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N-03: TCP ソケット通信（ServerSocket / Socket）

ServerSocket と Socket を使った TCP ソケット通信の基本を解説します。TCP は接続確立（3ウェイハンドシェイク）・データ転送・切断という手順を踏む信頼性の高いプロトコルです。HTTP や FTP など多くのアプリケーション層プロトコルの基盤となっています。

TCP 通信の仕組みと主なクラス

クラス	役割	主なメソッド
ServerSocket	サーバー側。指定ポートで待受し、クライアントの接続を受け付ける	accept()、close()
Socket	クライアント側。サーバーへの接続と双方向通信を担う	getInputStream()、getOutputStream()、close()
BufferedReader	テキスト行単位で読み込むラッパー	readLine()
PrintWriter	テキスト行単位で書き込むラッパー	println()

サンプルコード

シンプルなエコーサーバーの実装例です。サーバーはクライアントから受信したメッセージに「ECHO: 」を付けて返します。「EXIT」を受信するとサーバーを終了します。

Sample.java

import java.io.*;
import java.net.*;
import java.util.concurrent.*;

public class TcpSocketSample {
    // エコーサーバーを別スレッドで起動し、クライアントから接続してメッセージをやり取りするデモ

    // サーバー側: ServerSocket でクライアント待受
    public static void startEchoServer(int port, ExecutorService executor) throws IOException {
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(port);
        executor.submit(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    Socket client = serverSocket.accept(); // クライアント接続待ち
                    try (BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(client.getInputStream()));
                         PrintWriter out = new PrintWriter(client.getOutputStream(), true)) {
                        String line;
                        while ((line = in.readLine()) != null) {
                            out.println("ECHO: " + line); // 受信した文字列をそのまま返す
                            if ("EXIT".equals(line)) {
                                break;
                            }
                        }
                    }
                    serverSocket.close();
                } catch (IOException e) {
                    // サーバー終了
                }
            }
        });
    }

    // クライアント側: Socket で接続してメッセージ送受信
    public static void runClient(int port) throws IOException {
        try (Socket socket = new Socket("localhost", port);
             PrintWriter out = new PrintWriter(socket.getOutputStream(), true);
             BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()))) {

            out.println("Hello, Server!"); // メッセージ送信
            System.out.println("受信: " + in.readLine());

            out.println("EXIT");
            System.out.println("受信: " + in.readLine());
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        int port = 9000;
        ExecutorService executor = Executors.newSingleThreadExecutor();

        startEchoServer(port, executor);
        Thread.sleep(100); // サーバー起動待ち

        runClient(port);

        executor.shutdown();
    }
}

よくあるミス・注意点

⚠️ ソケットは必ず try-with-resources でクローズする

Socket と ServerSocket は Closeable を実装しているため、 try-with-resources で自動的にクローズできます。クローズを忘れると OS のファイルディスクリプタ（FD）が枯渇し、新しい接続を受け付けられなくなります。

// NG: クローズ漏れでリソースが枯渇する可能性がある
Socket socket = new Socket("localhost", 9000);
// ... 処理 ...
// close() を呼び忘れると FD リークが起きる

// OK: try-with-resources で確実にクローズする
try (Socket socket = new Socket("localhost", 9000)) {
    // ... 処理 ...
} // ブロックを抜けると自動的に socket.close() が呼ばれる

📌 accept() はブロッキング呼び出しなので別スレッドで実行する

serverSocket.accept() はクライアントが接続してくるまで処理をブロックします。メインスレッドで呼び出すとアプリケーション全体が停止してしまうため、必ず別スレッド（または ExecutorService）で実行しましょう。

📌 ポート番号は 1024 以上を使う

0〜1023 番ポート（ウェルノウンポート）は OS の管理下にあり、バインドには管理者権限（root / Administrator）が必要です。アプリケーションでは 1024〜65535 の範囲のポートを使いましょう。他のアプリケーションと競合しないよう、使用前に空きポートを確認してください。

📌 Java 21 の仮想スレッドで大量クライアントを効率的に処理できる

従来の OS スレッドは生成コストが高く、数千クライアントの同時接続でスレッド数が増えすぎてメモリ不足になりがちです。 Java 21 の仮想スレッド（Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor()）は軽量で大量生成できるため、1 クライアント 1 スレッドのシンプルな設計を維持しながら高いスループットを実現できます。

テストする観点

サーバーとクライアントが正常に接続でき、メッセージの送受信が行えるか
送信したメッセージに「ECHO: 」が付いて正しく返ってくるか
「EXIT」メッセージを送るとサーバーが正常終了するか
接続を切断した際に readLine() が null を返してループが終了するか
サーバーが起動していない状態でクライアントが接続しようとすると ConnectException がスローされるか
ソケットのタイムアウト（setSoTimeout()）を設定した場合に SocketTimeoutException が発生するか

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