网络编程相关 API 学习

1. 网络编程中的基本概念

2. UDP 的 socket api 的使用

(1) DatagramSocket API

(2) DatagramPacket API

(3) InetSocketAddress API

(4) 使用 UDP 的 socket api

3. TCP 的 socket api 的使用

(1) ServerSocket API

(2) Socket API

1. 网络编程中的基本概念

客户端：主动发起请求的一方。

服务器：被动接受请求的一方。

客户端给服务器发起请求，服务器就会给客户端返回响应。

比如说，我去吃板面，那我一进门店，我就会对着老板说：给我来一份小碗板面(发请求)，那老板就会立马去后厨，给我煮板面，等老板做好板面后，她就会给我端上来(返回响应)。

网络编程，通过网络，让两个主机之间能够进行通信，基于这样的通信来完成一定功能。

进行网络编程的时候，需要操作系统给我们提供一组 API，通过这组 API 才能完成编程。

Socket API 可以认为是应用层和传输层之间交互的路径，通过这一套 Socket API 可以完成不同主机之间，不同系统之间的网络通信。

传输层提供的网络协议主要就是两个：1. TCP 2. UDP

因为这两个协议的特性差异很大，操作起来也不同，所以系统就分别为它们各自提供了一套 API。

那么 TCP 和 UDP 有什么区别呢？

2. UDP 的 socket api 的使用

(1) DatagramSocket API

socket 其实也是操作系统的一个概念，本质上是一种特殊的文件。

Socket 就属于是把 "网卡" 这个设备，给抽象成文件了。

往 socket 文件中写数据，就相当于通过网卡发送数据，

往 socket 文件中读数据，就相当于通过网卡接收数据。

这样就把网络通信和文件操作统一了。

而 Java 中就是通过使用 DatagramSocket，来表示系统内部的 socket 文件了。

DatagramSocket 构造方法：

DatagramSocket 提供了以下方法：

因为 socket 是个文件，所以使用完后就需要关闭，要是一直频繁打开文件，而不去关闭，文件描述符表就可能会被吃满，就有可能导致文件资源泄露。

(2) DatagramPacket API

DatagramPacket 就是 UDP 数据报，UDP 会以数据报为单位发送或者接收数据。

(3) InetSocketAddress API

构造发送的数据报的时候，需要传 SocketAddress 对象，这个对象可以使用 InetSocketAddress 来创建，InetSocketAddress 是 SocketAddress 的子类。

(4) 使用 UDP 的 socket api

我们可以写一个简单的 UDP 客户端/服务器通信的程序。

回显服务器：

这个程序没有什么业务逻辑，就是单纯调用 socket api。

让客户端发送一个请求，请求就是一个从控制台输入的字符串。

服务器收到字符串后，也会把这个字符串原封不动还给客户端，客户端再显示出来。

那就直接先创建两个类来表示 UDP 客户端和 UDP 服务器，然后就是按照刚刚说的方式，分不同的角色，服务器就是先从客户端读取数据报，也就得到了请求字符串，然后再根据请求字符串解析成响应字符串，然后再将响应字符串构造成一个数据报，最后返回给客户端。

而客户端就是先从控制台读取请求字符串，然后将请求字符串构造成数据报发送给服务器，然后从服务器那里获取响应数据报，从而获取到响应字符串，最后将响应字符串打印在控制台上即可。

写完之后是这样的：

public class UdpEchoClient {

    // 首先创建 UDP socket
    private DatagramSocket socket;

    // 这里不需要给客户端指定端口，而是让系统自动分配
    // 防止程序员自己指定的端口号跟用户主机的其他程序产生冲突
    // 需要传服务器的 ip 和端口，因为 udp 不会记录对端信息
    public UdpEchoClient(String serverIp, int serverPort) throws IOException {
        // 创建这个对象，不能手动指定端口
        socket = new DatagramSocket();
        Scanner scan = new Scanner(System.in);
        // 1. 从控制台输入请求字符串
        // 2. 构造数据报发送给服务器
        // 3. 从服务器获取响应
        // 4. 将获取到的响应字符串打印
        while (true) {
            // 读取请求
            System.out.print("->");
            String requestString = scan.next();
            // 构造请求数据包并发送
            DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(requestString.getBytes(), 0, requestString.getBytes().length,
                    new InetSocketAddress(InetAddress.getByName(serverIp), serverPort));
            socket.send(requestPacket);
            // 获取响应数据报
            DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(new byte[4096], 4096);
            socket.receive(responsePacket);
            String responseString = new String(responsePacket.getData(), 0, responsePacket.getLength());
            System.out.println(responseString);
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        UdpEchoClient client = new UdpEchoClient("127.0.0.1", 8888);
    }
}

public class UdpEchoServer {
    // 创建一个 DatagramSocket 对象，后续操作网卡的基础
    private DatagramSocket socket;

    // 构造方法， 需要传个端口号来绑定
    public UdpEchoServer(int port) throws IOException {
        // 这么写就是手动指定服务器绑定的端口
        socket = new DatagramSocket(port);
        // 1. 从客户端那里读取数据报
        // 2. 处理读到的数据
        // 3. 并构造一个数据报返回响应
        while (true) {
            DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(new byte[4096], 4096);
            // 读取请求
            socket.receive(requestPacket);
            // 当前完成 receive 之后，数据是以 二进制 的形式存储到 DatagramPacket 中了
            // 要想把这里的数据给显示出来，还需要把这个二进制数据给转成字符串
            // 处理请求, 将二进制数据转化成字符串
            String requestString = new String(requestPacket.getData(), 0, requestPacket.getLength());
            // 根据请求计算响应（一般的服务器都会经历的过程）
            // 由于是回显服务器，请求是啥样，响应就是啥样
            String responseString = process(requestString);
            // 将响应返回给客户端
            // 往 DatagramPacket 里构造刚才的数据，再通过 send 返回
            DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(responseString.getBytes(), 0, responseString.getBytes().length,
                    requestPacket.getAddress(), requestPacket.getPort());
            socket.send(responsePacket);
            // 打印一个日志，把这次数据交互的详情给打印出来
            System.out.printf("[%s:%d] req=%s,resp=%s\n", requestPacket.getAddress().toString(),
                    requestPacket.getPort(), requestString, responseString);
        }
    }

    private String process(String data) {
        return new String(data);
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        UdpEchoServer server = new UdpEchoServer(8888);
    }
}

运行下程序看看，首先启动服务器，再来启动客户端。

没问题。

其中需要注意的地方就是服务器需要绑定指定的端口，而客户端的端口是由系统自动分配，不需要手动绑定。

服务器绑定端口是为了方便用户来找到它，而如果客户端也绑定端口的话，这个端口号就可能会和用户主机上的程序的端口号发送冲突，所以客户端的端口号就交给系统去分配比较好，系统分配的话，就一定会分配一个空闲的端口号。

写 while true 是因为服务器不可能运行一下子就结束了，通常情况下，服务器是要 7*24 小时运行的。

没调用 close 关闭 socket 也不会出现文件资源泄露，刚刚也说过，文件资源泄露的原因是一直频繁打开文件，而不去关闭文件，这里我们的 socket 不需要 close，因为我们没有频繁的打开文件，而且不能把 socket 提前释放掉，因为客户端还需要发送请求，当我们程序结束的时候，进程就会销毁，文件描述符表也会被回收，所以自然不用担心文件资源泄露，客户端的话，使用周期比较短，进程很快就会结束掉。

核心网络编程流程：

1. 读取请求并解析

2. 根据请求计算响应

3. 把响应写回到客户端

接下来我们再来看看 TCP 的 socket api

3. TCP 的 socket api 的使用

ServerSocket 和 Socket 都是用来表示 socket 文件的(抽象了网卡这样的硬件设备)

(1) ServerSocket API

socket 的 api 差异又很大，但是和文件操作，是有密切联系的。

TCP 面向字节流，传输基本单位是 byte .

ServerSocket 是给服务器使用的类，使用这个类来绑定端口号。

前面也提到过，TCP 的特点是有连接，可靠传输，面向字节流，全双工。

那这个连接，就是通信双方会记录对方的信息，

所以使用 TCP 的方式来网络通信的话，通信双方就必须得先建立连接。

建立连接这件事操作系统内核帮我们做了，我们需要做的就是：

客户端发起建立连接的动作，然后让服务器把建立好的连接从内核中拿到应用程序里。

这个 ServerSocket 就只是用来取连接的。

然后我们再来看看 ServerSocket 的构造方法：

(2) Socket API

socket 既会给服务器用，又会给客户端用。

我们来看看 Socket 的方法：

了解了 TCP 的 socket api 后，我们就可以去写一个回显服务器啦。

还是那个核心逻辑：1. 读取请求 2. 根据请求计算响应 3. 将响应返回给客户端。

但是想要通信，首先得建立连接才行，用 ServerSocket 调用 accept 方法就能拿到连接，然后使用 Socket 来进行与客户端的通信。其实思路跟 UDP 的差不多，服务器的话，就是循环从系统内核的队列中拿连接，拿到连接后就可以通过连接得到 Socket 对象，然后就是通过 Socket 对象完成与客户端的通信，可能有多次请求，那就写个循环，然后还是先获取请求，然后根据请求计算响应，最后将响应返回给客户端(ps: 写文件的时候不要忘记调用 flush 方法冲刷缓冲区)。

然后客户端的话，还是写个循环，先从控制台输入请求，然后将请求发送给服务器，然后从服务器拿到响应，最后将响应打印在控制台上。

写完后是这样的：

先启动服务器，再来启动客户端。

看起来好像没有问题，但是不要忘记存在多个客户端的情况。

分析原因：

稍微修改下服务器的代码：

这样就没问题了。

完整代码：

public class TcpEchoServer {
    // 首先创建个 ServerSocket 对象
    private ServerSocket serverSocket;

    // 写构造方法，需要指定端口号
    public TcpEchoServer(int port) throws IOException {
        serverSocket = new ServerSocket(port);
    }


    // 写个 start 方法，通过 start 方法来完成主要逻辑
    public void start() throws IOException {
        // 创建线程池，保证 processConnection 和 循环获取连接 能并发执行
        ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();
        // 用 serverSocket 来取连接，连接可能有多个，用循环
        while (true) {
            Socket clientSocket = serverSocket.accept();
            // 通过 processConnection 来完成服务器与客户端的交互
            executor.submit(() -> {
                processConnection(clientSocket);
            });
        }
    }

    private void processConnection(Socket clientSocket) {
        System.out.printf("[%s:%d] 客户端上线!\n", clientSocket.getInetAddress(), clientSocket.getPort());
        // 1. 获取请求
        // 2. 根据请求计算响应
        // 3. 返回响应
        // 通过流对象来完成，但是要记得使用完后关闭流对象
        try (InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream();
             OutputStream outputStream = clientSocket.getOutputStream()) {
            while (true) {
                Scanner scan = new Scanner(inputStream);
                // 首先判断是否有请求
                if (!scan.hasNext()) {
                    // 没请求的话，说明客户端下线了，那这个连接就关闭了，循环直接跳出即可
                    System.out.printf("[%s:%d] 客户端下线!\n", clientSocket.getInetAddress(), clientSocket.getPort());
                    break;
                }
                // 获取请求, 此处用 \n 来表示一个数据包的结束
                String request = scan.next();
                // 根据请求，计算响应
                String response = process(request);
                // 将响应返回
                PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream);
                printWriter.println(response);
                // 千万不要忘记冲刷缓冲区!!!!
                printWriter.flush();

            }
        } catch (IOException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

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

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        TcpEchoServer tcpEchoServer = new TcpEchoServer(8888);
        tcpEchoServer.start();
    }
}

public class TcpEchoClient {
    // 先创建一个 Socket 对象
    private Socket socket;

    // 提供构造方法，传服务器的 ip 以及端口号
    public TcpEchoClient(String serverIp, int port) throws IOException {
        // 此时就相当于发送连接请求
        socket = new Socket(serverIp, port);
    }

    // 通过 start 方法来完成主逻辑
    public void start() {
        try (InputStream inputStream = socket.getInputStream();
             OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
             Scanner scan = new Scanner(System.in);
             Scanner scanRead = new Scanner(inputStream)) {
            while (true) {
                System.out.println("->");
                // 1. 读取输入的请求
                String request = scan.next();
                // 2. 将请求发送给服务器
                PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream);
                printWriter.println(request);
                // 不要忘记冲刷缓冲区!!!
                printWriter.flush();
                // 3. 接收响应
                String response = scanRead.next();
                // 4. 打印响应
                System.out.println(response);
            }
        } catch (IOException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        TcpEchoClient tcpEchoClient = new TcpEchoClient("127.0.0.1", 8888);
        tcpEchoClient.start();
    }
}