Java 网络编程

1.UDP和TCP

UDP和TCP是传输层协议中最核心的两种协议

他们的特点分别是

UDP: 无连接,不可靠传输,面向数据报,全双工

TCP: 有连接,是可靠传输,面向字节流,全双工

有无连接

有连接:就好比两个人打电话,打电话的一方发出连接请求,被打电话的一方选择确认连接,此时双方才能进行通话

无连接:就好比QQ,微信发消息,发消息的一方不需要和另一方取得连接就可以发送消息

可靠传输

在网络通信中,是没办法保证100%传输成功的

不可靠传输:发送出去就不管了

可靠传输:发送方能知道信息是否传出去了

面向数据报/面向字节流

面向数据报:以数据报为单位进行接发

面向字节流:以字节为单位进行接发,类似于文件读写

全双工

一个通信通道,可以双向传输(既可以接收,也可以发送)

半双工:可以发也可以收,但是不可以同时进行

2.实现UDP版本的服务器和客户端

为方便,此处实现的服务器为回显服务器(服务器的响应和请求相同),TCP也是一样的

首先要认识几个类

2.1 DatagramSocket

使用此类,表示一个socket对象,有了一个socket对象就可以对另一台主机进行通信了

注意:在操作系统中,socket会当做文件来处理,会存放到文件描述符表中

构造方法:

1.DatagramSocket(int port)

里面传入一个端口号(1024~65535),可以确定端口

2.DatagramSocket()

操作系统会随机分配一个空闲的端口

方法:

void receive(DatagramPacket p)

用来接收数据报,此时要传入一个空的DatagramPacket对象,内容及数据会存放到DatagramPacket对象中

void send(DatagramPacket p)

用来发送数据报,数据要提前存放在DatagramPacket对象中

2.2 DatagramPacket

表示UDP中传输的一个报文,可以指定一些数据进去

构造方法:

DatagramPacket(byte[] buf,int length)

里面放一个byte数组作为缓冲区,length是要存放的长度

DatagramPacket(byte[] buf,int length,SocketAddress address)

和上面的相比,多了一个address参数,该参数可以传入IP和端口号

方法:

InetSddress getAddress()

获取IP地址

int getPort()

获取端口号

byte[] getData()

获取数据报中的数据

2.3 编写UDP版本的服务器

首先搭建好一个大体框架,并在构造方法中创建出一个DatagramSocket对象

注意:构造时要传入一个端口号,因为在网络通信中,服务器是被动方,如果端口号为随机,那么此时客户端就不知道服务器的端口号,也就无法进行通信了

public class UdpEchoServer {private DatagramSocket socket = null;public UdpEchoServer(int port) throws SocketException {socket = new DatagramSocket(port);}public void start() {}
}

然后在start中实现具体的服务器代码

首先是一个while(true)循环包含整个方法体,因为大多数服务器需要全天24h不断的去处理请求

之后大致分四步:

1.读取客户端发来的请求

            //receive 方法的参数是一个输出型参数,需要构建好一个空白的 DatagramPacket 对象,让receive去补充DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(new byte[4096],4096);//如果客户端发来了请求,receive就能顺利读出来请求,如果没有请求就会进入阻塞socket.receive(requestPacket);//将数组中的数据转化为字符串,方便读取String request = new String(requestPacket.getData(),0,requestPacket.getLength());

2.根据请求,构建响应

    String response = process(request);

process方法为处理响应的方法(就是将请求直接返回去)

    public String process(String request) {return request;}

3.返回响应

//此处DatagramPacket 的参数就不能是空的数组了,因为要将响应的字符串返回去//send的参数也是DatagramPacket//在receive时,requestPacket中已经存放了 客户端的IP地址和端口号DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(response.getBytes(),response.getBytes().length,requestPacket.getSocketAddress());socket.send(responsePacket);

4.打印信息(可有可无)

System.out.printf("[%s:%d] req: %s;resp : %s\n",requestPacket.getAddress().toString(),requestPacket.getPort(),request,response);

打印内容为(从左到右): 客户端的IP,客户端的端口号,请求,响应

整体代码如下:

public class UdpEchoServer {private DatagramSocket socket = null;public UdpEchoServer(int port) throws SocketException {socket = new DatagramSocket(port);}public void start() throws IOException {System.out.println("服务器启动");while(true) {//1. 读取客户端发来的请求DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(new byte[4096],4096);socket.receive(requestPacket);String request = new String(requestPacket.getData(),0,requestPacket.getLength());//2. 根据请求制造响应String response = process(request);//3. 将响应写会到客户端DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(response.getBytes(),response.getBytes().length,requestPacket.getSocketAddress());socket.send(responsePacket);//4. 打印这次请求响应的处理过程System.out.printf("[%s:%d] req: %s;resp : %s\n",requestPacket.getAddress().toString(),requestPacket.getPort(),request,response);}}//因为此处是回响服务器,所以响应和请求相同public String process(String request) {return request;}public static void main(String[] args) throws IOException {UdpEchoServer server = new UdpEchoServer(9090);server.start();}
}

2.4 编写UDP版本的客户端

构建框架,相比于服务器,客户端在构造方法处还需要传入服务器的端口号和IP

public class UdpEchoClient {private DatagramSocket socket = null;private String serverIP = null;private int serverPort = 0;public UdpEchoClient(String serverIP,int serverPort) throws SocketException {socket = new DatagramSocket();this.serverIP = serverIP;this.serverPort = serverPort;}public void start() {}
}

start中的具体实现

仍然是一个while循环包含方法体

循环内容大致分四步:

1.从控制台构建请求

            //该句在循环外,如果每次循环都去创建Scanner太耗效率了Scanner scanner = new Scanner(System.in);System.out.print(">");String request = scanner.next();//判断是否要退出if(request.equals("exit")) {System.out.println("goodbye");break;}

2.发送请求

            // 构造一个 DatagramPacket 对象 此时该对象的参数要传入客户端的 IP(serverIP) 和 端口(serverPort)// 此处的IP需要的是一个32的整数形式,需要使用 InetAddress.getByName 进行一个转换DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(request.getBytes(),request.getBytes().length,InetAddress.getByName(serverIP),serverPort);socket.send(requestPacket);

3.接收响应

            DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(new byte[4096],4096);socket.receive(responsePacket);String response = new String(responsePacket.getData(),0,responsePacket.getLength());

4.打印响应

            System.out.println(response);

整体代码如下:

public class UdpEchoClient {private DatagramSocket socket = null;private String serverIP = null;private int serverPort = 0;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 scanner = new Scanner(System.in);while(true) {//1.从控制台读取要发送的请求System.out.print(">");String request = scanner.next();if(request.equals("exit")) {System.out.println("goodbye");break;}//2.构造成一个UDP请求,并发送DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(request.getBytes(),request.getBytes().length,InetAddress.getByName(serverIP),serverPort);socket.send(requestPacket);//3.读取UDP服务器的响应,并解析DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(new byte[4096],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.println(response);}}public static void main(String[] args) throws IOException {UdpEchoClient client = new UdpEchoClient("127.0.0.1",9090);client.start();}
}

3.实现TCP版本的服务器和客户端

3.1 ServerSocket

ServerSocket是专门给服务器(TCP)使用的socket对象

构造方法:

ServerSocket(int port)

构建一个socket并指定端口号

方法:

Socket accept()

开始监听指定端口,当有客户端绑定时,返回一个Socket对象并建立连接,否则,则进入阻塞等待

3.2 Socket

既会给客户端提供服务,也会给服务器提供服务(TCP)

构造方法:

Socket(String host,int port)

构造一个Socket对象,并与传入的端口号和IP进行连接

方法:

InputStream getInputStream()

返回一个与该Socket连接相关连的InputStream 对象

OutputStream getOutputStream()

返回一个与该Socket相关连的OutputStream 对象

3.3 编写TCP版本的服务器

首先是一个大体的框架,将ServerSocket对象打包好

public class TcpEchoServer {private ServerSocket serverSocket = null;public TcpEchoServer(int port) throws IOException {serverSocket = new ServerSocket(port);}public void start() {}//处理连接public void processConnection(Socket clientSocket) {}//处理请求public String process(String request) {return request;}
}

在连接的处理时,首先要连接上资源(InputStream 读,OutputStream 写)

然后将以下四个步骤循环执行

1.读取请求

2.根据请求构造响应

3.返回响应

4.打印请求和响应(可有可无)

由于分段解释比较杂乱,此处将整个处理连接过程的代码全部给出

//处理连接public void processConnection(Socket clientSocket) {//打印日志 -- 客户端的IP和端口号System.out.printf("[%s:%d] 客户端上线\n",clientSocket.getInetAddress().toString(),clientSocket.getPort());try(InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream();OutputStream outputStream = clientSocket.getOutputStream()) {Scanner scanner = new Scanner(inputStream);while(true) {//1.读取请求if (!scanner.hasNext()) {//此时没有下一个数据(客户端关闭了连接)System.out.printf("[%s:%d] 客户端下线\n",clientSocket.getInetAddress().toString(),clientSocket.getPort());break;}String request = scanner.next();//2.根据请求构造响应String response = process(request);//3.返回响应//可以使用 OutputStream 将字符串转化为字节数组传入//也可以使用字符流 PrintWrite 来转换//将 OutputStream 对象放入 PrintWrite 的对象参数中 就可以通过 PrintWrite 来输出PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream);//此处将数据写入,使用println换行 方便对端接收解析printWriter.println(response);//flush 用来刷新缓冲区printWriter.flush();//4.打印请求和响应System.out.printf("[%s:%d] req:%s resp:%s\n",clientSocket.getInetAddress().toString(),clientSocket.getPort(),request,response);}} catch (IOException e) {throw new RuntimeException(e);} finally {try {//由于每一次客户端进行连接时都会创建一个 clientSocket 出来//而 Socket 属于文件 会占用文件描述符表clientSocket.close();} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}}

在start中也需要一个循环去不断接收客户端的连接请求(此处使用的是单线程模式,如果上一个客户端的请求没有处理完,是无法处理下一个的)

//单线程版本public void start() throws IOException {System.out.println("服务器启动");while(true) {//使用 clientSocket 来和客户端交流Socket clientSocket = serverSocket.accept();//使用该方法处理连接processConnection(clientSocket);}}

整体代码如下:

多线程版本和线程池版本的start一并放到下面的代码中

public class TcpEchoServer {private ServerSocket serverSocket = null;public TcpEchoServer(int port) throws IOException {serverSocket = new ServerSocket(port);}//线程池版本/*public void start() throws IOException {System.out.println("服务器启动");while(true) {//创建线程池ExecutorService threadPool = Executors.newCachedThreadPool();//使用 clientSocket 来和客户端交流Socket clientSocket = serverSocket.accept();threadPool.submit(new Runnable() {@Overridepublic void run() {processConnection(clientSocket);}});}}*///多线程版本/*public void start() throws IOException {System.out.println("服务器启动");while(true) {//使用 clientSocket 来和客户端交流Socket clientSocket = serverSocket.accept();//使用多线程来处理Thread t = new Thread(() -> {processConnection(clientSocket);});t.start();}}*///单线程版本public void start() throws IOException {System.out.println("服务器启动");while(true) {//使用 clientSocket 来和客户端交流Socket clientSocket = serverSocket.accept();//使用该方法处理连接processConnection(clientSocket);}}//处理连接public void processConnection(Socket clientSocket) {//打印日志 -- 客户端的IP和端口号System.out.printf("[%s:%d] 客户端上线\n",clientSocket.getInetAddress().toString(),clientSocket.getPort());try(InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream();OutputStream outputStream = clientSocket.getOutputStream()) {Scanner scanner = new Scanner(inputStream);while(true) {//1.读取请求if (!scanner.hasNext()) {//此时没有下一个数据(客户端关闭了连接)System.out.printf("[%s:%d] 客户端下线\n",clientSocket.getInetAddress().toString(),clientSocket.getPort());break;}String request = scanner.next();//2.根据请求构造响应String response = process(request);//3.返回响应//可以使用 OutputStream 将字符串转化为字节数组传入//也可以使用字符流 PrintWrite 来转换//将 OutputStream 对象放入 PrintWrite 的对象参数中 就可以通过 PrintWrite 来输出PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream);//此处将数据写入,使用println换行 方便对端接收解析printWriter.println(response);//flush 用来刷新缓冲区printWriter.flush();//4.打印请求和响应System.out.printf("[%s:%d] req:%s resp:%s\n",clientSocket.getInetAddress().toString(),clientSocket.getPort(),request,response);}} catch (IOException e) {throw new RuntimeException(e);} finally {try {//由于每一次客户端进行连接时都会创建一个 clientSocket 出来//而 Socket 属于文件 会占用文件描述符表clientSocket.close();} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}}public String process(String request) {return request;}public static void main(String[] args) throws IOException {TcpEchoServer tcpEchoServer = new TcpEchoServer(9090);tcpEchoServer.start();}
}

3.4 编写TCP版本的客户端

首先是大体框架

public class TcpEchoClient {private Socket socket = null;public TcpEchoClient(String serverIP,int serverPort) throws IOException {//下面这个构造语句就会触发TCP建立连接//里面需要传服务器的IP和端口号socket = new Socket(serverIP,serverPort);}public void start() {}
}

start中实现请求的传输和获取响应

首先是资源的创建(InputStream 读,OutputStream 写)

然后套入循环执行

分为四步(大部分和服务器相似):

1.获取请求

2.发送请求

3.接收响应

4.打印响应(可有可无)

public void start() {System.out.println("客户端启动");try(InputStream inputStream = socket.getInputStream();OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()) {while(true) {//1.从键盘获取用户请求Scanner scanner = new Scanner(System.in);System.out.print(">");String request = scanner.next();if(request.equals("exit")) {System.out.println("goodbye");break;}//2.发送请求到服务器PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream);printWriter.println(request);//刷新 确保数据发送了出去printWriter.flush();//3.接收服务器返回的响应Scanner respScanner = new Scanner(inputStream);String response = respScanner.next();//4.打印响应System.out.println(response);}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}

整体代码如下:

public class TcpEchoClient {private Socket socket = null;public TcpEchoClient(String serverIP,int serverPort) throws IOException {//下面这个构造语句就会触发TCP建立连接//里面需要传服务器的IP和端口号socket = new Socket(serverIP,serverPort);}public void start() {System.out.println("客户端启动");try(InputStream inputStream = socket.getInputStream();OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()) {while(true) {//1.从键盘获取用户请求Scanner scanner = new Scanner(System.in);System.out.print(">");String request = scanner.next();if(request.equals("exit")) {System.out.println("goodbye");break;}//2.发送请求到服务器PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream);printWriter.println(request);//刷新 确保数据发送了出去printWriter.flush();//3.接收服务器返回的响应Scanner respScanner = new Scanner(inputStream);String response = respScanner.next();//4.打印响应System.out.println(response);}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}public static void main(String[] args) throws IOException {TcpEchoClient tcpEchoClient = new TcpEchoClient("127.0.0.1",9090);tcpEchoClient.start();}
}