ソケットを使ってメッセージを回す

Question

ソケットを使ってメッセージをリング状に回す通信を考えています。クライアントを一台指定し、サーバを複数立ち上げます。クライアントからメッセージを受け取ったサーバが別のサーバに送ることができません。その時BindExceptionError Address Already in use.とエラー表示されます。ソケット通信で、別のIPとポート番号を新しく生成して送ることができないのでしょうか。プログラム等を記述してもらえたら幸いです。どうかよろしくお願いします。

ngsvx · Accepted Answer

前々回では説明しませんでしたが、概要を記述しておきます。

構成は、

Ａ－Ｂ－Ｃ－Ｄ－Ｂ－Ｃ－Ｄ．．．

です。


前々回はＡ－Ｂ間のやりとりのためにstartというコマンドを定義しました。
それは、Ｂが受信したのが、ＡからなのかＣからなのか判別するのが難しいのでは
ないかと予想したからです。（あまり深く考えていませんでした）

今回、よく考えたら、このstartコマンドは必要なさそうです。

そのかわり、transportコマンドにパラメータを定義し、開始時刻はＡのマシンでセットします。


・最大ループ数（何周するか）
・現在のループ数（何周目かを表す。初めてマシンＢに来たときには１が入っている）

を加えましょう。


そうすると必要なのは、

・Ａの役割をするプログラム
・Ｂ～Ｄのプログラム

です。


この２つは、役割が違います。

●Ａのプログラム

　・開始ＩＰアドレス、計測回数などを入力し、マシンＢに接続する。


●Ｂ～Ｄのプログラム

　・受信したデータを次のマシンに転送する。
　・もし、ゴールＩＰアドレスが自分なら、現在のループ数に１を加算する。
　・最大ループ数を越えるようなら終了する。


実際には、ＡとＢのマシンは同一でも問題ありません。
その場合、自分のＩＰアドレスに対して接続することになります。


仕様を確認しておきましょう。

●プロトコル

・改行までが１レコード
・空行があれば、データ終了
・レコード内のデータは次のようにエスケープする。
　・&は&
　・0x0Dは&CR;
　・0X0Aは&LF;
・１行目はコマンド

コマンドは、現時点では'transport'のみ

（コマンドがtransportの場合）
・２行目は、ゴールとなるＩＰアドレス
・３行目は、スタートした時刻(java.util.Date#getTime()の値）
・４行目は、最大ループ数。
・５行目は、現在のループ数。
・６行目以降は任意。
・転送する場合は、データの全てを転送する


●プログラムの流れ(Ｂ～Ｄマシン用)

ServerSocket serevr = new ServerSocket();


for( ;; ){
　Socket socket = serverSocker.accept();

　//ストリームを取得
　InputStream is = socket.getInputStream();
　InputStreamReader isr = new InputStreamReader(is);
　BufferedReader br = new BufferedReader(isr);

　//全行を読み込む
　List datas = new ArrayList();
　String line = br.readLine();
　while( !line.equals("") ){
　　datas.add(line);
　　line = br.readLine();
　}
　br.close();

　//コマンドによる分岐処理
　String cmd = (String)datas.get(0);
　if(cmd.equals("transport")){
　　String  goalIpAaddress = (String)datas.get(1);
　　long    startTime = Long.parseLong( (String)datas.get(2) );
　　int     maxLoop = Integer.parseInt( (String)datas.get(3) );
　　int     curLoop = Integer.parseInt( (String)datas.get(4) );
　　if(自分がゴールの場合){
　　　if(maxLoop <= curLoop){
　　　　//終了処理
　　　}else{
　　　　//新周回処理
　　　　datas.set(4, Integer.toString(curLoop + 1));
　　　　//次へ転送
　　　　tranportToNext(nextIp, portNo, datas);
　　　}
　　}else{
　　　//単純に次へ転送
　　　tranportToNext(nextIp, portNo, datas);
　　}

　}
　socket.close();
}


static void  transportToNext(String ipaddress, int port, List datas){

　//次のマシンへ接続
　InetAddress adr = getAddressByString(ipaddress);
　Socket socket = new Socket(adr);

　//出力ストリーム取得
　OutputStream os = socket.getOutputStream();
　PrintWriter pw = new PrintWriter(os);

　//ストリームへ書き込み
　for(int i = 0 ; i < datas.size() ; i++){
　　pw.println((String)datas.get(i));
　}
　pw.flush();
　pw.close();
　socket.close();

}


static InetAddress  getAddressByString(String ipaddress){
　String[] parts = ipaddress.split("\.");
　byte[] bParts = new byte[4];
　for(int i = 0 ; i < 4 ; i++){
　　bParts[i] = (byte)Integer.parseInt(parts[i]);
　}

　InetAddress adr = InetAddress.getByAddress(bParts);

　return adr;

}


●補足

前の時とは少し変更になりました。
それと、保留になっていた回答の分もあったので、
かなり具体的なコードになってしまいましたが、
雰囲気だけだと思ってください。
（ドキュメントを見ていない部分もありますから、保証できません）

ngsvx · Answer

●String#split(String regex)で指定する、\.について

ドキュメントからの引用で、

「この文字列を、指定された正規表現に一致する位置で分割します。」

とあります。


このため、単純に文字列で区切ることもできますが、もっと高度なことも可能です。

例えば、
「カンマかスペースで区切りたい」
というときは、
split("[, ]")

で可能です。

この「正規表現」というのは、文字列中から、あるパターンにマッチした文字列を
探すためのルールです。

正規表現のルールの中に、特殊な扱いをする文字が幾つか定義されています。
「.」もその一つで、特別な意味を持っています。

「.」の文字そのものと一致させるには、前に\を付け、「\.」とする必要があります。

注意しなければならないのは、今の話は正規表現を解析するプログラムに渡す文字の話だということです。

JAVAのコードで書くときには、さらに「\」を増やして、「\.」とする必要があります。
というのは、JAVAのコンパイラも「\」を特殊な文字と認識しているからです。

ソースコード　　\.
コンパイル後　　\.
正規表現の入力　\.

となるわけです。


正規表現という言葉は、JAVAだけで使われるものではありません。
（JAVAで使えるようになったのは、つい最近のことです）

正規表現の詳しいことは別途ネットで検索して下さい。
これだけで本が１冊書けるほどなので、ここでは説明しきれません。


●再度待ち状態にする件

　ＢＣＤのプログラムで、「終了処理」のところで、実行に関係することを何もしなければ、

　次のマシンに転送せずにメインループに戻る
　つまり、待ち状態になる。

　という動作になるはずです。

　再度マシンＡからメッセージを送れば動くと思います。

　ちなみに、マシンＡと、マシンＢは、物理的に同じマシンでも問題はありません。

　その場合、

　Ａ－Ａ－Ｂ－Ｃ－Ａ－Ｂ－Ｃ．．．

　というループになります。



●最後に

　ようやく動作したようで、よかったですね。

　今回、いろいろと書いたつもりなので、後で今回のＱ＆Ａを読み直してください。

　特に、改造をするなら仕組みは覚えておく必要があります。

　今回のプログラムは、通信の基本が入っているので、他のことでも役にたつかもしれません。

　では、頑張っていろいろ改造して下さい。

ngsvx · Answer

●マシンＡのコード

プリミティブ型というのをご存じでしょうか？

byte,char,short,int,long,float,doubleの変数です。

これらは、Objectクラスとは関係のないものです。


ArrayList#add()は引数にObject型（サブクラスを含む）を要求します。

ですから、add()メソッドにlongの変数などを直接渡すことはできません。


そのような場合、プリミティブ型をObject型に変換する必要があります。

変換には、考え方が２通りあります。

・プリミティブ型のラッパークラスを使う
・Stringクラスにする

今回の場合は、プリミティブ型の変数は送信するだけであり、送信の際には
文字列として送ることになっていますから、Stringクラスにしてしまえば問題ありません。

プリミティブ型を文字列にするには、そのプリミティブ型のラッパークラスの
スタティックメソッドを使います。

例えば、

long　a = 100；
String　ｓ　=　Long.toString(a)；

とします。

ですから、コメントになっている部分は、

datas.add(1, Long.toString(startTime) );

のようにして下さい。


●サブルーチン化に関して

　サブルーチン化することは、非常に重要なことです。
　「そのうちやろう」ではなく、最重要課題だと思って、積極的に使ってください。

　サブルーチン化されていないコードは、テストするときにも大変です。

　テストは、下位のサブルーチンから行います。そのルーチンが問題なければ、
　次に、それを使っているルーチンをテストしていき、さらにそれを使っているもの
　をテストする・・・というように行います。

　下位のものからテストすることで、保証済みの部分を増やしていくことができます。
　これはバグが出た場合、発見が用意になってきます。

　例えば、Javaの標準APIはほとんど信用して使いますよね？
　自分で標準APIを増やしていくようなイメージです。

　長いコードのメソッドはテストも行いにくくなるはずです。

　メソッド｛
　　//処理Ａ
　　．．．．（２０行）
　　//処理Ｂ
　　．．．．（１５行）
　　//処理Ｃ
　　．．．．（１０行）
　｝


　これをテストするには、メソッドに修正を加えなければいけなくなります。

　このようなのは、

　メソッド｛
　　int a = sub1();
　　int b = sub2(a);
　　int c = sub3(b);
　｝

　のような形にしてしまいましょう。

　繰り返しになりますが、積極的に使ってください。

ngsvx · Answer

●「return文が・・・」のメッセージに関して

　確認の意味も含めて、順を追って説明します。

　・メソッドで戻り値を宣言したら、そのタイプを戻すreturn文が必須となる。

　　メソッドで￥

　　　public　String　getValue(){

　　のように宣言したら、必ず、Stringを返すreturn文が必要です。
　　ですから、次のコードはコンパイルエラーとなります。

　　　public　String　getValue(){

　　　}　　　　//String型をreturnしていないためエラー


　・その場合、プログラムがどのように流れても、returnで返らなければならない。

　　public　String　getValue(int　type){

　　　if(　type　==　1　){
　　　　　return　　"abc";
　　　}

　　}

　　この場合、typeが１以外のとき、return文が実行されないため、コンパイルエラー。


　ここまでは、多分大丈夫ですよね？ご質問のケースは、今のと似ています。

 1:　　public static InetAddress getAddressByString(String sIp) {
 2:
 3:　　　try {
 4:　　　　String[] parts = sIp.split("\.");
 5:　　　　byte[] bParts = new byte[4];
 6:　　　　for(int i = 0 ; i < 4 ; i++) {
 7:　　　　　bParts[i] = (byte)Integer.parseInt(parts[i]);
 8:　　　　}
 9:　　　　InetAddress adr = InetAddress.getByAddress(bParts);
10:　　　　return adr;
11:　　　}
12:　　　catch (IOException e) {
13:　　　　System.out.println(e);
14:　　　}
15:　　　catch (Exception e) {
16:　　　　System.out.println(e);
17:　　　}
18:
19:　　}

　これが問題のコードですが、もし４～１０行目のどこかで例外が発生すると、
　return文が実行されません。

　例えばメソッド引数のsIpに"192.a.1.3"と入っていたとします。
　すると、７行目（iが1のとき）のInteger.parseInt("a")が実行されることになります。

　"a"は数字ではないので、NumberFormatExceptionという例外が発生します。
　すると、実行の流れは、

　７行目→１６行目→１７行目→１８行目→１９行目

　となり、return文が実行されずに終了することになります。

　従って、コンパイルエラーになります。

　解決するには、
　　・１４、１７行目にreturn　nullを入れる
　　・１８行目にreturn　nullを入れる
　　・１４、１７行目で例外をthrowする
　　・１８行目で例外をthrowする
　　・tryの囲みとcatchを外し、（必要なら）メソッドにthrows節を加える。

　　などがあります。

●コードに関して

　細かくは見ていませんが、いくつかアドバイスをします。

　・socketのクローズはストリームのクローズの次でいいはずです。
　　使わない変数をずっと持っているのは、可読性の意味でもよくありません。


　・コードは読みやすくなるように書くことを心がけてください。

　　読みやすいコードにするには、メソッドをあまり長くかかないことです。
　　だいたい２０行くらいが目安です。
　　そうすることで、全体の流れがわかりやすくなります。

　　もし２０行以上長くなりそうな場合は、処理のブロックをサブルーチン化します。
　　ちなみに、２０行というのは、画面に入るだいたいの行数です。

　　今回のコードでは、

　　　for(;;){
　　　　//コネクション受付
　　　　//コネクション処理
　　　}

　　とできるはずです。

　　コネクション受付　→　Socket socket = server.accept();
　　コネクション処理　→　サブルーチン

　　それに伴い、例外のtryの囲みも別の場所に移動することになります。

　　また、サブルーチン化しておくと、変更時やテスト時に便利なことが多いです。


　　私が書いた、transportToNext()メソッドで、getAddressByString()の内容を直接記述
　　しなかったのも読みやすくするためです。



●バグの発見

　transportToNext()メソッドで、データを全て書いた後で、空行を書き込んでください。
　空行がデータの終わりとしているので、このままではバグになります。

ngsvx · Answer

サーバーに関しては、コンパイルは完了してますね？


もう、わかったとは思いますが、一応、マシンＡの送信用プログラムの要件を書いておきます。

・ユーザーから指定されたポート番号、ＩＰアドレスに対し、メッセージを送る。
　（ループ回数も指定してもいいかもしれません）

・送る内容は次の通り（#9で仕様は決めました）

　・１行目：コマンド　'transport'
　・２行目：ゴールのＩＰアドレス（ユーザーから指定されたＩＰアドレス）
　・３行目：スタートした時刻
　・４行目：最大のループ数（任意で設定しましょう）
　・５行目：現在のループ数（０（ゼロ））
　・６行目：空行


・必要な内容を送信したら、ストリームやソケットを閉じて、終了します。


こちらの方は、それほど難しくはないでしょう。

ngsvx · Answer

>コンパイルするとreturn文が指定されていませんというエラーが出ます

例外が発生したときのreturn文がないからです。



>おかしい箇所がありましたら、指摘してくださると幸いです。

おかしい箇所と言われても、概略だけですからねえ(^^;

実際のコードでは「新周回処理」はサブルーチンにした方がいいですね。



それと、質問をして回答をもらったら、解決したのか等の返事をして下さいね。(#9,#11で質問をしてますよね？）
それがエチケットですよ。

ngsvx · Answer

●コマンド引数について

　コマンド引数は、プログラムの先頭で、意味のある名前の変数に代入してから使いましょう。
　その方が、わかりやすくなります。

public static void main(String[] args) {

　　　//コマンド引数
　　　String  sIpaddress = args[0];
　　　String  sPortNo = args[1];


●文字列比較について

　compareToメソッドは、文字列の大小判定のためのものです。
　同じか違うかだけでよければ、equalsメソッドを使うのが常識です。

　常識から外れたことをすると、読んだ人に誤解を与えるので気を付けてください。


●回答１
>transportToNext(ipadr,port,datas);
>のところで、static void transportToNext(String ipadr, int port, List datas) {............}メソッドをどうやって
>引数（ipadr,port,datas)と共に渡して呼び出すことができるのでしょうか？

　意味がわかりません。transportToNext()メソッドからはtransportToNext()メソッドは呼び出してませんよ。



●回答２

>static InetAddress getAddressByString(String ipadr) {...............}
>メソッドの部分は、どこから呼び出してくるのでしょうか？

　transportToNext()メソッドの先頭で使っているはずです。

　あなたが書いたソースでは、

　static void transportToNext(String ipadr, int port, List datas) {
　　//次のマシンへ接続
　　//InetAddress adr = getAddressByString(args[0]);
　　Socket nextsocket = new Socket(ipadr,port);

　とコメントになってますね。

　ドキュメントでは、SocketクラスのコンストラクタでString、intを渡すと、
　「ホスト名」、「ポート番号」ということになるとのことです。

　この「ホスト名」がＩＰアドレス文字列を受け付けるのかは試してませんが、
　受け付けるのであれば、getAddressByString（）メソッドは必要ありません。

　私は、「ホスト名」だから、ＩＰアドレスはダメだと思い、このようなコードにしました。

ngsvx · Answer

２つ書き忘れましたので追記しておきます。


１．文字列の比較

　文字列の比較は==ではありません。

　a = "1234";
　if(a.equals("1234")){
　}

　とします。


２．自マシンのIPアドレスの取得方法

　　ＩＰアドレスの文字列を取得するには、
　　import java.net.InetAddress;


　　InetAddress adr = InetAddress.getLocalHost();
　　String ipadr = adr.getHostAddress();

　　とすればＯＫです。

ngsvx · Answer

>プログラムを組んだことがないのでけっこう難しいと思うのですが

どっひゃー！！初心者だとは思ってましたけど、そこまでとは思いませんでした。
こりゃ、たいへんかも。。。

まあ、しかし、ここまできたら最後まで一緒にがんばりましょう。

次回から、質問をするときには、自分のレベルを説明しておくようにして下さい。
そうすると、答える方も楽になります。



では、回答をします。

●回答１

　Connectクラスというのを定義したようですが、定義した理由は何でしょうか？
　クラスにする理由は特にないと思うのですが。

　また、使うにしても、このクラスはおかしい箇所がいくつかあります。

　　class Connect{
　　　String ipaddress = "150.84.26.75";　　//←ここ
　　　int port;　　　　　　　　　　　　　　　//←ここ
　　　List datas;　　　　　　　　　　　　　　//←ここ

　矢印で示した部分は、必要ありません。どこからも触っていませんから。

　さらに、tranportToNextメソッドをstaticにしたのなら、インスタンスを生成する必要はありません。

　もうひとつ、クラスにするのなら、getAddressByString()も定義しておかなければなりません。


●回答２

　その通りです。
　Socketクラスには、文字列のIPアドレスを直接渡せず、InetAddress クラスで渡す必要があります。
　また、InetAddress にも文字列で渡せず、byte配列で渡す必要があります。
　そのために、このような処理になっています。

●回答３

　意味がよくわかりません。
　接続先ＩＰアドレスをどうやって設定するかということでしょうか？

　いくつか方法はありますが、簡単なのはプログラムの起動時にパラメータとして渡すことです。

　プログラムの起動は、

　　C:>java　クラス名　

　のようにすると思いますが、ここで次のようにします。

　　C:>java　クラス名　192.0.0.1

　プログラム側では、

　　public static main(String[] args){

　のargs[0]に192.0.0.1が入ります。

ngsvx · Answer

１．エスケープ文字について

　今回決めたプロトコルでは、

　「改行までが１レコード」

　としました。そのため、データの中に改行がある場合は困ってしまいます。

　そのため、改行コードは別の文字に置き換えてしまうのです。

　改行は、0x0A、0x0Dを使いますから、この２つを別の文字にしてしまえばいいわけです。

　今回は、私が個人的によく使う方法（ＸＭＬを手本にしています）にしただけです。

　・0x0Dは&CR;
　・0X0Aは&LF;

　だけだと、&CR;というデータなのか、0x0Dを置き換えたものかわかりません。
　そこで、&も置き換えてしまいます。

　・&は&

　すると、&CR;というデータの場合は&CR;となり区別できます。



２．コマンドについて

　これは、単に転送するデータの項目の名前だと思ってください。

　誤解があるようですが、

　　・改行までが１レコード
　　・空行があれば、データ終了
　　・レコード内のデータは次のようにエスケープする。
　　　・&は&
　　　・0x0Dは&CR;
　　　・0X0Aは&LF;
　　・１行目はコマンド

　というのは、すべて転送するデータです。

　つまり、ソケットの出力ストリームに書き込みます。


３．ゴールについて

　前回では、ゴール時に何をするのかまでは決められていません。

　従って、転送しても、終了しても構いません。




とりあえず、ここまで理解できたら次の質問を回答します。

ソケットを使ってメッセージを回す

前々回では説明しませんでしたが、概要を記述しておきます。

この回答への補足

●String#split(String regex)で指定する、\\.について

●マシンＡのコード

この回答への補足

●「return文が・・・」のメッセージに関して

サーバーに関しては、コンパイルは完了してますね？

この回答への補足

>コンパイルするとreturn文が指定されていませんというエラーが出ます

この回答への補足

●コマンド引数について

この回答への補足

２つ書き忘れましたので追記しておきます。

この回答への補足

>プログラムを組んだことがないのでけっこう難しいと思うのですが

１．エスケープ文字について

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