面试突击：什么是粘包和半包？怎么解决？

粘包和半包问题是面试数据传输中比较常见的问题，所谓的突击粘包问题是指数据在传输时，在一条消息中读取到了另一条消息的什粘部分数据，这种现象就叫做粘包。包和半包比如发送了两条消息，解决分别为“ABC”和“DEF”，面试那么正常情况下接收端也应该收到两条消息“ABC”和“DEF”，突击但接收端却收到的什粘是“ABCD”，像这种情况就叫做粘包，包和半包如下图所示：

半包问题是解决指接收端只收到了部分数据，而非完整的面试数据的情况就叫做半包。比如发送了一条消息是突击“ABC”，而接收端却收到的什粘是“AB”和“C”两条信息，这种情况就叫做半包，包和半包如下图所示：

PS：大部分情况下我们都把粘包问题和半包问题看成同一个问题，解决所以下文就用“粘包”问题来替代“粘包”和“半包”问题。

1.为什么会有粘包问题？

粘包问题发生在 TCP/IP 协议中，因为 TCP 是面向连接的传输协议，它是站群服务器以“流”的形式传输数据的，而“流”数据是没有明确的开始和结尾边界的，所以就会出现粘包问题。

2.粘包问题代码演示

接下来我们用代码来演示一下粘包和半包问题，为了演示的直观性，我会设置两个角色：

服务器端用来接收消息；客户端用来发送一段固定的消息。

然后通过打印服务器端接收到的信息来观察粘包问题。服务器端代码实现如下：

/

**

* 服务器端（只负责接收消息）

*/

class ServSocket {

// 字节数组的长度

private static final int BYTE_LENGTH = 20;

public static void main(String[] args) throws IOException {

// 创建 Socket 服务器

ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8888);

// 获取客户端连接

Socket clientSocket = serverSocket.accept();

// 得到客户端发送的流对象

try (InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream()) {

while (true) {

// 循环获取客户端发送的信息

byte[] bytes = new byte[BYTE_LENGTH];

// 读取客户端发送的信息

int count = inputStream.read(bytes, 0, BYTE_LENGTH);

if (count > 0) {

// 成功接收到有效消息并打印

System.out.println("接收到客户端的信息是:" + new String(bytes));

}

count = 0;

}

}

}

}

客户端实现代码如下：

/

**

* 客户端（只负责发送消息）

*/

static class ClientSocket {

public static void main(String[] args) throws IOException {

// 创建 Socket 客户端并尝试连接服务器端

Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 8888);

// 发送的消息内容

final String message = "Hi,Java.";

// 使用输出流发送消息

try (OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()) {

// 给服务器端发送 10 次消息

for (int i = 0; i < 10; i++) {

// 发送消息

outputStream.write(message.getBytes());

}

}

}

}

以上程序的执行结果如下图所示：

通过上述结果我们可以看出，服务器端发生了粘包问题，因为客户端发送了 10 次固定的“Hi,Java.”的消息，正确的结果应该是服务器端也接收到了 10 次固定消息“Hi,Java.”才对，但实际执行结果并非如此。

3.解决方案

粘包问题的亿华云常见解决方案有以下 3 种：

发送方和接收方固定发送数据的大小，当字符长度不够时用空字符弥补，有了固定大小之后就知道每条消息的具体边界了，这样就没有粘包的问题了；在 TCP 协议的基础上封装一层自定义数据协议，在自定义数据协议中，包含数据头（存储数据的大小）和 数据的具体内容，这样服务端得到数据之后，通过解析数据头就可以知道数据的具体长度了，也就没有粘包的问题了；以特殊的字符结尾，比如以“\n”结尾，这样我们就知道数据的具体边界了，从而避免了粘包问题（推荐方案）。解决方案1：固定数据大小

收、发固定大小的数据，服务器端的实现代码如下：

/

**

* 服务器端，改进版本一（只负责接收消息）

*/

static class ServSocketV1 {

private static final int BYTE_LENGTH = 1024; // 字节数组长度（收消息用）

public static void main(String[] args) throws IOException {

ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(9091);

// 获取到连接

Socket clientSocket = serverSocket.accept();

try (InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream()) {

while (true) {

byte[] bytes = new byte[BYTE_LENGTH];

// 读取客户端发送的信息

int count = inputStream.read(bytes, 0, BYTE_LENGTH);

if (count > 0) {

// 接收到消息打印

System.out.println("接收到客户端的信息是:" + new String(bytes).trim());

}

count = 0;

}

}

}

}

客户端的实现代码如下：

/

**

* 客户端，改进版一（只负责接收消息）

*/

static class ClientSocketV1 {

private static final int BYTE_LENGTH = 1024; // 字节长度

public static void main(String[] args) throws IOException {

Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 9091);

final String message = "Hi,Java."; // 发送消息

try (OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()) {

// 将数据组装成定长字节数组

byte[] bytes = new byte[BYTE_LENGTH];

int idx = 0;

for (byte b : message.getBytes()) {

bytes[idx] = b;

idx++;

}

// 给服务器端发送 10 次消息

for (int i = 0; i < 10; i++) {

outputStream.write(bytes, 0, BYTE_LENGTH);

}

}

}

}

以上代码的云服务器提供商执行结果如下图所示：

优缺点分析

从以上代码可以看出，虽然这种方式可以解决粘包问题，但这种固定数据大小的传输方式，当数据量比较小时会使用空字符来填充，所以会额外的增加网络传输的负担，因此不是理想的解决方案。

解决方案2：自定义请求协议

这种解决方案的实现思路是将请求的数据封装为两部分：消息头（发送的数据大小）+消息体（发送的具体数据），它的格式如下图所示：

此解决方案的实现分为以下 3 部分：

编写一个消息封装类编写客户端编写服务器端

接下来我们一一来实现。

① 消息封装类

消息的封装类中提供了两个方法：一个是将消息转换成消息头 + 消息体的方法，另一个是读取消息头的方法，具体实现代码如下：

/

**

* 消息封装类

*/

class SocketPacket {

// 消息头存储的长度(占 8 字节)

static final int HEAD_SIZE = 8;

/

**

* 将协议封装为:协议头 + 协议体

* @param context 消息体(String 类型)

* @return byte[]

*/

public byte[] toBytes(String context) {

// 协议体 byte 数组

byte[] bodyByte = context.getBytes();

int bodyByteLength = bodyByte.length;

// 最终封装对象

byte[] result = new byte[HEAD_SIZE + bodyByteLength];

// 借助 NumberFormat 将 int 转换为 byte[]

NumberFormat numberFormat = NumberFormat.getNumberInstance();

numberFormat.setMinimumIntegerDigits(HEAD_SIZE);

numberFormat.setGroupingUsed(false);

// 协议头 byte 数组

byte[] headByte = numberFormat.format(bodyByteLength).getBytes();

// 封装协议头

System.arraycopy(headByte, 0, result, 0, HEAD_SIZE);

// 封装协议体

System.arraycopy(bodyByte, 0, result, HEAD_SIZE, bodyByteLength);

return result;

}

/

**

* 获取消息头的内容(也就是消息体的长度)

* @param inputStream

* @return */

public int getHeader(InputStream inputStream) throws IOException {

int result = 0;

byte[] bytes = new byte[HEAD_SIZE];

inputStream.read(bytes, 0, HEAD_SIZE);

// 得到消息体的字节长度

result = Integer.valueOf(new String(bytes));

return result;

}

}

② 客户端

客户端中我们添加一组待发送的消息，随机给服务器端发送一个消息，实现代码如下：

/

**

* 客户端

*/

class MySocketClient {

public static void main(String[] args) throws IOException {

// 启动 Socket 并尝试连接服务器

Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 9093);

// 发送消息合集（随机发送一条消息）

final String[] message = { "Hi,Java.", "Hi,SQL~", "关注公众号|Java中文社群."};

// 创建协议封装对象

SocketPacket socketPacket = new SocketPacket();

try (OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()) {

// 给服务器端发送 10 次消息

for (int i = 0; i < 10; i++) {

// 随机发送一条消息

String msg = message[new Random().nextInt(message.length)];

// 将内容封装为:协议头+协议体

byte[] bytes = socketPacket.toBytes(msg);

// 发送消息

outputStream.write(bytes, 0, bytes.length);

outputStream.flush();

}

}

}

}

③ 服务器端

服务器端使用线程池来处理每个客户端的业务请求，实现代码如下：

/

**

* 服务器端

*/

class MySocketServer {

public static void main(String[] args) throws IOException {

// 创建 Socket 服务器端

ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(9093);

// 获取客户端连接

Socket clientSocket = serverSocket.accept();

// 使用线程池处理更多的客户端

ThreadPoolExecutor threadPool = new ThreadPoolExecutor(100, 150, 100,

TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingQueue<>(1000));

threadPool.submit(() -> {

// 客户端消息处理

processMessage(clientSocket);

});

}

/

**

* 客户端消息处理

* @param clientSocket

*/

private static void processMessage(Socket clientSocket) {

// Socket 封装对象

SocketPacket socketPacket = new SocketPacket();

// 获取客户端发送的消息对象

try (InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream()) {

while (true) {

// 获取消息头(也就是消息体的长度)

int bodyLength = socketPacket.getHeader(inputStream);

// 消息体 byte 数组

byte[] bodyByte = new byte[bodyLength];

// 每次实际读取字节数

int readCount = 0;

// 消息体赋值下标

int bodyIndex = 0;

// 循环接收消息头中定义的长度

while (bodyIndex <= (bodyLength - 1) &&

(readCount = inputStream.read(bodyByte, bodyIndex, bodyLength)) != -1) {

bodyIndex += readCount;

}

bodyIndex = 0;

// 成功接收到客户端的消息并打印

System.out.println("接收到客户端的信息:" + new String(bodyByte));

}

} catch (IOException ioException) {

System.out.println(ioException.getMessage());

}

}

}

以上程序的执行结果如下：

从上述结果可以看出，消息通讯正常，客户端和服务器端的交互中并没有出现粘包问题。

优缺点分析

此解决方案虽然可以解决粘包问题，但消息的设计和代码的实现复杂度比较高，所以也不是理想的解决方案。

解决方案3：特殊字符结尾

以特殊字符结尾就可以知道流的边界了，它的具体实现是：使用 Java 中自带的 BufferedReader 和 BufferedWriter，也就是带缓冲区的输入字符流和输出字符流，通过写入的时候加上 \n 来结尾，读取的时候使用 readLine 按行来读取数据，这样就知道流的边界了，从而解决了粘包的问题。服务器端实现代码如下：

/

**

* 服务器端，改进版三(只负责收消息)

*/

static class ServSocketV3 {

public static void main(String[] args) throws IOException {

// 创建 Socket 服务器端

ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(9092);

// 获取客户端连接

Socket clientSocket = serverSocket.accept();

// 使用线程池处理更多的客户端

ThreadPoolExecutor threadPool = new ThreadPoolExecutor(100, 150, 100,

TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingQueue<>(1000));

threadPool.submit(() -> {

// 消息处理

processMessage(clientSocket);

});

}

/

**

* 消息处理

* @param clientSocket

*/

private static void processMessage(Socket clientSocket) {

// 获取客户端发送的消息流对象

try (BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(

new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream()))) {

while (true) {

// 按行读取客户端发送的消息

String msg = bufferedReader.readLine();

if (msg != null) {

// 成功接收到客户端的消息并打印

System.out.println("接收到客户端的信息:" + msg);

}

}

} catch (IOException ioException) {

ioException.printStackTrace();

}

}

}

PS：上述代码使用了线程池来解决多个客户端同时访问服务器端的问题，从而实现了一对多的服务器响应。

客户端的实现代码如下：

/

**

* 客户端，改进版三(只负责发送消息)

*/

static class ClientSocketV3 {

public static void main(String[] args) throws IOException {

// 启动 Socket 并尝试连接服务器

Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 9092);

final String message = "Hi,Java."; // 发送消息

try (BufferedWriter bufferedWriter = new BufferedWriter(

new OutputStreamWriter(socket.getOutputStream()))) {

// 给服务器端发送 10 次消息

for (int i = 0; i < 10; i++) {

// 注意:结尾的 \n 不能省略,它表示按行写入

bufferedWriter.write(message + "\n");

// 刷新缓冲区(此步骤不能省略)

bufferedWriter.flush();

}

}

}

}

以上代码的执行结果如下图所示：

优缺点分析

以特殊符号作为粘包的解决方案的最大优点是实现简单，但存在一定的局限性，比如当一条消息中间如果出现了结束符就会造成半包的问题，所以如果是复杂的字符串要对内容进行编码和解码处理，这样才能保证结束符的正确性。

总结

粘包和半包问题是数据传输中比较常见的问题，它的解决方案有很多，比较常见的解决方案有：设置固定的数据传输大小、自定义请求协议的封装，在请求头中加入传输数据的长度、使用特殊符号作为结束符等。