【JavaEE】网络原理:UDP数据报套接字编程和TCP流套接字编程

1.UDP数据报套接字编程

1.1 DatagramSocket

1.2 DatagramPacket

1.3 InetSocketAddress

1.4 基于UDP实现回响服务器

2.TCP流套接字编程

2.1 ServerSocket

2.2 Socket

2.3 基于TCP实现回响服务器

1.UDP数据报套接字编程

API 介绍

1.1 DatagramSocket

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

DatagramSocket 的构造方法:

方法签名	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(int port)	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 的方法:

方法签名	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(DatagramPacket p)	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

1.2 DatagramPacket

DatagramPacket 是UDP Socket发送和接收的数据报

DatagramPacket 构造方法：

方法签名	方法说明
DatagramPacket(byte[] buf, int length)	构造⼀个DatagramPacket以⽤来接收数据报，接收的数据保存在字节数组（第⼀个参数buf）中，接收指定⻓度（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：

方法签名	方法说明
InetAddress getAddress()	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。

1.3 InetSocketAddress

InetSocketAddress （ SocketAddress 的子类）构造方法：

方法签名	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

1.4 基于UDP实现回响服务器

服务器端代码:

import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.SocketException;
import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Calendar;

public class UdpEchoServer {
    private DatagramSocket socket = null;

    public UdpEchoServer(int port) throws SocketException {
        socket = new DatagramSocket(port);   //port:端口号
    }

    public void start() throws IOException {
        System.out.println("服务器启动!");
        while (true) {
            //每次循环,就是一个请求-响应过程
            //1.读取请求并解析
            DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(new byte[4096], 4096);
            socket.receive(requestPacket);
            //基于字节数组构造String
            String request = new String(requestPacket.getData(), 0, requestPacket.getLength());
            //2.根据请求计算响应(对于回显服务器来说,这一步啥都不做)
            String response = process(request);
            //把响应返回客户端
            // 构造一个 DatagramPacke 作为相应对象
            DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(response.getBytes(),
                    0, response.getBytes().length,
                    requestPacket.getSocketAddress()); //得到 INetAddress 对象, 这个对象包含了 ip 和端口号
            socket.send(responsePacket);

            //打印日志
            Calendar calendar = Calendar.getInstance();
            SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
            String dateTime = sdf.format(calendar.getTime());
            System.out.printf("[%s:%d time:%s] req: %s, resp: %s\n", requestPacket.getAddress().toString(),
                    requestPacket.getPort(),dateTime, request, response);
        }
    }

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

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

客户端代码

import java.io.IOException;
import java.net.*;
import java.util.Scanner;

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

    public UdpEchoClient(String serverIp, int serverPort) throws SocketException {
        this.serverIp = serverIp;
        this.serverPort = serverPort;
        socket = new DatagramSocket();
    }

    public void start() throws IOException {
        System.out.println("客户端启动!");
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        while (true) {
            System.out.print("->"); //提示用户接下来要输入内容
            //1.从控制台读取要发送的数据
            if (!scanner.hasNext()) {
                break;
            }
            String request = scanner.next();
            //2.构造请求并发送
            DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(request.getBytes(), request.getBytes().length,
                    InetAddress.getByName(serverIp), serverPort);
            socket.send(requestPacket);
            //3.读取服务器的响应
            DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(new byte[4096], 4096);
            socket.receive(responsePacket);
            //4.把响应显示到控制台上
            String response = new String(responsePacket.getData(), 0, responsePacket.getLength());
            System.out.println(response);
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        UdpEchoClient client = new UdpEchoClient("127.0.0.1", 9090);
        client.start();
    }
}

运行效果:

编写⼀个英译汉的服务器. 只需要重写 process

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

//词典服务器
public class UdpDictServer extends UdpEchoServer {
    private HashMap<String, String> hashMap = new HashMap<>();

    public UdpDictServer(int port) throws SocketException {
        super(port);
        hashMap.put("cat", "小猫");
        hashMap.put("dog", "小狗");
        hashMap.put("chicken", "坤坤");
        hashMap.put("aaaaaaaaaa", "测试");
    }

    //start 方法完全从父类中继承下来即可
    //process 方法要进行重写,加入另外的业务逻辑,进行翻译
    @Override
    public String process(String request) {
        return hashMap.getOrDefault(request, "您查的单词不存在!");
    }

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

运行效果

2.TCP流套接字编程

API 介绍

2.1 ServerSocket

ServerSocket 是创建TCP服务端Socket的API。

ServerSocket 构造方法：

方法签名	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：

方法签名	方法说明
Socket accept()	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
void close()	关闭此套接字

2.2 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：

方法签名	方法说明
Socket(String host, int port)	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：

方法签名	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

2.3 基于TCP实现回响服务器

服务器端代码:

import java.io.*;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
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("服务器启动!");
        // 创建线程池
        ExecutorService pool = Executors.newCachedThreadPool();
        while(true) {
            // 通过accept方法"接听电话",然后才能进行通信
            Socket clientSocket = serverSocket.accept();
            pool.submit(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    processConnection(clientSocket);
                }
            });
        }
    }

    //通过这个方法来处理一次连接, 连接建立过程中涉及到多次请求的响应交互
    private void processConnection(Socket clientSocket) {
        System.out.printf("[%s:%d] 客户端上线!\n",clientSocket.getInetAddress(),clientSocket.getPort());
        //循环的读取客户端的请求并返回响应
        try(InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream();
            OutputStream outputStream = clientSocket.getOutputStream()) {
            Scanner scanner = new Scanner(inputStream);
            while(true) {
                if(!scanner.hasNext()) {
                    //读取完毕,客户端断开连接,就会产生读取完毕
                    System.out.printf("[%s:%d] 客户端下线!\n",clientSocket.getInetAddress(),clientSocket.getPort());
                    break;
                }
                //1.读取请求并解析 next要读到空白符才会结束
                String request = scanner.next();
                //2.根据请求计算响应
                String response =  process(request);
                //3.把响应返回给客户端
                //通过这种方法可以写回, 但是这种方法不方便给返回的响应中添加\n
                    //outputStream.write(response.getBytes(),0,response.getBytes().length);
                //也可以给 outputStream 套上一层,完成更方便的写入
                PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream);
                printWriter.println(response);
                printWriter.flush();

                System.out.printf("[%s:%d] req: %s, resp: %s \n",clientSocket.getInetAddress(),clientSocket.getPort(),
                        request,response);
            }
        } catch (IOException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        } finally {
            try {
                clientSocket.close();
            } 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();
    }
}

注意: 如果只是单个线程, 无法同时响应多个客户端. 此处给每个客户端都分配⼀个线程. 为了避免频繁创建销毁线程, 引入线程池

客户端代码:

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 {
        //此处可以把这里的ip和port直接传给socket对象
        //由于tcp是有连接的,因此 socket 里面就会保存这两信息
        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()) {
            Scanner scannerConsole = new Scanner(System.in);
            Scanner scannerNetWork = new Scanner(inputStream);
            PrintWriter writer = new PrintWriter(outputStream);
            while(true) {
                //这里的流程和 UDP 的客户端类似
                //1.从控制台读取输入的字符串
                System.out.print("-> ");
                if(!scannerConsole.hasNext()) {
                    break;
                }
                String request = scannerConsole.next();
                //2.把请求发给服务器, 这里需要使用println来发送, 为了让发送的请求末尾带有 \n
                writer.println(request);
                // 通过flush刷新缓冲区
                writer.flush();
                //3.从服务器读取响应
                String response = scannerNetWork.next();
                //4.把响应显示出来
                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();
    }
}

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