面试题：Java TCP Socket编程中的粘包与拆包问题及解决方案

粘包和拆包问题产生的原因

应用层原因：
- 应用程序写入数据的字节大小大于套接字发送缓冲区的大小，就会发生拆包。例如，假设发送缓冲区大小为1024字节，应用程序要发送2048字节的数据，这2048字节的数据就会被拆分到两个或多个TCP数据包中发送。
- 应用程序写入数据的频率过快，而接收方处理数据的速度相对较慢，发送缓冲区还未被清空，新的数据又写入，多个数据包就可能被合并在一起发送，从而产生粘包。
TCP协议本身特性：
- TCP是面向流的协议，它没有明确的报文边界。在发送端，TCP会根据网络状况和发送缓冲区的情况，将多个应用层的数据包合并成一个TCP数据包发送（Nagle算法会优化这种合并，减少网络流量，但也可能导致粘包）。在接收端，TCP将接收到的数据放入接收缓冲区，应用层从接收缓冲区读取数据时，无法确定原始数据包的边界，所以可能会将多个数据包的数据当作一个数据包处理，即粘包；也可能只读取到部分数据包的数据，即拆包。

解决方案及代码示例

定长包：
- 思路：每个数据包都固定长度，如果数据包长度不足，通过填充特定字符（如空格）达到定长。接收方每次按固定长度读取数据，就可以避免粘包和拆包问题。
- 代码示例：

// 发送端
import java.io.OutputStream;
import java.net.Socket;

public class Sender {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 8888);
            OutputStream os = socket.getOutputStream();
            String message = "Hello World";
            // 假设定长为20
            String fixedLengthMessage = String.format("%-20s", message);
            os.write(fixedLengthMessage.getBytes());
            os.close();
            socket.close();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

// 接收端
import java.io.InputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

public class Receiver {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8888);
            Socket socket = serverSocket.accept();
            InputStream is = socket.getInputStream();
            byte[] buffer = new byte[20];
            is.read(buffer);
            String message = new String(buffer).trim();
            System.out.println("Received: " + message);
            is.close();
            socket.close();
            serverSocket.close();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

包头 + 包体：
- 思路：数据包由包头和包体组成，包头中包含包体的长度等信息。接收方先读取包头，获取包体长度，再根据包体长度读取包体数据。
- 代码示例：

// 发送端
import java.io.OutputStream;
import java.net.Socket;

public class Sender {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 8888);
            OutputStream os = socket.getOutputStream();
            String message = "Hello World";
            byte[] body = message.getBytes();
            int bodyLength = body.length;
            // 先发送包头，这里包头简单用4字节表示包体长度
            os.write(intToByteArray(bodyLength));
            // 再发送包体
            os.write(body);
            os.close();
            socket.close();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    private static byte[] intToByteArray(int value) {
        return new byte[]{
                (byte) (value >>> 24),
                (byte) (value >>> 16),
                (byte) (value >>> 8),
                (byte) value
        };
    }
}

// 接收端
import java.io.InputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

public class Receiver {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8888);
            Socket socket = serverSocket.accept();
            InputStream is = socket.getInputStream();
            // 先读取包头，获取包体长度
            byte[] lengthBuffer = new byte[4];
            is.read(lengthBuffer);
            int bodyLength = byteArrayToInt(lengthBuffer);
            byte[] bodyBuffer = new byte[bodyLength];
            is.read(bodyBuffer);
            String message = new String(bodyBuffer);
            System.out.println("Received: " + message);
            is.close();
            socket.close();
            serverSocket.close();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    private static int byteArrayToInt(byte[] bytes) {
        return ((bytes[0] & 0xFF) << 24) |
                ((bytes[1] & 0xFF) << 16) |
                ((bytes[2] & 0xFF) << 8) |
                (bytes[3] & 0xFF);
    }
}

特殊分隔符：
- 思路：在每个数据包的末尾添加特殊的分隔符，接收方通过识别分隔符来分割数据包。
- 代码示例：

// 发送端
import java.io.OutputStream;
import java.net.Socket;

public class Sender {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 8888);
            OutputStream os = socket.getOutputStream();
            String message = "Hello World";
            String messageWithSeparator = message + "|";
            os.write(messageWithSeparator.getBytes());
            os.close();
            socket.close();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

// 接收端
import java.io.BufferedReader;
import java.io.InputStreamReader;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

public class Receiver {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8888);
            Socket socket = serverSocket.accept();
            BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
            String line;
            while ((line = br.readLine()) != null) {
                if (line.endsWith("|")) {
                    String message = line.substring(0, line.length() - 1);
                    System.out.println("Received: " + message);
                }
            }
            br.close();
            socket.close();
            serverSocket.close();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

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