基于 Socket 的网络编程

网络编程

指网络上的主机, 通过不同的进程, 以编程的方式实现 网络通信 (或称为网络数据传输) (同一台主机的不同进程间, 基于网路的通信也可以称为网络编程)

服务端 & 客户端

网络编程中的概念
服务端: 网络通信中, 提供服务的一方 (进程)
客户端: 网络通信中, 获取服务的一方 (进程)

Socket__11">Socket 套接字

Socket 套接字, 是由系统提供的, 用于网络通信的技术, 是基于 TCP/IP 协议的, 网络通信的基本操作单元. 基于 Socket 套接字的网络程序开发就是网络编程

Socket__16">Socket 的分类

Socket 套接字根据 针对的传输层协议 可以分为三类:

流套接字 – 使用传输层 TCP 协议
数据报套接字 – 使用传输层 UDP 协议
原始套接字 – 使用自定义传输层协议

TCP__UDP_24">TCP & UDP

TCP (Transmission Control Protocol) 传输控制协议 (传输层协议), 特点:

有连接
可靠传输
面向字节流
全双工
有发送缓冲区, 也有接收缓冲区
大小不限 (基于 IO 流)

UDP (User Datagram Protocol) 用户数据报协议 (传输层协议), 特点:

无连接
不可靠传输
面向数据报
全双工
有接收缓冲区, 无发送缓冲区
大小受限, 一次最多 64K

TCP__43">TCP 中的长短连接

短连接: 每次接收到数据并返回响应后, 都会关闭连接. (短连接只能一次收发数据)
长连接: 不关闭连接, 一直保持连接状态, 双方不停的收发数据. (长连接可以多次收发数据)

长短连接拥有不同的特点 :

建立连接, 关闭连接都需要消耗资源, 因此长连接效率更高
- 短连接一般是客户端主动向服务端发送请求.
- 而长连接可以是客户端主动向服务端发送请求, 也可以是服务端主动向客户端推送消息
- 短连接适用于客户端请求频率不高的场景, eg: 浏览网页.
- 长连接适用于客户端和服务器通信频繁的场景, eg: 聊天室, 实时游戏

BIO & NIO

长连接有两种实现方式, 基于 BIO 的长连接和基于 NIO 的长连接

BIO (同步阻塞 IO) : 基于 BIO 的长连接会一直占用系统资源. 在并发情况下, 每个连接都需要阻塞等待, 接收数据. 即每个连接在一个线程中运行, 消耗极大.
NIO (非同步阻塞 IO) : 长连接常用实现, 可以极大的提高性能.

封装/分用 vs 序列化/反序列化

对于 发送数据 时的 数据包装动作 来说

如果使用 知名协议, 这个动作称为封装
如果使用 小众协议 / 自定义协议, 这个动作称为 序列化 (一般是将对象转换成特定数据格式)

对于 接收数据 时的 数解析动作 来说

如果使用 知名协议, 这个动作称为分用
如果使用 小众协议 / 自定义协议, 这个动作称为 反序列化 (一般是基于接收数据特定的格式, 转换成程序中的对象 )

协议的设计

一般根据字段的特点进行设计
在这里插入图片描述
除此之外, 协议中还会包含: 状态码, 请求类型等等内容

TCP__81">基于 TCP 的回显服务器设计

服务端

使用 ServerScoket 创建服务端程序
调用 ServerSocket.accept() 方法建立连接
读取请求数据
根据请求计算响应 (此处为回显服务器, 将请求数据当作响应数据直接返回)
返回响应数据

package network;import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
import java.util.Scanner;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;public class TcpEchoServer {private ServerSocket serverSocket = null;public TcpEchoServer(int port) throws IOException {serverSocket = new ServerSocket(port);}public void start() throws IOException {System.out.println("启动服务器");// 此处使用 CachedThreadPool, 使用 FixedThreadPool 不太合适 (线程数量不应该固定)ExecutorService threadPool = Executors.newCachedThreadPool();while(true) {Socket clientSocket = serverSocket.accept();threadPool.submit(() -> {processConnection(clientSocket);});}}// 使用该方法来处理一个连接// 这一个连接对应一个客户端 (一次连接可能会涉及到多次交互)private void processConnection(Socket clientSocket) {System.out.printf("[%s:%d] 客户端上线!\n", clientSocket.getInetAddress().toString(), clientSocket.getPort());// 基于上述 socket 对象和客户端进行通讯try(InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream();OutputStream outputStream = clientSocket.getOutputStream()) {// 由于要处理多个请求和响应, 因此使用循环来进行while(true) {// 1. 读取请求Scanner sc = new Scanner(inputStream);if(!sc.hasNext()) {// 没有下个数据, 说明读完了. (客户端关闭了连接)System.out.printf("[%s:%d] 客户端下线!\n",clientSocket.getInetAddress(),clientSocket.getPort());break;}// 注意, 此处使用 next 是一直读取到 换行符/空格/其他空白符 结束, 但是最终结果不包含上述 空白符(因此后面要自己再补一个空白符).String request = sc.next();// 根据请求构造响应String response = process(request);// 3.返回响应结果.outputStream.write((response+"\n").getBytes(StandardCharsets.UTF_8));outputStream.flush();//   OutputString 没有 write(String) 这样的功能. 可以把 String 里的字节数组拿出来, 进行写入;//   也可以使用 字符流 来转换
//                PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream);// 此处使用 println 来输出 response, 让结果中带有一个 \n 换行. 方便对端来接收解析.
//                printWriter.println(response);// flush 用来刷新缓冲区, 保证当前写入的数据, 一定会发送出去(println 输出后有可能会先放在缓冲区, 等缓冲区满会自动输出)
//                printWriter.flush();System.out.printf("[%s:%d] req: %s; resp: %s \n",clientSocket.getInetAddress().toString(),clientSocket.getPort(), request, response);}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();} finally {// finally 里的内容保证一定可以执行到try {clientSocket.close();} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}}public String process(String request) {return request;}public static void main(String[] args) throws IOException {TcpEchoServer server = new TcpEchoServer(9090);server.start();}
}

客户端

使用 Socket 创建客户端程序
调用 Socket 的构造方法时, 会自动进行 TCP 连接操作
发送请求数据 (数据这里是由键盘读入)
接收返回响应数据

package network;import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.Socket;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
import java.util.Scanner;public class TcpEchoClient {private Socket socket = null;public TcpEchoClient(String ip, int port) throws IOException {// Socket 构造方法, 能够识别 点分十进制 格式的 ip 地址, 比 DatagramPacket 更方便.// new 对象的同时, 就会进行 Tcp 连接操作.socket = new Socket(ip, port);}public void start() {System.out.println("启动客户端");Scanner scanner = new Scanner(System.in);try(InputStream inputStream = socket.getInputStream();OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()) {while(true) {// 1. 先从键盘上读取用户输入的内容System.out.print(">");String request = scanner.next();if(request.equals("bye")) {System.out.println("goodbye");break;}// 2. 把读取的内容构造成请求, 发送给服务器.outputStream.write((request+"\n").getBytes(StandardCharsets.UTF_8));outputStream.flush();
//                PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream);
//                printWriter.println(request);
//                // flush 保证数据不会停留在缓冲区
//                printWriter.flush();// 3. 读取服务器的响应Scanner respScanner = new Scanner(inputStream);String response = respScanner.next();// 4. 把响应内容显示到界面上System.out.println(response);}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}public static void main(String[] args) throws IOException {TcpEchoClient client = new TcpEchoClient("127.0.0.1", 9090);client.start();}
}

UDP__251">基于 UDP 的回显服务器设计

服务端

使用 DatagramSocket 创建 Socket 对象, 来建立连接
读取请求数据 (使用 DatagramPacket 来接收数据 [输出型参数] )
根据请求计算响应
返回响应数据

package network;import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.SocketException;// UDP 版本的回显服务器
public class UdpEchoServer {// 网络编程, 本质上是要操作网卡// 但是网卡不方便直接操作. 在 操作系统内核 中, 使用了一种特殊的叫做 "socket" 这样的文件来抽象表示网卡// 因此进行网络通信, 势必要现有一个 socket 对象private DatagramSocket socket = null;// 对于服务器来说, 创建 socket 对象的同时,要让他绑定上一个具体的端口号// 服务器一定要关联上一个具体的端口号!!!// 服务器是网络传输中, 被动的一方. 如果是操作系统随机分配的端口, 此时客户端就不知道这个端口是啥了, 也就无法进行通信了public UdpEchoServer(int port) throws SocketException {socket = new DatagramSocket(port);}public void start() throws IOException {System.out.println("服务器启动!");// 服务器不是只给一个客户端提供服务就完了. 需要服务很多客户端while(true) {// 只要有客户端过来, 就可以提供服务// 1. 读取客户端发来的请求是啥//    receive 方法的参数是一个输出型参数, 需要先构造好一个空白的 DatagramPacket 对象. 交给 receive 来进行填充DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(new byte[4096] ,0, 4096);socket.receive(requestPacket);// 此时这个 DatagramPacket 是一个特殊的对象, 但不方便直接进行处理. 可以把这里包含的数据拿出来, 构造成一个字符串, 以便处理// requestPacket.getLength(): 是数据内容的长度       requestPacket.getData().length: 是构成 packet 的字节数组的容量String request = new String(requestPacket.getData(),0, requestPacket.getLength()); //new String 后面的参数是要数据内容的长度// 2. 根据请求计算响应, 由于此处是回显服务器, 相应和请求相同String response = process(request);// 3. 把响应写回到客户端. send 的参数也是 DatagramPacket. 需要把这个 Packet 对象构造好.//    此处构造的响应对象, 不能是用空的字节数组构造了, 而是要使用响应数据来构造.                                        //SocketAddress 里面有 address 和 port (IP和端口号)DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(response.getBytes(), 0 ,response.getBytes().length,requestPacket.getSocketAddress());socket.send(responsePacket);// 4. 打印本次请求相应的处理中间结果System.out.printf("[%s:%d] req: %s; resp: %s;\n",requestPacket.getAddress().toString(),requestPacket.getPort(),request, response);}}// 这个方法就是 "根据请求计算相应"public String process(String request) {return request;}public static void main(String[] args) throws IOException {// 端口号的指定, 1024 ~ 65535 均可UdpEchoServer server = new UdpEchoServer(9090);server.start();}
}

客户端

使用 DatagramSocket 来创建 Socket 对象
创建 DatagramPacket (内含信息发送到的服务器信息 : ip, port)
发送请求数据 (DatagramPacket 中的服务器信息, 可以告诉 Socket 对象, “请把我发送给谁”)
接收响应数据

package network;import java.io.IOException;
import java.net.*;
import java.util.Scanner;// UDP 版本的回显客户端
public class UdpEchoClient {private DatagramSocket socket = null;// 存储的是服务器的 ip 和 端口号, 以便通讯使用private String serverIp;private int serverPort;// 一次通信, 需要有两个 ip, 两个 端口// 客户端的 ip : 127.0.0.1 已知// 客户端的 port 是系统自动分配// 服务器的 ip 和 端口, 需要手动告诉客户端, 才能顺利把消息发送给服务器public UdpEchoClient(String serverIp, int serverPort) throws SocketException {socket = new DatagramSocket();this.serverIp = serverIp;this.serverPort = serverPort;}public void start() throws IOException {System.out.println("客户端启动!");Scanner sc = new Scanner(System.in);while(true) {// 1. 从控制台读取要发送的数据System.out.println(">");String request = sc.next();if(request.equals("bye")) {System.out.println("goodbye!");break;}// 2. 构造成 UDP 请求, 并发送//    构造这个 Packet 的时候, 需要把 severIp 和 port 都传进来. 但是此处 IP 地址需要填写一个 32 位的整数形式//    上述的 IP 地址是一个字符串. 需要使用 InetAddress.getByName 来进行一个转换.DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(request.getBytes(), 0, request.getBytes().length,InetAddress.getByName(this.serverIp), this.serverPort);socket.send(requestPacket);// 3. 读取服务器的 UDP 响应, 并解析DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(new byte[4096], 0, 4096);socket.receive(responsePacket);String response = new String(responsePacket.getData(), 0 , responsePacket.getLength());// 4. 把解析好的结果显示出来System.out.printf("[%s:%d] response: %s; request: %s;\n",responsePacket.getAddress().toString(),responsePacket.getPort(), response, request);}}public static void main(String[] args) throws IOException {UdpEchoClient client = new UdpEchoClient("127.0.0.1", 9090);client.start();}
}