.readLine())!=null){
users.forEach((k,v)->{
if (v.equals(hostName))
flag=true;//線程修改了全局變量
});
if (!flag){
localName=hostName;
users.put(socket,hostName);
flag=false;
break;
}
else{
flag=false;
pw.println("該用戶名已存在，請修改！");
}
}
登錄成功之後會向所有在線用戶告知上線信息。
1、查看當前上線用戶
其實就是將伺服器端記錄在HashMap中的信息返回給請求用戶，通過約定的命令L來查看：
if (msg.trim().equalsIgnoreCase("L")){
users.forEach((k,v)->{
pw.println("用戶:"+v);
});
continue;
}
2、群聊
else if (msg.trim().equals("G")){
pw.println("您已進入群聊。");
while ((msg=br.readLine())!=null){
if (!msg.equals("E")&&users.size()!=1)
sendToMembers(msg,localName,socket);
else if (users.size()==1){
pw.println("當前群聊無其他用戶在線，已自動退出！");
break;
}
else {
pw.println("您已退出群組聊天室！");
break;
}
}
}
3、私信
同理，處理邏輯變為一對一的通信，與之前伺服器-客戶端一對一類似，但是這裡需要更多的處理，保證邏輯正確，包括被私聊人的在線狀態，被私聊人用戶名是否正確等。
1 //一對一私聊
2 else if (msg.trim().equalsIgnoreCase("O")){
3 pw.println("請輸入私信人的用戶名：");
4 String name=br.readLine();
5
6 //查找map中匹配的socket，與之建立通信
7 //有待改進，處理輸入的用戶名不存在的情況
8 users.forEach((k, v)->{
9 if (v.equals(name)) {
10 isExist=true;//全局變量與線程修改問題
11 }
12
13 });
14 //已修復用戶不存在的處理邏輯
15 Socket temp=null;
16 for(Map.Entry mapEntry : users.entrySet()){
17 if(mapEntry.getValue().equals(name))
18 temp = mapEntry.getKey();
19 // System.out.println(mapEntry.getKey()+":"+mapEntry.getValue()+'\n');
20 }
21 if (isExist){
22 isExist=false;
23 //私信後有一方用戶離開，另一方未知，仍然發信息而未收到回復，未處理這種情況
24 while ((msg=br.readLine())!=null){
25 if (!msg.equals("E")&&!isLeaved(temp))
26 sendToOne(msg,localName,temp);
27 else if (isLeaved(temp)){
28 pw.println("對方已經離開，已斷開連接！");
29 break;
30 }
31 else{
32 pw.println("您已退出私信模式！");
33 break;
34 }
35 }
36 }
37 else
38 pw.println("用戶不存在！");
39 }
4、退出當前聊天狀態
這個功能主要融入到群聊和私聊中，可見上面兩個功能實現的內部調用，定義了一個方法isLeaved，判斷用戶是否已經下線。
//判斷用戶是否已經下線
private Boolean isLeaved(Socket temp){
Boolean leave=true;
for(Map.Entry mapEntry : users.entrySet()) {
if (mapEntry.getKey().equals(temp))
leave = false;
}
return leave;
}
5、離線
這個功能比較簡單，通過約定的命令執行。
if (msg.trim().equalsIgnoreCase("bye")) {
pw.println("From 伺服器：伺服器已斷開連接，結束服務！");
users.remove(socket,localName);
sendToMembers("我下線了",localName,socket);
System.out.println("客戶端離開。");//加當前用戶名
break;
}
6、查看幫助
通過命令H請求伺服器的幫助，是指用戶查看哪些命令對應的功能，來進行選擇。
else if (msg.trim().equalsIgnoreCase("H")){
pw.println("輸入命令功能：(1)L(list):查看當前上線用戶;(2)G(group):進入群聊;(3)O(one-one):私信;(4)E(exit):退出當前聊天狀態;(5)bye:離線;(6)H(help):幫助");
continue;//返回循環
}
五、聊天室服務完整代碼
聊天室實現主要工作在於服務端，聚焦於伺服器線程處理的內部類Hanler，上面是各個功能具體介紹，下面完整給出代碼，只需要在前面文章的基礎上，見Java多線程實現多用戶與服務端Socket通信。
修改伺服器端線程處理代碼：
class Handler implements Runnable {
private Socket socket;
public Handler(Socket socket) {
this.socket = socket;
}
public void run() {
//本地伺服器控制臺顯示客戶端連接的用戶信息
System.out.println("New connection accept:" + socket.getInetAddress().getHostAddress());
try {
BufferedReader br = getReader(socket);
PrintWriter pw = getWriter(socket);
pw.println("From 伺服器：歡迎使用服務！");
pw.println("請輸入用戶名：");
String localName = null;
while ((hostName=br.readLine())!=null){
users.forEach((k,v)->{
if (v.equals(hostName))
flag=true;//線程修改了全局變量
});
if (!flag){
localName=hostName;
users.put(socket,hostName);
flag=false;//可能找出不一致問題
break;
}
else{
flag=false;
pw.println("該用戶名已存在，請修改！");
}
}
// System.out.println(hostName+": "+socket);
sendToMembers("我已上線",localName,socket);
pw.println("輸入命令功能：(1)L(list):查看當前上線用戶;(2)G(group):進入群聊;(3)O(one-one):私信;(4)E(exit):退出當前聊天狀態;(5)bye:離線;(6)H(help):幫助");
String msg = null;
//用戶連接伺服器上線，進入聊天選擇狀態
while ((msg = br.readLine()) != null) {
if (msg.trim().equalsIgnoreCase("bye")) {
pw.println("From 伺服器：伺服器已斷開連接，結束服務！");
users.remove(socket,localName);
sendToMembers("我下線了",localName,socket);
System.out.println("客戶端離開。");//加當前用戶名
break;
}
else if (msg.trim().equalsIgnoreCase("H")){
pw.println("輸入命令功能：(1)L(list):查看當前上線用戶;(2)G(group):進入群聊;(3)O(one-one):私信;(4)E(exit):退出當前聊天狀態;(5)bye:離線;(6)H(help):幫助");
continue;//返回循環
}
else if (msg.trim().equalsIgnoreCase("L")){
users.forEach((k,v)->{
pw.println("用戶:"+v);
});
continue;
}
//一對一私聊
else if (msg.trim().equalsIgnoreCase("O")){
pw.println("請輸入私信人的用戶名：");
String name=br.readLine();
//查找map中匹配的socket，與之建立通信
users.forEach((k, v)->{
if (v.equals(name)) {
isExist=true;//全局變量與線程修改問題
}
});
//已修復用戶不存在的處理邏輯
Socket temp=null;
for(Map.Entry mapEntry : users.entrySet()){
if(mapEntry.getValue().equals(name))
temp = mapEntry.getKey();
}
if (isExist){
isExist=false;
//私信後有一方用戶離開，另一方未知，仍然發信息而未收到回復，未處理這種情況
while ((msg=br.readLine())!=null){
if (!msg.equals("E")&&!isLeaved(temp))
sendToOne(msg,localName,temp);
else if (isLeaved(temp)){
pw.println("對方已經離開，已斷開連接！");
break;
}
else{
pw.println("您已退出私信模式！");
break;
}
}
}
else
pw.println("用戶不存在！");
}
//選擇群聊
else if (msg.trim().equals("G")){
pw.println("您已進入群聊。");
while ((msg=br.readLine())!=null){
if (!msg.equals("E")&&users.size()!=1)
sendToMembers(msg,localName,socket);
else if (users.size()==1){
pw.println("當前群聊無其他用戶在線，已自動退出！");
break;
}
else {
pw.println("您已退出群組聊天室！");
break;
}
}
}
else
pw.println("請選擇聊天狀態！");
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
try {
if (socket != null)
socket.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
六、效果演示：TCP網絡實時聊天室
首先，開啟多個客戶端，連接伺服器開始進入通信狀態。
下面動圖演示了幾個基本功能，可以看到三個用戶實現了實時通信聊天，包括群聊和私聊功能。其他功能就留給大家去探索。
結語
系列文章從入門開始，不斷完善C/S架構的Socket通信，回憶一下，首先是實現了Server和Client的互相通信，在這個過程發現問題，接著就使用多線程技術解決客戶端實時接收信息的問題，後來到了伺服器端，發現多用戶連接伺服器的「先到先得」問題，「後到者」無法正常通信，所以再使用線程池技術解決了多用戶伺服器的問題。
本篇基本實現了一個簡單的客戶端-伺服器應用，使用客戶端-伺服器（C/S架構），結合多線程技術，模擬類似QQ、微信聊天功能，實現一個網絡實時聊天室。
學習到的知識有：多線程、線程池、Socket通信、TCP協議、HashMap、JavaFX等，所有知識的結合運用，並通過實戰練習，一步步理解知識！
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作者：Charzueus 來源：博客園
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