【网络编程】从零开始彻底了解网络编程(三)

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TCP流套接字编程

TCP 的 socket API 和 UDP 的 socket API 差异很大.
但是和的文件操作有密切联系.
TCP中关键的类:
① ServerSocket: 给服务器使用的类,使用这个类来绑定端口号.
② Socket: 既会给服务器用,又会给客户端用.
这两个类抽象了网卡这样的硬件设备.

1. ServerSocket
ServerSocket 是创建TCP服务端的API。
ServerSocket 构造方法：

2. ServerSocket 方法：

ServerSocket 方法：

如果有客户端, 和服务器建立连接,这个时候服务器的应用程序是不需要做出任何操作(也没有任何感知的),内核直接就完成了连接建立的流程(三次握手).完成流程之后,就会在内核的队列中排队(每个serverSocket 都有一个这样的队列). 应用程序要想和这个客户端进行通信,就需要通过一个 accept 方法把内核队列里已经建立好的连接对象,拿到应用程序中.

3. Socket

Socket 是客户端Socket，或服务端中接收到客户端建立连接（accept方法）的请求后，返回的服务端Socket。
不管是客户端还是服务端Socket，都是双方建立连接以后，保存的对端信息，及用来与对方收发数据的。
Socket 构造方法：

Socket 方法：

前面的文章说过,TCP是字节流通信方式.
这里的InputStream 和 OutputStream 就是 字节流!!!
可以借助这俩对象,完成数据的"发送"和"接收"通过 InputStream 进行 read 操作,就是"接收".
通过 OutputStream 进行 write 操作, 就是"发送" .

4. 利用TCP实现一个回显的程序:

服务器:

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.util.Scanner;public class TcpEchoServer {private ServerSocket serverSocket;public TcpEchoServer(int port) throws IOException {serverSocket = new ServerSocket(port);}public void start() throws IOException {System.out.println("服务器启动!");while(true) {//1. 通过accept方法,把内核中已经建立好的连接拿到应用程序.Socket clientSocket = serverSocket.accept();//2. 处理一个连接的逻辑.processConnection(clientSocket);}}public void processConnection(Socket clientSocket) {//打印一个日志,表示有客户端连上了.System.out.printf("[%s:%d] 客户端上线!\n",clientSocket.getInetAddress(),clientSocket.getPort());//读取请求,根据请求计算响应,最后返回响应//Socket 对象内部包含了两个字节流对象,把InputStream(读取),OutputStream(发送)获取到,完成后续的读写.try(InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream();OutputStream outputStream = clientSocket.getOutputStream()) {//一次连接中,可能会涉及多次请求和响应while(true) {//1. 读取请求并解析Scanner scanner = new Scanner(inputStream);if(!scanner.hasNext()) {//没有下一行,说明读取完毕,客户端下线System.out.printf("[%s:%d] 客户端下线",clientSocket.getInetAddress(),clientSocket.getPort());break;}//暗含一个约定: scanner遇到空白符(\n)就返回.//和客户端那里相呼应.String request = scanner.next();//2. 根据请求计算响应String response = process(request);//3. 将响应发给客户端,利用PrinterWriter包裹OutputStreamPrintWriter writer = new PrintWriter(outputStream);//使用PrintWriter的println方法,把响应返回给客户端//此处用println,而不是print就是为了结尾加上\n,与客户端对应.writer.println(response);writer.flush();//4. 打印日志,表示当前请求的情况.System.out.printf("[%s:%d] req: %s, resp: %s\n",clientSocket.getInetAddress(),clientSocket.getPort(),request,response);}} catch (IOException e) {throw new RuntimeException(e);}}public String process(String request) {return request;}public static void main(String[] args) throws IOException {TcpEchoServer server = new TcpEchoServer(9090);server.start();}
}

空白符是一类特殊的字符,有 换行, 回车符,空格, 制表符,翻页符, 垂直制表符…等等。客户端发起的请求,此处会以空白符作为结束标记(此处就约定使用 \n)

客户端:

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.Socket;
import java.util.Scanner;public class TcpEchoClient {private Socket socket = null;public TcpEchoClient(String serverIp,int serverPort) throws IOException {//在创建socket的同时,和服务器建立"连接"此时就得告诉Socket服务器在哪里//所以需要传服务器 ip 和 端口号.socket = new Socket(serverIp,serverPort);}public void start() {System.out.println("客户端上线!");//1. 从控制台读取用户输入的内容.//2. 把请求发送给服务器//3. 从服务器读取响应.//4. 把响应显示到界面上.Scanner scanner = new Scanner(System.in);try(InputStream inputStream = socket.getInputStream();OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()) {while(true) {//1. 从控制台读取用户输入的内容.System.out.println("-> ");String request = scanner.next();//2. 把请求发送给服务器PrintWriter writer = new PrintWriter(outputStream);//使用println是为了让请求后面带上 换行//是为了和服务器读取请求 scanner.next()呼应.writer.println(request);writer.flush();//3.  读取服务器返回的响应.Scanner scannerNetwork = new Scanner(inputStream);String response = scannerNetwork.next();//4. 把响应显示到界面上.System.out.println(response);}} catch (IOException e) {throw new RuntimeException(e);}}public static void main(String[] args) throws IOException {TcpEchoClient client = new TcpEchoClient("127.0.0.1",9090);client.start();}
}

上述代码存在两个问题:

1. 服务器程序会出现文件资源泄露的情况.
前面写过的DatagramSocket, ServerSocket 都没写 close,但没关系,因为DatagramSocket 和 ServerSocket, 都是在程序中,只有这么一个对象,生命周期贯穿整个程序的. 但 clientSocket则是在循环中,每次有一个新的客户端来建立连接,都会创建出新的 clientSocket .
如果有很多客户端都来建立连接,此时,就意味着每个连接都会创建 clientSocket. 如果没有手动 close此时这个 socket 对象会占据着文件描述符表的位置,一旦占满,文件资源就泄露了.
那要怎么办呢?

在 processConnection方法末尾加上下面的代码即可.

 finally {//手动关闭clientSocket,避免文件资源泄露.try {clientSocket.close();} catch (IOException e) {throw new RuntimeException(e);}}

既然文件资源泄露是因为clientSocket没关,那能不能在processConnection(clientSocket);执行完之后,再把clientSocket关闭呢?

public void start() throws IOException {System.out.println("服务器启动!");while(true) {//1. 通过accept方法,把内核中已经建立好的连接拿到应用程序.Socket clientSocket = serverSocket.accept();//2. 处理一个连接的逻辑.processConnection(clientSocket);clientSocket.close();}}

显然是不可以的,如果 在processConnection方法执行过程中遇到问题,抛出异常.那么还没执行到clientSocket.close();循环就结束了.
考虑到抛异常的问题, 于是就将代码改成try with source结构:

    public void start() throws IOException {System.out.println("服务器启动!");while(true) {//1. 通过accept方法,把内核中已经建立好的连接拿到应用程序.try(Socket clientSocket = serverSocket.accept()) {//2. 处理一个连接的逻辑.processConnection(clientSocket);}}}

2. 多个客户端无法同时与服务器进行交互.

先设置允许存在多个客户端.

同时运行两个客户端,在服务端上只能看到第一个客户端. 第二个客户端与服务器没有进行任何交互.

模拟两个客户端连接服务器的过程:
① 第一个客户端过来之后accept 就返回了,得到一个clientSocket.进入了 processConnection. 又进入了一个 while 循环, 这个循环中,就需要反复处理客户端发来的请求数据.如果客户端没发请求,服务器的代码
就会阻塞scanner.hasNext处.
② 此时此刻,第二个客户端也过来建立连接了, 连接是可以成功建立的. 建立成功之后,连接对象就会在内核的队列里等待代码通过 accept. 但是第二个客户端永远不可能执行accept方法,除非第一客户端断开连接.
怎么让两个客户端同时执行呢?

关键就是,让两个循环能够"并发"执行. 这就涉及到前面学过的多线程知识了.
创建新的线程,让新的线程去调用 processConnection
主线程就可以继续执行下一次 accept 了,新线程内部负责 processConnection的循环此时意味着,每次有一个客户端,就都得给分配一个新的线程, 又因为涉及到频繁创建销毁线程. 所以更好的方式是用线程池, 不用当然也可以, 用的话效率高一些.

解法Ⅰ 服务器引入多线程:

    public void start() throws IOException {System.out.println("服务器启动!");while(true) {//1. 通过accept方法,把内核中已经建立好的连接拿到应用程序.Socket clientSocket = serverSocket.accept();Thread t = new Thread(() -> {//2. 处理一个连接的逻辑.processConnection(clientSocket);});t.start();}}

解法Ⅱ 避免频繁创建销毁线程, 服务器引入线程池:

    //服务器引入线程池public void start() throws IOException {System.out.println("服务器");ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();while(true) {//1. 通过accept方法,把内核中已经建立好的连接拿到应用程序.Socket clientSocket = serverSocket.accept();service.submit(new Runnable() {@Overridepublic void run() {processConnection(clientSocket);}});}}

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