Tcp粘包和拆包

TCP 粘包和拆包是网络编程中常见的问题，本质是 TCP 协议面向字节流的特性导致的数据边界不明确。TCP 的 面向字节流特性数据传输就像水流一样连续，没有明确的“数据包”边界。这种设计让 TCP 能高效传输数据，但也导致应用层必须自己处理数据的“分段”逻辑。
TCP 协议本身 不感知应用层的数据结构，它只负责按顺序传输字节流。发送方的多次 write 操作和接收方的多次 read 操作之间没有一一对应的关系，导致数据可能被 合并（粘包） 或 拆分（拆包）。

想象两个水桶通过一根水管连接：
发送方：向水管中倒入多次水（多次 write 数据）。
接收方：从水管中舀水（多次 read 数据）。
问题：每次倒入的水量（数据包）和舀出的水量（读取的字节数）可能不一致，导致无法区分每次倒入的“一杯水”的边界。

粘包（TCP粘包问题）
粘包是指发送方连续发送多个数据包时，接收方无法准确分辨出每一个完整的数据包，导致接收方接收到的数据是多个消息粘在一起的情况。

例如，发送端发送了两个数据包，分别是“Hello”和“World”。但是，接收端收到的数据可能是“HelloWorld”——这就是粘包。

拆包（TCP拆包问题）
拆包是指发送的数据包太大，接收方不能一次性读取一个完整的数据包，导致接收方只能接收到部分数据，而剩余的部分需要继续接收。接收方的缓冲区通常会被分割成多个部分进行接收，可能导致拆包现象。

例如，发送端发送了一个大的数据包“HelloWorld123456”，而接收端的缓存限制只能一次读取到“HelloWorld”部分，剩下的“123456”需要再次读取。

为什么会出现粘包和拆包？
TCP是流式协议，没有消息边界。
数据包的大小不固定，网络状况不稳定时，会发生拆包或者粘包。
操作系统内核的缓冲区大小限制，可能会导致发送的数据被分割。
接收方的处理方式不当，比如没有正确地判断消息边界。

import java.io.*;
import java.net.*;

public class TCPClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创建Socket连接
        Socket socket = new Socket("localhost", 8080);
        // 获取输出流
        OutputStream os = socket.getOutputStream();
        BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(os);

        // 发送两条消息
        String msg1 = "Hello";
        String msg2 = "World";
        
        bos.write(msg1.getBytes());
        bos.write(msg2.getBytes());
        bos.flush(); // 强制发送数据
        System.out.println("Message sent.");
        
        bos.close();
        socket.close();
    }
}

import java.io.*;
import java.net.*;

public class TCPServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创建ServerSocket监听端口
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080);
        System.out.println("Server started...");

        // 等待客户端连接
        Socket socket = serverSocket.accept();
        InputStream is = socket.getInputStream();
        BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(is);

        // 读取数据
        byte[] buffer = new byte[1024];
        int bytesRead;
        while ((bytesRead = bis.read(buffer)) != -1) {
            String received = new String(buffer, 0, bytesRead);
            System.out.println("Received message: " + received);
        }

        bis.close();
        socket.close();
    }
}

这个例子中，客户端发送了两条消息：“Hello” 和 “World”，但由于TCP协议没有消息边界，接收端无法明确知道数据的边界。在实际运行中，服务端可能会接收到两个消息连在一起，像这样：“HelloWorld”，这就是粘包问题。

如果客户端发送的数据比较大，接收端的缓冲区有限制，接收端可能只能接收一部分数据，剩余的部分会等待下一次读取，这就是拆包问题。

如何解决粘包和拆包问题？
固定长度的消息：每个消息固定长度，这样接收端可以按照固定的长度来读取数据。
特殊分隔符：在每个消息的末尾添加特殊字符（如\n），接收端根据分隔符来识别消息的结束。
自定义协议：通过在每个消息头中加入消息的长度信息，接收端根据这个长度来读取数据。

通过添加消息长度来解决拆包和粘包问题
我们可以给每个消息添加一个固定的头部，表示消息的长度。这样，接收端就可以知道每条消息的长度，从而正确地拆解数据。

public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创建Socket连接
        Socket socket = new Socket("localhost", 8080);
        // 获取输出流
        OutputStream os = socket.getOutputStream();
        BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(os);

        // 发送两条消息
        String msg1 = "Hello";
        String msg2 = "World";

        // 发送消息长度+消息内容
        sendMessage(bos, msg1);
        sendMessage(bos, msg2);

        bos.close();
        socket.close();
    }

    private static void sendMessage(BufferedOutputStream bos, String msg) throws IOException {
        byte[] msgBytes = msg.getBytes();
        int length = msgBytes.length;
        bos.write(length >> 8);  // 发送长度的高字节
        bos.write(length);       // 发送长度的低字节
        bos.write(msgBytes);     // 发送消息内容
        bos.flush();
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创建ServerSocket监听端口
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080);
        System.out.println("Server started...");

        // 等待客户端连接
        Socket socket = serverSocket.accept();
        InputStream is = socket.getInputStream();
        BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(is);


        while (true) {
            int lengthHigh = bis.read();
            int lengthLow = bis.read();
            if (lengthHigh == -1 || lengthLow == -1) break;

            int length = (lengthHigh << 8) | lengthLow;
            byte[] msgBytes = new byte[length];
            bis.read(msgBytes, 0, length);

            String received = new String(msgBytes);
            System.out.println("Received message: " + received);
        }

        bis.close();
        socket.close();
    }