探索Java网络编程精髓：UDP与TCP的实战魔法！

news2024/11/15 12:58:31

Java 中提供了专门的网络编程程序包 java.net，提供了两种通信协议：UDP（数据报协议）和 TCP（传输控制协议），本文对两种通信协议的开发进行详细介绍。

1

UDP 介绍

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UDP：User Datagram Protocol，是一种无连接的传输层协议，是不可靠的消息传输服务。UDP 为应用程序提供了一种无需建立连接就可以发送封装的 IP 数据包的方法。

UDP 的特点是非面向连接，传输不可靠，数据可能丢失。一般用于各种聊天工具、音频或者多媒体应用，对数据传输的完整性要求不是特别高的场景。

在 UDP 开发中使用 DatagramPacket 类包装一条要发送的消息，然后用 DatagramSocket 类完成消息的发送。

下面我们来通过一个的示例来了解 UDP 编程，编写一个客户端程序，在客户端里指定要接收数据（服务端）的端口以及要发送的数据，打包数据后进行发送；编写一个服务端程序，在服务端里接收客户端发来的数据并输出。

// 客户端发送消息
@Test
  public void testClient() throws IOException {
    // 1、创建客户端指定端口为6666
    DatagramSocket client = new DatagramSocket(6666);
    // 2、准备数据
    String msg = "测试UDP！";
    byte[] data = msg.getBytes();
    // 3、打包数据，InetSocketAddress端口为服务端的端口
    DatagramPacket packet = new DatagramPacket(data, data.length, new InetSocketAddress("localhost", 8888));
    // 4、发送数据
    client.send(packet);
    // 5、释放资源
    client.close();
  }


// 服务端接收消息
@Test
  public void testServer() throws IOException {
    // 1、创建服务端指定端口为8888
    DatagramSocket server = new DatagramSocket(8888);
    // 2、准备接受输入的缓存字节数组
    byte[] buf = new byte[1024];
    // 3、封装成DatagramPacket包
    DatagramPacket packet = new DatagramPacket(buf, buf.length);
    // 4、接受数据
    server.receive(packet);
    // 5、分析数据
    byte[] data = packet.getData();
    System.out.println(new String(data, 0, packet.getLength()));
    // 6、释放资源
    server.close();
  }

首先运行服务端程序，然后运行客户端程序，观察服务端程序的控制台的运行结果：

测试UDP！

下面我们结合 IO 流，来演示一个发送基本数据类型的示例，客户端向服务端发送一个用户的名称和年龄，假设用户名为 JPM，年龄为 18 岁。

// 客户端发送数据
@Test
  public void client() throws IOException {
    // 1、创建客户端指定端口为6666
    DatagramSocket client = new DatagramSocket(6666);
    // 2、准备数据
    String name = "JPM";
    int age = 18;
    byte[] data = buildData(name, age);
    // 3、打包数据，InetSocketAddress端口为服务端的端口
    DatagramPacket packet = new DatagramPacket(data, data.length, new InetSocketAddress("localhost", 8888));
    // 4、发送数据
    client.send(packet);
    // 5、释放资源
    client.close();
  }


  private byte[] buildData(String name, int age) throws IOException {
    byte[] data = null;
    ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();
    DataOutputStream dos = new DataOutputStream(bos);
    dos.writeUTF(name);
    dos.writeInt(age);
    dos.flush();
    data = bos.toByteArray(); // 获取数据
    dos.close();
    bos.close();
    return data;
  }


// 服务端接收数据
@Test
  public void server() throws IOException {
    // 1、创建服务端指定端口为8888
    DatagramSocket server = new DatagramSocket(8888);
    // 2、准备接受输入的缓存字节数组
    byte[] buf = new byte[1024];
    // 3、封装成DatagramPacket包
    DatagramPacket packet = new DatagramPacket(buf, buf.length);
    // 4、接受数据
    server.receive(packet);
    // 5、分析数据
    String data = getData(packet.getData());
    System.out.println(data);
    // 6、释放资源
    server.close();
  }


  private String getData(byte[] data) throws IOException {
    DataInputStream dis = new DataInputStream(new ByteArrayInputStream(data));
    String name = dis.readUTF();
    int age = dis.readInt();
    dis.close();
    return name + "的年龄是：" + age;
  }

首先运行服务端程序，然后运行客户端程序，观察服务端程序的控制台的运行结果：

JPM的年龄是：18

2

TCP 介绍

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TCP，Transmission Control Protocol，是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。TCP 的特点是面向连接的、点到点的、高可靠的，需要通过三次握手建立连接。

在 Java 中使用 Socket（套接字）完成 TCP 程序的开发。服务器端使用 ServerSocket 类来接受客户端的连接，每一个客户端都使用一个 Socket 对象表示。

服务器端要使用 accept() 方法等待客户端的连接，此方法执行后服务器端进入阻塞状态，直到客户端连接之后程序才可以继续执行。accept() 方法返回的是一个 Socket 类型的对象，每一个 Socket 对象都表示一个客户端对象。

在客户端，可以通过 Socket 类的 getInputStream() 方法获取服务器的输出信息，在服务器端可以通过 Socket 类的 getOutputStream() 方法获取客户端的输出信息，因此说网络程序员要使用 Java IO 输入、输出流来完成信息的传递。

下面演示一个 TCP 程序的示例，服务器接收到客户端的连接后返回给客户端“Hello，欢迎使用!”，客户端接收服务端的数据并输出到控制台。

// 服务器端程序
  @Test
  public void testServer() throws IOException {
    // 1、创建服务器指定8888端口
    ServerSocket server = new ServerSocket(8888);
    // 2、接收客户端连接,阻塞式
    Socket socket = server.accept();
    System.out.println("建立客户端连接");
    // 3、发送数据
    String msg = "Hello，欢迎使用!";
    BufferedWriter bw = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(socket.getOutputStream()));
    bw.write(msg);
    // 必须调用此方法，否则客户端readLine()会执行会发生Connection reset异常
    bw.newLine();
    bw.flush();
    server.close();
  }
// 客户端程序
  @Test
  public void testClient() throws IOException {
    // 1、创建客户端连接,指定服务器的域名和端口
    Socket client = new Socket("localhost", 8888);
    // 2、接收数据
    BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(client.getInputStream()));
    String msg = br.readLine(); // 阻塞式方法
    System.out.println(msg);
    client.close();
  }

首先运行服务端程序，然后运行客户端程序，观察控制台的运行结果：

服务端控制台输出：
建立客户端连接


客户端控制台输出：
Hello，欢迎使用!

注意：如果服务端已经开启一个 8888 端口的服务，那么再次开启 8888 端口服务端的程序会发生绑定端口异常，如：java.net.BindException: Address already in use: JVM_Bind

以上的程序一个服务端只能接收一个客户端，并只能处理一次客户端请求，如果想实现一个服务端可以接收多个客户端的连接，那么需要在服务端程序上加入一个 while 无限循环来完成。

3

TCP 通信的经典案例

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下面的代码实现网络编程通信的一个经典案例，就是客户端输入消息，服务器接收到客户端的消息后，在客户端发来的消息内容前面加上“echo：”并返回给客户端，直到客户端输入“exit”时退出连接。

// 服务器端程序
@Test
  public void testMultiServer() throws IOException {
    // 创建服务器指定8888端口
    ServerSocket server = new ServerSocket(8888);
    Socket client = null;
    PrintStream out = null;
    BufferedReader buf = null;
    boolean sts = true;// 默认无限循环
    // while循环接收客户端连接
    while (sts) {
      System.out.println("======服务器已经运行，等待客户端的链接：======");
      client = server.accept();
      System.out.println("建立客户端连接");
      // 得到客户端的输入信息
      buf = new BufferedReader(new InputStreamReader(client.getInputStream()));
      // 实例化客户端的输出流，用于输出消息
      out = new PrintStream(client.getOutputStream());
      boolean flag = true;
      while (flag) {
        String str = buf.readLine();// 不断接收输入的消息
        if ("exit".equals(str)) { // 客户端结束输入
          flag = false;
        } else {
          out.println("echo：" + str);
        }
      }
      out.close();
      client.close();
    }
    server.close();
  }


// 客户端程序
  @Test
  public void testClient2() throws IOException {
    // 创建客户端连接,指定服务器的域名和端口
    Socket client = new Socket("localhost", 8888);
    // 接收服务器端的输入
    BufferedReader buf = new BufferedReader(new InputStreamReader(client.getInputStream()));
    // 从键盘接收输入
    BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
    // 向服务器端输出消息
    PrintStream out = new PrintStream(client.getOutputStream());
    boolean flag = true;
    while (flag) {
      System.out.print("请输入消息：");
      String msg = reader.readLine();// 从键盘接收输入的数据
      out.println(msg); // 输出到服务器端
      if ("exit".equals(msg)) {
        flag = false;
      } else {
        System.out.println(buf.readLine()); // 输出服务器返回的消息
      }
    }
    client.close();
    reader.close();
    buf.close();
  }

首先运行服务端程序，然后运行客户端程序，观察控制台的运行结果：

服务端控制台输出：
======服务器已经运行，等待客户端的链接：======
建立客户端连接
======服务器已经运行，等待客户端的链接：======
建立客户端连接
======服务器已经运行，等待客户端的链接：======


客户端1控制台：
请输入消息：你好，追梦Java
echo：你好，追梦Java
请输入消息：hello，java
echo：hello，java
请输入消息：exit


客户端2控制台：
请输入消息：客户端2
echo：客户端2
请输入消息：hello，客户端2
echo：hello，客户端2
请输入消息：exit

以上的程序结果来看，所有的客户端输入的内容，都会在服务器端加上“echo：”后回显给客户端，同时当一个客户端退出时，服务器端没有退出，而是会等待下一个客户端进行连接，服务器端可以重复执行。

但是在以上的程序中存在一个服务器端单线程处理的问题，也就是说以上的程序服务器端每次只能有一个客户端连接，其他的客户端只有等前面的客户端退出后，自己才能执行。

可以通过上面的程序，首先启动服务端，再启动一个客户端，然后再启动一个客户端的过程来感受。

4

多线程机制下的 TCP 编程

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上面程序中存在服务器单线程服务的问题，由于 accept() 方法的阻塞机制，因此当客户端没有退出时，一个服务器只能处理已经连接上的客户端程序，在这个客户端没有退出前，其他客户端是无法连接的。

为了保证服务器可以同时连接多个客户端，可以在服务器端的程序里加上多线程机制，也就是说，每个客户端连接之后都启动一个线程，这样一个服务器就可以同时支持过个客户端连接了。

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在服务器端加上多线程机制，就是需要在每个客户端连接之后启动一个新的线程。

因此，我们需要建立一个专门用于处理多线程操作的 EchoThread 类，实现 Runnable 接口。

public class EchoThread implements Runnable {


  private Socket client = null;


  public EchoThread(Socket client) {
    this.client = client;
  }


  @Override
  public void run() {
    PrintStream out = null;
    BufferedReader buf = null;
    try {
      // 得到客户端的输入信息
      buf = new BufferedReader(new InputStreamReader(client.getInputStream()));
      // 实例化客户端的输出流
      out = new PrintStream(client.getOutputStream());
      boolean flag = true; // 表示一个客户端是否结束
      while (flag) {
        String str = buf.readLine();
        if ("exit".equals(str)) {
          flag = false;
        } else {
          out.println("echo：" + str);
        }
      }
      out.close();
      buf.close();
      client.close();
    } catch (Exception e) {
      e.printStackTrace();
    }
  }


}

下面在服务器程序 EchoThreadServer 类加上多线程的调用，使用 EchoThread 类：

public class EchoThreadServer {
  public static void main(String[] args) throws IOException {
    ServerSocket server = new ServerSocket(8888);
    Socket client = null;
    boolean flag = true;
    while (flag) {
      System.out.println("======服务器已经运行，等待客户端的链接：======");
      client = server.accept();
      // 启动一个EchoThread线程来处理一个独立的客户单
      new Thread(new EchoThread(client)).start();
    }
    server.close();
  }
}

客户端程序不变，首先运行服务端程序 EchoThreadServer，然后分别运行客户端程序两次，观察控制台的运行结果：

服务端控制台输出：
======服务器已经运行，等待客户端的链接：======
建立客户端连接
建立客户端连接


客户端1控制台：
请输入消息：我是客户端1
echo：我是客户端1
请输入消息：hello1
echo：hello1
请输入消息：exit


客户端2控制台：
请输入消息：我是客户端2
echo：我是客户端2
请输入消息：hello2
echo：hello2
请输入消息：exit

从上面的例子可以看出，服务端支持多个客户端的连接，并且每个客户端都可以独立与服务端进行交互，互不影响。

通过上面的介绍，对 Java 的网络编程有了进一步的认识，后面会基于以上的内容结合 Java IO 流来实现一个聊天室的功能，敬请期待......

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