[网络编程】网络编程的基础使用

系列文章目录

1、初识网络

网络编程套接字

系列文章目录
前言
一、TCP和UDP协议的引入
二、UDP网络编程
- 1.Java中的UDP
- 2.UDP回显代码案例
- 3.UDP网络编程的注意事项
三、TCP网络编程
- 1.TCP回显代码案例
- 2.TCP多线程使用
总结

前言

在学习完基础的网络知识后，完成跨主机通信的网络编程。

一、TCP和UDP协议的引入

注意：TCP协议并非TCP/IP模型。
TCP和UDP都属于传输层协议中的一种，为应用层提供服务。但是二者之间的特点和差异都很大，因此有了两套API分别应用于二者。
特点：
TCP:有连接，可靠传输，面向字节流，全双工
UDP：无连接、不可靠传输、面向数据报、全双工

其中有连接的意思是如同打电话一样，在电话接通以后才能相互通信；无连接就像发送短信，不需要“先接通”，允许直接发送。
可靠传输的意思是将要传输的数据尽可能传输给对方，不可靠传输的意思是在数据传输时不关心对方是否收到信息。
面向字节流，和文件操作中的字节流类似，读写操作十分灵活。
面向数据报：在UDP协议中，传输数据的基本单位时一个个UDP数据报，一次读写只能读写一个完整的UDP数据报。
全双工：在一条链路中能够进行双向通信；半双工：一条链路中只能进行单向通信。

二、UDP网络编程

1.Java中的UDP

在Java中，引入系统的API(称为Socket API)并进行封装，在Java中主要有两个类：DatagramSocket和DatagramPacket。
1）DatagramSocket：socke可以理解为是一种文件，socket文件可以视为对网卡的硬件设备进行的抽象化。在UDP中对于操作系统中socket概念的封装，针对该对象进行读写操作，也可以理解为对网卡硬件设备的操作。
2）DatagramPacket: 针对UDP数据报的一个抽象表示，一个DatagramPacket对象，就相当于一个UDP数据报。一次发送/接收就相当于传输了一个DatagramPacket对象。

2.UDP回显代码案例

所谓回显代码，即客户端请求什么内容，服务器就返回什么代码。回显代码中没有实现复杂的逻辑，能够最简单的反映UDP的服务器和客户端之间的互动情况。

UDPEchoServer:在Server端，端口号是固定的，DaragramSocket 在构造方法中传入端口号。在服务器启动之后需要不断接收请求和返回请求值。
在DatagramSocket中的receive方法负责接收客户端发送过来的请求，将接收到的数据转换成字符串request，作为后面处理请求的参数。通过方法process运行之后返回的结果需要数据报进行封装，因此在结果返回之后，新建一个数据报对象并将字符串结果转换成字节流。通过socket.send方法发送。

public class UdpEchoServer {
    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) {
            DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(new byte[4096],4096);
            socket.receive(requestPacket);
            String request = new String(requestPacket.getData(),0,requestPacket.getLength());
            String response = this.process(request);
            DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(response.getBytes(),0,response.getBytes().length,
                    requestPacket.getSocketAddress());
            socket.send(responsePacket);
            System.out.printf("[%s:%d] req = %s,res = %s \n",requestPacket.getAddress(),requestPacket.getPort(),request,response);
        }

    }

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

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

UDPEchoClient:在客户端，用户发起请求并接收返回的结果。对服务器发送的信息应该包括用户IP地址、用户端口号的信息。通过DatagramSocket类中的send方法发送请求。
在start()方法中，新建字符串request来保存用户所发送的请求，由于网卡的的性质需要发送数据报格式。为了解决这个问题，我们需要new一个数据报requestPacket对请求内容进行封装。同时我们需要把字符串的数据转换成字节流的数据。
INetAddress中的getByName方法中存储着服务器的IP地址以及服务器的端口号。
在发送请求之后等待数据接收状态下，receive()方法进入阻塞状态。
在接收到数据之后，将字节流数据转换成字符串的形式，用response接收。

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

    public UdpEchoClient(String serverIp, int serverPort) throws SocketException {
        this.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) {
            System.out.println("请输入要发送的请求：");
            String request = scanner.next();
            DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(request.getBytes(),0,request.getBytes().length,
                    InetAddress.getByName(serverIp),serverPort);
            socket.send(requestPacket);
            DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(new byte[4096],4096);
            socket.receive(responsePacket);

            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();
    }
}

最终，我们成功完成了UDP中基础的数据请求与通信。

3.UDP网络编程的注意事项

在上面的UDP编程中，主要可以分为以下几个步骤（如下图所示）
进程的运行顺序是先启动服务器，再启动客户端。
在代码编写过程中，都没有涉及到close操作的原因：DatagreamSocket作为这个进程的对象和服务器程序的生命周期是一样的。如果在某个程序中，socket对象的生命周期和进程不一样，需要提前释放的话就需要进行close操作。

三、TCP网络编程

在TCP中的socket api中与UDP不同的是，在TCP中ServerSocket类是专门给服务器使用的。 Socket类是专门作用于客户端和服务器之间进行通信使用的。
由于TCP属于有连接和可靠传输，他们之间必须时刻保持通信状态。在ServerSocket中有accept方法接收客户端发来的请求。

1.TCP回显代码案例

我们知道TCP是面向字节流的，因此在TCP中的操作是以流对象进行操作的。

在Socket类中，通过两个方法：getInputStream和getOutpurStream 进行操作的。
在服务器中，start方法中通过accept同意客户端连接。接下来调用processConnection
使用Scanner读取InputStream流中的数据内容。
使用Scanner的好处是对于客户端传输进来的字节流，Scanner会自动将这些数据转换成String。
在方法start中，循环保持与客户端之间的通信。通过scanner.hasNext()方法判断是否还有输入，当客户端关闭了连接之后，服务器的输入流会收到一个EOF信号，从而判断出没有输入了，最终结束循环。
将回显的结果以response的结果以二进制的形式写入outputStream中。
最后，处理完client的请求之后，客户端下线之后，回收client对象，当下次重新有新的客户端时重新启用。

public void start() throws IOException {
        System.out.println("服务器启动！");
        //accept可以阻塞等待
        Socket socketClient = serverSocket.accept();
        processConnection(socketClient);
    }
    
private void processConnection(Socket socketClient) throws IOException {
        System.out.printf("[%s:%d] 客户端上线\n", socketClient.getInetAddress(),socketClient.getPort());
        try(InputStream inputStream = socketClient.getInputStream();
            OutputStream outputStream = socketClient.getOutputStream()) {

            Scanner scanner = new Scanner(inputStream);

            while (true) {
                if (!scanner.hasNext()) {
                    System.out.printf("[%s:%d] 客户端下线\n", socketClient.getInetAddress(),socketClient.getPort());
                    break;
                }
                //接收客户端发送过来的请求
                String request = scanner.next();
                //处理请求
                String response = process(request);
                //把响应写回客户端
                outputStream.write(response.getBytes(),0,response.getBytes().length);
                //服务器打印日志
                System.out.printf("[%s:%d] req = %s resp = %s",socketClient.getInetAddress(),socketClient.getPort(),request,response);
            }
        } catch (IOException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }finally {
            socketClient.close();
        }
    }

在客户端方面，通过scannerNetWork读取inputStream中的数据。将请求的内容以二进制的形式写入outputStream中。当服务器关闭后，scannerNetWork传入服务器的EOF信号，代表着双方连接中断，因此可以退出循环结束进程。

public void start() {
        System.out.println("客户端启动！");
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);

        try(InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream();
            OutputStream outputStream = clientSocket.getOutputStream()) {

            Scanner scannerNetWork = new Scanner(inputStream);

            while (true) {
                System.out.println("输入要发送的数据");
                //1.读取数据
                String request = scanner.next();
                //2.将request作为请求发送到服务器中，通过\n标识请求内容
                request += "\n";
                outputStream.write(request.getBytes());
                //3.读取服务器返回的响应
                if (!scannerNetWork.hasNext()){
                    break;
                }
                String response = scannerNetWork.next();
                System.out.println(response);

            }

        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }

    }

2.TCP多线程使用

在上面的TCP回显代码中，并不能使用于多线程的形势下。在服务器中，应当有线程池之类的多线程状态中，同时处理多个客户端发送过来的请求。
因此需要对服务器实现多线程解决问题。通过线程池的方式，while循环中不断接收客户端发来的连接请求，并将任务交予线程池解决。

public void start() throws IOException {
        System.out.println("服务器启动！");
        ExecutorService pool = Executors.newCachedThreadPool();
        //accept可以阻塞等待
        while (true) {
            Socket socketClient = serverSocket.accept();

            pool.submit(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try{
                        processConnection(socketClient);
                    } catch (IOException e) {
                        throw new RuntimeException(e);
                    }
                }
            });
        }
    }