文章目录

1、网络编程基础
2、Socket套接字
- 2.1 Java数据报套接字通信模型
- 2.2 Java流式套接字通信模型
- 2.3 Socket编程注意事项
3、UDP数据报套接字编程
4、TCP流式套接字编程

1、网络编程基础

在没有网路之前，两个进程只能在同一主机上进行通信，但是无法跨距离实现通信。但是通过网络，进程之间就能跨距离通信。网络是信息传输、接收、共享的虚拟平台，通过它把各个点、面、体的信息联系到一起，从而实现这些网络资源的共享。

所谓的网络资源，其实就是在网络中可以获取的各种数据资源，并且所有的网络资源，都是通过网络编程来进行数据传输的

什么是网络编程？
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）

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当然，我们只要满足进程不同就行；所以即便是同一个主机，只要是不同进程，基于网络来传输据，也属于网络编程。

特殊的，对于开发来说，在条件有限的情况下，一般也都是在一个主机中运行多个进程来完成网络编
程

但是，我们一定要明确，我们的目的是提供网络上不同主机，基于网络来传输数据资源：

进程A：编程来获取网络资源
进程B：编程来提供网络资源

网络编程中的基本概念

发送端和接收端

在一次网络数据传输时：
发送端：数据的发送方进程，称为发送端。发送端主机即网络通信中的源主机。
接收端：数据的接收方进程，称为接收端。接收端主机即网络通信中的目的主机。
收发端：发送端和接收端两端，也简称为收发端。
注意：发送端和接收端只是相对的，只是一次网络数据传输产生数据流向后的概念

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请求和响应

一般来说，获取一个网络资源，涉及到两次网络数据传输

第一次：请求数据的发送
第二次：响应数据的发送

好比冯同学在食堂点了一份麻辣烫(贼香的那种)：
冯同学要发起请求：点一份麻辣烫
其次，食堂阿姨提提供对应的响应：提供一份麻辣烫

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客户端和服务端

服务端：在常见的网络数据传输场景下，把提供服务的一方进程，称为服务端，可以提供对外服务
客户端：获取服务的一方进程，称为客户端

对于服务来说，一般是提供：

客户端获取服务资源

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客户端保存资源在服务端

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好比在银行办事：

银行提供存款服务：用户（客户端）保存资源（现金）在银行（服务端）
银行提供取款服务：用户（客户端）获取服务端资源（银行替用户保管的现金）

常见的客户端服务端模型

最常见的场景，客户端是指给用户使用的程序，服务端是提供用户服务的程序：

客户端先发送请求到服务端
服务端根据请求数据，执行相应的业务处理
服务端返回响应：发送业务处理结果
客户端根据响应数据，展示处理结果（展示获取的资源，或提示保存资源的处理结果）

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2、Socket套接字

概念
Socket套接字，是由系统提供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

分类
Socket套接字主要针对传输层协议划分为如下三类：
流式套接字：使用传输层TCP协议
TCP，即Transmission Control Protocol（传输控制协议），传输层协议
以下为TCP的特点

有连接
可靠传输
面向字节流
有接收缓冲区，也有发送缓冲区
大小不限

对于字节流来说，可以简单的理解为，传输数据是基于IO流，流式数据的特征就是在IO流没有关闭的情况下，是无边界的数据，可以多次发送，也可以分开多次接收

数据报套接字：使用传输层UDP协议
UDP，即User Datagram Protocol（用户数据报协议），传输层协议
以下为UDP的特点

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

对于数据报来说，可以简单的理解为，传输数据是一块一块的，发送一块数据假如100个字节，必须一次发送，接收也必须一次接收100个字节，而不能分100次，每次接收1个字节

原始套接字
原始套接字用于自定义传输层协议，用于读写内核没有处理的IP协议数据

2.1 Java数据报套接字通信模型

对于UDP协议来说，具有无连接，面向数据报的特征，即每次都是没有建立连接，并且一次发送全部数据报，一次接收全部的数据报

java中使用UDP协议通信，主要基于 DatagramSocket 类来创建数据报套接字，并使用DatagramPacket 作为发送或接收的UDP数据报。对于一次发送及接收UDP数据报的流程如下：

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以上只是一次发送端的UDP数据报发送，及接收端的数据报接收，并没有返回的数据。也就是只有请
求，没有响应。对于一个服务端来说，重要的是提供多个客户端的请求处理及响应，流程如下：

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2.2 Java流式套接字通信模型

流式套接字和数据报套接字通信方式有所不同，前者在通信之间需要建立连接，而且支持双向通信

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2.3 Socket编程注意事项

客户端和服务端：开发时，经常是基于一个主机开启两个进程作为客户端和服务端，但真实的场
景，一般都是不同主机。
注意目的IP和目的端口号，标识了一次数据传输时要发送数据的终点主机和进程
Socket编程我们是使用流套接字和数据报套接字，基于传输层的TCP或UDP协议，但应用层协议也需要考虑，这块我们在后续来说明如何设计应用层协议。
关于端口被占用的问题

如果一个进程A已经绑定了一个端口，再启动一个进程B绑定该端口，就会报错，这种情况也叫端
口被占用。对于java进程来说，端口被占用的常见报错信息如下：

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此时需要检查进程B绑定的是哪个端口，再查看该端口被哪个进程占用。以下为通过端口号查进程
的方式：

在cmd输入 netstat -ano | findstr 端口号，则可以显示对应进程的pid。如以下命令显示了9090进程的pid

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在任务管理器中，通过pid查找进程

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解决端口被占用的问题：

如果占用端口的进程A不需要运行，就可以关闭A后，再启动需要绑定该端口的进程B
如果需要运行A进程，则可以修改进程B的绑定端口，换为其他没有使用的端口

3、UDP数据报套接字编程

DatagramSocket API
DatagramSocket 是UDP Socket，用于发送和接收UDP数据报

DatagramSocket 构造方法：

方法	方法说明
DatagramSocket()	创建一个UDP数据报套接字的Socket，绑定到本机任意一个随机端口（一般用于客户端）
DatagramSocket(intport)	创建一个UDP数据报套接字的Socket，绑定到本机指定的端口（一般用于服务端）

DatagramSocket 方法：

方法	方法说明
void receive(DatagramPacket p)	从此套接字接收数据报（如果没有接收到数据报，该方法会阻塞等待）
void send(DatagramPacketp)	从此套接字发送数据报包（不会阻塞等待，直接发送）
void close()	关闭此数据报套接字

DatagramPacket API
DatagramPacket是UDP Socket发送和接收的数据报

DatagramPacket 构造方法：

方法	方法说明
DatagramPacket(byte[]buf, int length)	构造一个DatagramPacket以用来接收数据报，接收的数据保存在一个字节数组(第一个参数buf)中，接收指定长度(第二个参数length)
DatagramPacket(byte[]buf, int offset, int length,SocketAddress address)	构造一个DatagramPacket以用来发送数据报，发送的数据为字节数组（第一个参数buf）中，从0到指定长度（第二个参数length）。address指定目的主机的IP和端口号

DatagramPacket 方法：

方法	方法说明
InetAddressgetAddress()	从接收的数据报中，获取发送端主机IP地址；或从发送的数据报中，获取接收端主机IP地址
int getPort()	从接收的数据报中，获取发送端主机的端口号；或从发送的数据报中，获取接收端主机端口号
byte[] getData()	获取数据报中的数据

构造UDP发送的数据报时，需要传入 SocketAddress ，该对象可以使用 InetSocketAddress 来创建

InetSocketAddress API

InetSocketAddress （ SocketAddress 的子类）构造方法：

方法	方法说明
InetSocketAddress(InetAddress addr, int port)	创建一个Socket地址，包含IP地址和端口号

例1：将英文翻译为中文(UDP)

//UdpDictServer.java

package network;

import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.SocketException;
import java.util.HashMap;

public class UdpDictServer{
    private HashMap<String ,String> dict = new HashMap<>();


    public String process(String request) {
        return dict.getOrDefault(request, "字典中没有该词");
    }

    //进行网络编程，第一步就是要先准备好socket实例，这是进行网络编程的大前提
    private DatagramSocket socket = null;

    //这里出现SocketException是因为构造Socket对象有很多失败的可能
    //1.端口号被其他进程占用(例如两个人不能有相同的电话号码)
    //2.每个进程能够打开的文件个数是有上限的，如果进程之前已经打开了很多文件，就可能导致此处的socket文件不能顺利打开
    public UdpDictServer(int port) throws SocketException {
        socket = new DatagramSocket(port);
        dict.put("cat","小猫");
        dict.put("dog", "小狗");
        dict.put("hello", "你好");
        dict.put("pig","小猪");
        dict.put("fengtongxue", "冯同学");
    }

    //启动服务器
    public void start() throws IOException {
        System.out.println("启动服务器！");
        //UDP不需要建立链接，直接接受从客户端来的数据即可
        while (true) {
            //1.读取客户端发送来的请求
            //DatagramPacket表示一个UDP数据报
            //发送一次数据，就是在发送一个DatagramPacket
            //接受一次数据，也就在接受一个DatagramPacket
            DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(new byte[1024], 1024);
            //如果没收到数据，就会阻塞在receive
            socket.receive(requestPacket);//为了接受数据，需要先准备好一个空间的DatagramPacket对象，由receive进行填充数据
            //把DatagramPacket解析成一个String
            String request = new String(requestPacket.getData(), 0, requestPacket.getLength(), "UTF-8");

            //2.根据请求计算响应
            String response = process(request);

            //3.把响应写会客户端
            //IP和端口号合在一起的写法
            //response.getBytes().length拿到的是字节个数，不能写成response.length()，因为这是拿到的字符个数 
            //requestPacket.getSocketAddress()，指定数据要发给谁
            
            DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(response.getBytes(),
                    response.getBytes().length, requestPacket.getSocketAddress());
            //发送数据
            socket.send(responsePacket);
            //打印请求的IP地址，端口号，请求以及响应
            System.out.printf("%s %d  req:%s , resp:%s\n",
                    requestPacket.getAddress().toString(), requestPacket.getPort(), request, response);
        }
    }


    public static void main(String[] args) throws IOException {
        UdpDictServer server = new UdpDictServer(9090);
        server.start();
    }
}

//UdpEchoClient.java

package network;

import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.InetAddress;
import java.net.SocketException;
import java.util.Scanner;


public class UdpEchoClient {
    private DatagramSocket socket = null;
    private String serverIP;
    private int serverPort;


    public UdpEchoClient(String ip, int port) throws SocketException {
        //此处的port是服务器的端口
        //客户端启动的时候，不需要给socket指定端口，客户端自己的端口是系统随机分配的
        //通常写代码的时候，客户端的端口号都是由系统指定的
        //而服务器端口号必须手动指定，后续客户端要根据这个端口号访问服务器
        //如果让系统随机分配，客户端就不知道服务器的端口号是啥，也就不能访问
        socket = new DatagramSocket();
        serverIP = ip;
        serverPort = port;
    }

    public void start() throws IOException {
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        while (true) {
            //1.先从控制台读取用户输入的字符串
            System.out.print("->");
            String request = scanner.next();

            //2.把用户输入的内容，构造成一个UDP请求，再发送数据
            //  构造的请求里包含两部分信息
            //  1)数据的内容，request 字符串
            //  2)数据要发给谁 服务器的IP+端口
            //IP和端口号分开的写法
            DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(request.getBytes(),
                    request.getBytes().length, InetAddress.getByName(serverIP), serverPort);
            //发送数据
            socket.send(requestPacket);
            //3.从服务器读取响应数据，并解析
            DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(new byte[1024], 1024);
            socket.receive(responsePacket);
            String response = new String(responsePacket.getData(), 0,
                    responsePacket.getLength(), "UTF-8");
            //4.把响应结果显示到控制台上
            System.out.printf("req: %s, resp: %s\n", request, response);
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
    	//由于服务器和客户端在同一台计算机上，使用的IP仍然是127.0.0.1(本地环回)，如果在不同的计算机上，就需要更改这里的IP地址
        UdpEchoClient client = new UdpEchoClient("127.0.0.1", 9090);
        client.start();
    }
}

问题：为啥服务器上来就是接受，也不是发送呢？
因为，服务器的定义，就是"被动接受请求"的这一放
主动发送请求的一方，叫做客户端

注意：端口被占用的问题

一个服务器可以为很多个客户端提供服务。但是同一时刻服务器能够处理的客户端数目是一定存在上限的，因为服务器处理每个请求，都需要消耗一定的资源(包括但不限于CPU，内存，磁盘，宽带…)

至于是多少个，取决于:

处理一个请求，消耗多少资源
服务器一共有多少资源

在Java中并不容易精确的计算消耗多少资源，JVM里面有很多辅助的功能，也需要消耗额外的资源。在实际开发中，通过性能测试的方式，就知道服务器最大能给多少客户端提供服务

在idea中，当我们想再启动一个客户端时，可能会出现这样的问题

在这里插入图片描述

idea会提示我们，需要将上一个启动的实例关掉，才能再次启动。此时需要做以下操作，就可以重复启动实例

第一步：

在这里插入图片描述

第二步：

在这里插入图片描述

修改完毕后，就能多次启动客户端

通常情况下，一个服务器是要同时给多个客户端提供服务的
但是也有其他情况，一个服务器只给一个客户端提供服务，典型的就是分布式系统，两个节点之间的交互

4、TCP流式套接字编程

ServerSocket API
ServerSocket 是创建TCP服务端Socket的API

ServerSocket 构造方法：

方法	方法说明
ServerSocket(int port)	创建一个服务端流套接字Socket，并绑定到指定端口

ServerSocket 方法：

方法	方法说明
Socketaccept()	开始监听指定端口（创建时绑定的端口），有客户端连接后，返回一个服务端Socket对象，并基于该Socket建立与客户端的连接，否则阻塞等待
voidclose()	关闭此套接字

Socket API
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：

方法	方法说明
Socket(String host, intport)	创建一个客户端流套接字Socket，并与对应IP的主机上，对应端口的进程建立连接

Socket 方法：

方法	方法说明
InetAddress getInetAddress()	返回套接字所连接的地址
InputStream getInputStream()	返回此套接字的输入流
OutputStream getOutputStream()	返回此套接字的输出流

例2：将英文翻译为中文(TCP)

//TcpEchoServer.java

package network;

import java.io.*;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.util.HashMap;
import java.util.Scanner;

public class TcpEchoServer {
    //监听套接字
    private ServerSocket serverSocket = null;
    private HashMap<String, String> dict = new HashMap<>();

    public TcpEchoServer(int port) throws IOException {
        serverSocket = new ServerSocket(port);
        dict.put("dog","小狗");
        dict.put("cat","小猫");
        dict.put("pig","小猪");
        dict.put("fengtongxue","冯同学");
    }

    public void start() throws IOException {
        System.out.println("服务启动成功");
        while (true) {
            //如果没有客户端进行请求连接，将阻塞在accept()上
            //accept()成功后返回一个Socket对象，称为clientSocket，后续和客户端进行通信，都是通过clientSocket完成的
            Socket clientSocket = serverSocket.accept();
            //处理通信
            processConnection(clientSocket);

            //ServerSocket专门负责建立连接，Socket专门负责通信
        }
    }

    private void processConnection(Socket clientSocket) {
        System.out.printf("[%s %d] 客户端建立链接\n", clientSocket.getInetAddress().toString(),clientSocket.getPort());
        //接下来处理请求和响应

        //这里针对tcp socket的读和写跟文件的读和写是一样的
        try (InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream()) {
            try(OutputStream outputStream = clientSocket.getOutputStream()) {
                //循环处理每个请求，分别返回响应
                Scanner scanner = new Scanner(inputStream);
                //1.读取请求
                while (true) {
                    if (!scanner.hasNext()) {
                        System.out.printf("[%s %d] 客户端断开链接！", clientSocket.getInetAddress(), clientSocket.getPort());
                        break;
                    }
                    //此处用这个Scanner更方便，如果不用Scanner，就用原生的InputStream的read也可以
                    String request = scanner.next();


                    //2.根据请求，计算响应
                    String response = process(request);

                    //3.把这个响应返回给客户端
                    //为了方便起见，可以使用PrintWriter把outputStream包裹一下
                    PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream);
                    //将响应数据发送给客户端
                    printWriter.println(response);
                    //刷新缓冲区，如果没有这个刷新，可能客户端就不能第一时间看到响应结果
                    printWriter.flush();
					
					//打印客户端的IP，端口号，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) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            try {
                //记得关闭socket
                clientSocket.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    private String process(String request) {
        return dict.getOrDefault(request, "无该单词");
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        TcpEchoServer server = new TcpEchoServer(9090);
        server.start();
    }
}

//TcpEchoClient.java

package network;

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.Socket;
import java.util.HashMap;
import java.util.Scanner;

public class TcpEchoClient {
    //用普通的 socket即可，不用 ServerSocket
    //此处也不用手动给客户端指定端口，让系统自由分配
    private Socket socket = null;

    public TcpEchoClient(String serverIP, int port) throws IOException {
        //其实这里IP和port是可以给的，但是这里给了之后，含义不同
        //这里传入的ip和端口号的含义不同表示的不是自己绑定，而是表示和这个ip端口建立链接
        //调用这个构造方法，就会和服务器建立链接
        socket = new Socket(serverIP, port);
    }

    public void start() {
        System.out.println("和服务器连接成功");
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        try (InputStream inputStream = socket.getInputStream()) {
            try (OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()) {
                while (true) {
                    //1.从控制到读取数据
                    System.out.print("->");
                    String request = scanner.next();
                    //2.根据读取到的字符串，构造请求，把请求发送给服务器
                    PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream);
                    printWriter.println(request);
                    printWriter.flush();//如果不刷新，可能服务器无法及时看到数据
                    //3.从服务读取响应，并解析
                    Scanner respScanner = new Scanner(inputStream);
                    String response = respScanner.next();
                    //4.把结果显示到控制台上
                    System.out.printf("req:%s , resp:%s\n", request, 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();
    }
}

在上述代码中，针对这里的clientSocket特意关闭了一下，但是对于ServerSocket就没有关闭。
同样的在UDP版本的代码里，也没有针对socket的关闭，这是为什么呢？

因为关闭的目的是为了"释放资源"，释放资源的前提是已经不再使用这个资源了。对于UDP的程序和serversocket来说，这些socket都是贯穿程序始终的，这些资源最迟也就是跟随进程的退出一起释放(进程才是分配资源的基本单位，而线程是CPU调度的基本单位)

先启动Server端，再启动Client端

虽然这个代码已经可以运行，但是此时还有一个很严重的问题，就是当前的服务器，同一时刻只能处理一个连接！

为啥当前的服务器，同一时刻只能处理一个客户端？
能够和客户端交互的前提是，要先调用accept，接受连接，当和第一个客户端建立连接够，会进行相互通信，如果当前这个客户端没有断开连接，就无法再次调用accept，也就不能接受第二个客户端的连接，因此同一时刻只能处理一个客户端。

想要解决上述问题，就得让processConnection的执行，和前面的accept的执行相互不干扰，不能让processConnection里面的循环导致accept无法及时调用，因此，得使用多线程

为啥前面的UDP版本的程序没用多线程，也能处理多个客户端？
因为UDP不需要处理连接，UDP是无连接的，UDP只需要一个循环，就能处理所有的客户端请求。
但是此处，TCP既要处理连接，又要处理一个连接的若干次请求，就需要两个循环，里层循环就会影响到外层循环的进度。

因此，主线程循环调用accept，当有客户端连接上来的时候，就直接让主线程创建一个新线程，由新线程负责对客户端的若干请求提供服务(新线程里，通过while循环来处理请求)。这个时候，多个线程是并发执行，就不会相互干扰。也要注意，每个客户端连上来都得分配一个线程

例3：将英文翻译为中文(TCP)，线程版——只需要进行小小的改动

public void start() throws IOException {
    System.out.println("服务启动成功");
    while (true) {
        //如果没有客户端进行请求连接，将阻塞在accept()上
        //accept()成功后返回一个Socket对象，称为clientSocket，后续和客户端进行通信，都是通过clientSocket完成的
        Socket clientSocket = serverSocket.accept();
        //[改进方法] 在这个地方，每次accept成功，都创建一个新的线程，由这个新线程来执行processConnection方法，进行通信
        Thread t = new Thread(()->{
            processConnection(clientSocket);
        });
        t.start();

    }
}

看到这里，有同学可能有一个疑问，在没使用多线程的情况下，多个客户端和服务器建立连接时，明明却提示了已经建立连接成功，这和除了第一个客户端能进行通信，其他客户端都不能通信相矛盾，为什么是这样呢？

因为当客户端new Socket成功的时候，其实在操作系统内核层面，已经建立好连接了(TCP三次握手已经成功)，但是应用程序还能接受这个连接

既然能用线程解决这个问题，那么就一定能用线程池解决，并且线程池还能进一步提高效率

例4：将英文翻译为中文(TCP)，线程池版——只需要进行小小的改动

public void start() throws IOException {
    System.out.println("服务启动成功");
    //创建一个线程池
    ExecutorService pool = Executors.newCachedThreadPool();
    while (true) {
        Socket clientSocket = serverSocket.accept();
        //让线程池中的线程处理通信
        pool.submit(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                processConnection(clientSocket);
            }
        });
    }
}