huang
2025-10-30 a99650cb00bf5b0650c33f39a4221b765201d228
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
156
157
158
159
160
161
162
163
164
165
166
167
168
169
170
171
172
173
174
175
176
177
178
179
180
181
182
183
184
185
186
187
188
189
190
191
192
193
194
195
196
197
198
199
200
201
202
203
204
205
206
207
208
209
210
211
212
213
214
215
216
217
218
219
220
221
222
223
224
225
226
227
228
229
230
231
232
233
234
235
236
237
238
239
240
241
242
243
244
245
246
247
248
249
250
251
252
253
254
255
256
257
258
259
260
261
262
263
264
265
266
267
268
269
270
271
272
273
274
275
276
277
278
279
280
281
282
283
284
285
286
287
288
289
290
291
292
293
294
295
296
297
298
299
300
301
302
303
304
305
306
307
308
309
310
311
312
313
314
315
316
317
318
319
320
321
322
323
324
325
326
327
328
329
330
331
332
333
334
335
336
337
338
339
340
341
342
343
344
345
346
347
348
349
350
351
352
353
354
355
356
357
358
359
360
361
362
363
364
365
366
367
368
369
370
371
372
373
374
375
376
377
378
379
380
381
382
383
384
385
386
387
388
389
390
391
392
393
394
395
396
397
398
399
400
401
402
403
404
405
406
407
408
409
410
411
412
413
414
415
416
417
418
419
420
421
422
423
424
425
426
427
428
429
430
431
432
433
434
435
436
437
438
439
440
441
442
443
444
445
446
447
448
449
450
451
452
453
454
455
456
457
458
459
460
461
462
463
464
465
466
467
468
469
470
471
472
473
474
475
476
477
478
479
480
481
482
483
484
485
486
487
488
489
490
491
492
493
494
495
496
497
498
499
500
501
502
503
504
505
506
507
508
509
510
511
512
513
514
515
516
517
518
package com.mes.connect.modbus;
 
import com.mes.connect.industrialinterface.AddressParser;
import com.mes.connect.industrialinterface.IndustrialDataHandler;
import com.mes.connect.industrialinterface.IndustrialServer;
import com.mes.connect.addressparser.ModbusAddressParser;
import org.apache.tomcat.util.threads.ThreadPoolExecutor;
 
import java.io.DataInputStream;
import java.io.DataOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.logging.Logger;
 
/**
 * Modbus TCP服务器实现
 *
 * @author yzx
 * @version 1.0
 */
public class ModbusTcpServer implements IndustrialServer {
    private static final Logger logger = Logger.getLogger(ModbusTcpServer.class.getName());
    private ServerSocket serverSocket;
    private Thread serverThread;
    private boolean running;
    private IndustrialDataHandler handler;
    private int timeOut = 10;
    private final int port;
    private final ExecutorService threadPool;
    private final AddressParser addressParser = new ModbusAddressParser();
 
    public ModbusTcpServer(int port) {
        this.port = port;
        // 手动配置线程池参数   核心线程数,最大线程数,线程空闲时间,,有界队列,防止OOM,拒绝策略:调用者执行
        threadPool = new ThreadPoolExecutor(
                10,
                10,
                60,
                TimeUnit.SECONDS,
                new ArrayBlockingQueue<>(100),
                Executors.defaultThreadFactory(),
                new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy()
        );
    }
 
    public void executeTask(Runnable task) {
        threadPool.execute(task);
    }
 
    /**
     * 应用关闭时调用
     */
    public void shutdown() {
        threadPool.shutdown();
        try {
            if (!threadPool.awaitTermination(timeOut, TimeUnit.SECONDS)) {
                threadPool.shutdownNow();
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            threadPool.shutdownNow();
        }
    }
 
    @Override
    public synchronized void start() throws IOException {
        if (!running) {
            serverSocket = new ServerSocket(port);
            threadPool.submit(this::serverLoop);
            serverThread.setDaemon(true);
            serverThread.start();
            running = true;
            logger.info("Modbus TCP server started on port " + port);
        }
    }
 
    @Override
    public synchronized void stop() {
        if (running) {
            running = false;
            try {
                if (serverSocket != null) {
                    serverSocket.close();
                }
                if (serverThread != null) {
                    serverThread.interrupt();
                    serverThread.join(1000);
                }
                threadPool.shutdownNow();
            } catch (IOException | InterruptedException e) {
                logger.warning("Error stopping Modbus TCP server: " + e.getMessage());
            } finally {
                serverSocket = null;
                serverThread = null;
                logger.info("Modbus TCP server stopped");
            }
        }
    }
 
    @Override
    public boolean isRunning() {
        return running;
    }
 
    @Override
    public void setDataHandler(IndustrialDataHandler handler) {
        this.handler = handler;
    }
 
    @Override
    public void close() throws IOException {
        stop();
    }
 
    private void serverLoop() {
        while (running) {
            try {
                Socket clientSocket = serverSocket.accept();
                threadPool.submit(() -> handleClient(clientSocket));
            } catch (IOException e) {
                if (running) {
                    logger.warning("Error accepting client connection: " + e.getMessage());
                }
            }
        }
    }
 
    private void handleClient(Socket clientSocket) {
        try (DataInputStream input = new DataInputStream(clientSocket.getInputStream());
             DataOutputStream output = new DataOutputStream(clientSocket.getOutputStream())) {
 
            byte[] request = readRequest(input);
            byte[] response = processRequest(request);
            output.write(response);
 
        } catch (IOException e) {
            logger.warning("Error handling client: " + e.getMessage());
        }
    }
 
    private byte[] readRequest(DataInputStream input) throws IOException {
        // 读取Modbus TCP请求
        byte[] header = new byte[6];
        int bytesRead = 0;
 
        // 读取头部 前头部长度6字节
        while (bytesRead < 6) {
            int count = input.read(header, bytesRead, 6 - bytesRead);
            if (count == -1) {
                throw new IOException("Connection closed while reading request header");
            }
            bytesRead += count;
        }
 
        int length = ((header[4] & 0xFF) << 8) | (header[5] & 0xFF);
        byte[] request = new byte[6 + length];
 
        // 复制头部
        System.arraycopy(header, 0, request, 0, 6);
 
        // 读取剩余部分
        bytesRead = 0;
        while (bytesRead < length) {
            int count = input.read(request, 6 + bytesRead, length - bytesRead);
            if (count == -1) {
                throw new IOException("Connection closed while reading request body");
            }
            bytesRead += count;
        }
 
        return request;
    }
 
    private byte[] processRequest(byte[] request) {
        int transactionId = ((request[0] & 0xFF) << 8) | (request[1] & 0xFF);
        int unitId = request[6] & 0xFF;
        int functionCode = request[7] & 0xFF;
 
        try {
            switch (functionCode) {
                case 1:
                    // 读线圈
                    return handleReadCoils(request, transactionId, unitId);
                case 2:
                    // 读离散输入
                    return handleReadDiscreteInputs(request, transactionId, unitId);
                case 3:
                    // 读保持寄存器
                    return handleReadHoldingRegisters(request, transactionId, unitId);
                case 4:
                    // 读输入寄存器
                    return handleReadInputRegisters(request, transactionId, unitId);
                case 5:
                    // 写单个线圈
                    return handleWriteSingleCoil(request, transactionId, unitId);
                case 6:
                    // 写单个寄存器
                    return handleWriteSingleRegister(request, transactionId, unitId);
                case 15:
                    // 写多个线圈
                    return handleWriteMultipleCoils(request, transactionId, unitId);
                case 16:
                    // 写多个寄存器
                    return handleWriteMultipleRegisters(request, transactionId, unitId);
                default:
                    // 不支持的功能码
                    return buildExceptionResponse(transactionId, unitId, functionCode, 1);
            }
        } catch (Exception e) {
            // 服务器设备故障
            logger.warning("Error processing request: " + e.getMessage());
            return buildExceptionResponse(transactionId, unitId, functionCode, 4);
        }
    }
 
    private byte[] handleReadCoils(byte[] request, int transactionId, int unitId) {
        int address = ((request[8] & 0xFF) << 8) | (request[9] & 0xFF);
        int quantity = ((request[10] & 0xFF) << 8) | (request[11] & 0xFF);
        //数据长度超出两千 抛异常
        if (quantity > 2000) {
            // 请求数量过大
            return buildExceptionResponse(transactionId, unitId, 1, 3);
        }
 
        byte[] response = new byte[9 + (quantity + 7) / 8];
        response[0] = (byte) (transactionId >> 8);
        response[1] = (byte) transactionId;
        // 协议标识符高字节
        response[2] = 0;
        // 协议标识符低字节
        response[3] = 0;
        // 长度高字节
        response[4] = 0;
        // 长度低字节
        response[5] = (byte) (response.length - 6);
        response[6] = (byte) unitId;
        // 功能码
        response[7] = 1;
        // 字节数
        response[8] = (byte) ((quantity + 7) / 8);
 
        // 填充线圈数据
        for (int i = 0; i < quantity; i++) {
            String addressStr = String.format("MB.0x%04d.%d", address + i, 0);
            boolean value = handler.handleReadBit(addressStr);
            int byteIndex = 9 + i / 8;
            int bitIndex = i % 8;
            if (value) {
                response[byteIndex] |= (1 << bitIndex);
            }
        }
 
        return response;
    }
 
    private byte[] handleReadDiscreteInputs(byte[] request, int transactionId, int unitId) {
        int address = ((request[8] & 0xFF) << 8) | (request[9] & 0xFF);
        int quantity = ((request[10] & 0xFF) << 8) | (request[11] & 0xFF);
        //数据长度超出两千 抛异常
        if (quantity > 2000) {
            // 请求数量过大
            return buildExceptionResponse(transactionId, unitId, 2, 3);
        }
 
        byte[] response = new byte[9 + (quantity + 7) / 8];
        response[0] = (byte) (transactionId >> 8);
        response[1] = (byte) transactionId;
        // 协议标识符高字节
        response[2] = 0;
        // 协议标识符低字节
        response[3] = 0;
        // 长度高字节
        response[4] = 0;
        // 长度低字节
        response[5] = (byte) (response.length - 6);
        response[6] = (byte) unitId;
        // 功能码
        response[7] = 2;
        // 字节数
        response[8] = (byte) ((quantity + 7) / 8);
 
        // 填充离散输入数据
        for (int i = 0; i < quantity; i++) {
            String addressStr = String.format("MB.1x%04d.%d", address + i, 0);
            boolean value = handler.handleReadBit(addressStr);
            int byteIndex = 9 + i / 8;
            int bitIndex = i % 8;
            if (value) {
                response[byteIndex] |= (1 << bitIndex);
            }
        }
 
        return response;
    }
 
    private byte[] handleReadHoldingRegisters(byte[] request, int transactionId, int unitId) {
        int address = ((request[8] & 0xFF) << 8) | (request[9] & 0xFF);
        int quantity = ((request[10] & 0xFF) << 8) | (request[11] & 0xFF);
        //数据长度超出两千 抛异常
        if (quantity > 2000) {
            // 请求数量过大
            return buildExceptionResponse(transactionId, unitId, 3, 3);
        }
 
        byte[] response = new byte[9 + quantity * 2];
        response[0] = (byte) (transactionId >> 8);
        response[1] = (byte) transactionId;
        // 协议标识符高字节
        response[2] = 0;
        // 协议标识符低字节
        response[3] = 0;
        // 长度高字节
        response[4] = 0;
        // 长度低字节
        response[5] = (byte) (response.length - 6);
        response[6] = (byte) unitId;
        // 功能码
        response[7] = 3;
        // 字节数
        response[8] = (byte) (quantity * 2);
 
        // 填充保持寄存器数据
        for (int i = 0; i < quantity; i++) {
            String addressStr = String.format("MB.4x%04d", address + i);
            int value = handler.handleReadRegister(addressStr);
            int byteIndex = 9 + i * 2;
            response[byteIndex] = (byte) (value >> 8);
            response[byteIndex + 1] = (byte) value;
        }
 
        return response;
    }
 
    private byte[] handleReadInputRegisters(byte[] request, int transactionId, int unitId) {
        int address = ((request[8] & 0xFF) << 8) | (request[9] & 0xFF);
        int quantity = ((request[10] & 0xFF) << 8) | (request[11] & 0xFF);
        //数据长度超出两千 抛异常
        if (quantity > 2000) {
            // 请求数量过大
            return buildExceptionResponse(transactionId, unitId, 4, 3);
        }
 
        byte[] response = new byte[9 + quantity * 2];
        response[0] = (byte) (transactionId >> 8);
        response[1] = (byte) transactionId;
        // 协议标识符高字节
        response[2] = 0;
        // 协议标识符低字节
        response[3] = 0;
        // 长度高字节
        response[4] = 0;
        // 长度低字节
        response[5] = (byte) (response.length - 6);
        response[6] = (byte) unitId;
        // 功能码
        response[7] = 4;
        // 字节数
        response[8] = (byte) (quantity * 2);
 
        // 填充输入寄存器数据
        for (int i = 0; i < quantity; i++) {
            String addressStr = String.format("MB.3x%04d", address + i);
            int value = handler.handleReadRegister(addressStr);
            int byteIndex = 9 + i * 2;
            response[byteIndex] = (byte) (value >> 8);
            response[byteIndex + 1] = (byte) value;
        }
 
        return response;
    }
 
    private byte[] handleWriteSingleCoil(byte[] request, int transactionId, int unitId) {
        int address = ((request[8] & 0xFF) << 8) | (request[9] & 0xFF);
        int value = ((request[10] & 0xFF) << 8) | (request[11] & 0xFF);
 
        boolean coilValue = (value == 0xFF00);
        String addressStr = String.format("MB.0x%04d.%d", address, 0);
 
        handler.handleWriteBit(addressStr, coilValue);
 
        // 返回与请求相同的数据作为确认
        byte[] response = new byte[12];
        System.arraycopy(request, 0, response, 0, 12);
        return response;
    }
 
    private byte[] handleWriteSingleRegister(byte[] request, int transactionId, int unitId) {
        int address = ((request[8] & 0xFF) << 8) | (request[9] & 0xFF);
        int value = ((request[10] & 0xFF) << 8) | (request[11] & 0xFF);
 
        String addressStr = String.format("MB.4x%04d", address);
        handler.handleWriteRegister(addressStr, value);
 
        // 返回与请求相同的数据作为确认
        byte[] response = new byte[12];
        System.arraycopy(request, 0, response, 0, 12);
        return response;
    }
 
    private byte[] handleWriteMultipleCoils(byte[] request, int transactionId, int unitId) {
        int address = ((request[8] & 0xFF) << 8) | (request[9] & 0xFF);
        int quantity = ((request[10] & 0xFF) << 8) | (request[11] & 0xFF);
        int byteCount = request[12] & 0xFF;
        //数据长度超出两千 抛异常
        if (quantity > 2000) {
            // 请求数量过大
            return buildExceptionResponse(transactionId, unitId, 15, 3);
        }
 
        // 处理线圈值
        for (int i = 0; i < quantity; i++) {
            int byteIndex = 13 + i / 8;
            int bitIndex = i % 8;
            boolean value = ((request[byteIndex] & (1 << bitIndex)) != 0);
            String addressStr = String.format("MB.0x%04d.%d", address + i, 0);
            handler.handleWriteBit(addressStr, value);
        }
 
        // 构建响应
        byte[] response = new byte[12];
        response[0] = (byte) (transactionId >> 8);
        response[1] = (byte) transactionId;
        // 协议标识符高字节
        response[2] = 0;
        // 协议标识符低字节
        response[3] = 0;
        // 长度高字节
        response[4] = 0;
        // 长度低字节
        response[5] = 6;
        response[6] = (byte) unitId;
        // 功能码
        response[7] = 15;
        // 起始地址高字节
        response[8] = (byte) (address >> 8);
        // 起始地址低字节
        response[9] = (byte) address;
        // 数量高字节
        response[10] = (byte) (quantity >> 8);
        // 数量低字节
        response[11] = (byte) quantity;
 
        return response;
    }
 
    private byte[] handleWriteMultipleRegisters(byte[] request, int transactionId, int unitId) {
        int address = ((request[8] & 0xFF) << 8) | (request[9] & 0xFF);
        int quantity = ((request[10] & 0xFF) << 8) | (request[11] & 0xFF);
        int byteCount = request[12] & 0xFF;
        //数据长度超出两千 抛异常
        if (quantity > 2000) {
            // 请求数量过大
            return buildExceptionResponse(transactionId, unitId, 16, 3);
        }
 
        int[] values = new int[quantity];
 
        // 解析寄存器值
        for (int i = 0; i < quantity; i++) {
            int byteIndex = 13 + i * 2;
            values[i] = ((request[byteIndex] & 0xFF) << 8) | (request[byteIndex + 1] & 0xFF);
        }
 
        // 处理写入请求
        String addressStr = String.format("MB.4x%04d", address);
        handler.handleWriteRegisters(addressStr, values);
 
        // 构建响应
        byte[] response = new byte[12];
        response[0] = (byte) (transactionId >> 8);
        response[1] = (byte) transactionId;
        // 协议标识符高字节
        response[2] = 0;
        // 协议标识符低字节
        response[3] = 0;
        // 长度高字节
        response[4] = 0;
        // 长度低字节
        response[5] = 6;
        response[6] = (byte) unitId;
        // 功能码
        response[7] = 16;
        // 起始地址高字节
        response[8] = (byte) (address >> 8);
        // 起始地址低字节
        response[9] = (byte) address;
        // 数量高字节
        response[10] = (byte) (quantity >> 8);
        // 数量低字节
        response[11] = (byte) quantity;
 
        return response;
    }
 
    private byte[] buildExceptionResponse(int transactionId, int unitId, int functionCode, int exceptionCode) {
        byte[] response = new byte[9];
        response[0] = (byte) (transactionId >> 8);
        response[1] = (byte) transactionId;
        // 协议标识符高字节
        response[2] = 0;
        // 协议标识符低字节
        response[3] = 0;
        // 长度高字节
        response[4] = 0;
        // 长度低字节
        response[5] = 3;
        response[6] = (byte) unitId;
        // 异常功能码
        response[7] = (byte) (functionCode + 0x80);
        // 异常码
        response[8] = (byte) exceptionCode;
        return response;
    }
}