java - 使用 Java 在服务器应用程序和 Matlab 客户端之间进行套接字通信

Question

我有一个编写的 C++ 服务器应用程序，我希望能够从 Matlab 对其进行控制。到目前为止，我已经使用 mex 函数进行套接字通信，但我想放弃 mex 函数并直接在 m 文件中使用内联 Java。这将是一个更精简的解决方案。

我的基于 C++ 的独立应用程序需要一条消息，其中包含按以下顺序排列的以下数据。 . .

协议(protocol)的这一部分是固定的，不能更改:

• uint32 magic_number - 这是一个必须位于 消息的开头或消息的其余部分将被忽略。

• uint32 num_bytes - 这是用于消息 block 其余部分的字节数 (不包括这最初的 8 个字节)

这部分协议(protocol)是我设计的，可以更改:

• 接下来是一个由 4 个 uint8 值组成的 header (如 ipv4 地址) 向应用发送以下数据代表的信号(如果有任何数据)

• 在此之后，剩余的字节可以表示许多不同的东西。 最常见的是一个字符串(键值)，后跟一长串浮点值(音频数据)。但是，可能只是一个字符串，或者它们可能只是一个浮点值数组。 4 个 uint8 值让服务器知道这里会发生什么。

如您所见，我目前正在将所有内容压缩到一个 uint8 数组中(一个巨大的困惑)。这是因为 java“write”函数需要一个字节数组，而 Matlab uint8 数组是一种兼容的数据类型，正如我在 Mathworks 网站上使用下表时发现的那样 Passing Data to a Java Method

我不是 Java 程序员，但今天下午我已经设法启动并运行了一些非常简单的通信代码。谁能帮我改进一下？

import java.net.Socket
import java.io.*

mySocket = Socket('localhost', 12345);
output_stream   = mySocket.getOutputStream;
d_output_stream = DataOutputStream(output_stream);


data = zeros(12,1,'uint8');

%Magic key: use this combination of uint8s to make
% a uint32 value of = 445566 -> massive code-smell
data(1) = 126;
data(2) = 204;
data(3) = 6;

%Size of message block:
%total number of bytes in following message including header
%This is another uint32 i.e. (data(5:8))

data(5) = 4;

%header B: a group of 4 uint8s
data(9) = 1;
data(10) = 2;
data(11) = 3;
data(12) = 4;

%Main block of floats
%????


d_output_stream.write(data,0,numel(data));


pause(0.2);
mySocket.close;

我已经尝试发送一个由我想发送的数据的不同部分组成的 java 对象，但我不确定它们最终是如何在内存中排序的。在 C/C++ 中，很容易将不同的数据类型附加到连续的内存块中，然后发送它。有没有一种简单的方法可以让我在 Java 中执行此操作？我最终也想进行双向通信，但这可以等到现在。感谢阅读。

Answer 1

这里至少有两个不同的问题。一个是如何构造 Matlab 代码来表达这样的协议(protocol)。另一个是他如何在您拥有的这个有线协议(protocol)中表示可能复杂的数据。

就组织 Matlab 代码而言，您可以使用类以更结构化的方式组织消息，并使用 typecast 将数字转换为字节。也许是这样的。这假定您的客户端和服务器具有相同的原始类型的 native 表示，并忽略网络字节顺序 (htonl/ntohl)。

classdef learnvst_message
    %//LEARNVST_MESSAGE Message for learnvst's example problem
    %
    % Examples:
    % msg = learnvst_message;
    % msg.payload = { 'Hello world', 1:100 }
    % msg.payloadType = uint8([ 5 12 0 0 ]);  % guessing on this

    properties
        magicNumber = uint32(445566);
        payloadType = zeros(4, 1, 'uint8');  %// header B
        payload = {};
    end

    methods
        function out = convertPayload(obj)
        %//CONVERTPAYLOAD Converts payload to a single array of bytes
        byteChunks = cellfun(@convertPayloadElement, obj.payload, 'UniformOutput',false);
        out = cat(2, byteChunks{:});
        end

        function out = marshall(obj)
        payloadBytes = convertPayload(obj);
        messageSize = uint32(4 + numel(payloadBytes)); %// ex first 8 bytes
        out.headerBytes = [
            typecast(obj.magicNumber, 'uint8') ...
            obj.payloadType ...
            typecast(messageSize, 'uint8')];
        out.payloadBytes = payloadBytes;
        end

        function sendTo(obj, host, port)
        m = marshall(obj);
        mySocket = Socket(host, port);
        d_output = mySocket.getOutputStream();
        d_output.write(m.headerBytes, 0, numel(m.headerBytes));
        d_output.write(m.messageBytes, 0, numel(m.messageBytes));
        mySocket.close();
        end

    end
end

function out = convertPayloadElement(x)
if isnumeric(x)
    out = typecast(x, 'uint8');
elseif ischar(x)
    % Assumes receiver likes 16-bit Unicode chars
    out = typecast(uint16(x), 'uint8');
else
    % ... fill in other types here ...
    % or define a payload_element class that marshalls itself and call
    % it polymorphically
    error('Unsupported payload element type: %s', class(x));
end
end

我认为更具可读性，并且代码味道更少。作为调用者，您可以以更结构化的形式处理数据，并将转换封装到类的编码方法中的线路协议(protocol)字节。 “convertPayload”就是“将由许多不同数据类型组成的通用内存块拼接在一起”。在 Matlab 中，uint8 数组是一种将不同数据类型的表示附加到一个连续的内存块中的方法。它基本上是 unsigned char [] 的包装器，具有自动重新分配功能。 typecast(...,'uint8') 相当于在 C/C++ 中对 char * 进行重新解释转换。查看他们两个的帮助。

但这带来了更多问题。服务器如何知道有效负载的每个组件有多长，如果是多维的，它们的形状是什么，以及它们各自的类型是什么？或者如果它们是复杂的数据类型怎么办——它们可以嵌套吗？您可能需要在每个有效负载元素中嵌入小 header 。上面的代码假定 4 字节的有效载荷类型 header 完整描述了有效载荷内容。

听起来您正在寻找的可能是一种用于基于异构数组的数据的自描述格式。现有的格式包括 NetCDF、HDF5 和 Matlab 自己的 MAT 文件。 Matlab 内置了对它们的支持，或者您可以为它们引入第三方 Java 库。

就速度而言 - 每次跨 Matlab/Java 边界传递数据时，您都必须付费。大型原始数组的转换成本相对较低，因此您可能希望在将消息传递给 Java 之前将大部分消息打包到 Matlab 中的字节数组中，而不是进行大量单独的 write() 调用。这实际上取决于您的数据有多大和有多复杂。有关某些 Matlab 操作(包括 Java 调用)的成本的粗略概念，请参见 Is MATLAB OOP slow or am I doing something wrong?。 (完全披露:这是一个自插。)