1.网络编程的基本概念

1.1为什么需要网络编程

1.2服务端与用户端

1.3网络编程五元组

1.4套接字的概念

2.UDP套接字编程

2.1UDP套接字的特点

2.2UDP套接字API

2.2.1DatagramSocket类

2.2.2DatagramPacket类

2.2.3基于UDP的回显程序

2.2.4基于UDP的单词查询

3.TCP套接字编程

3.1TCP套接字的特点

3.2TCP中的长短连接

3.3TCP套接字的API

3.3.2Socket类

3.3.3基于TCP的回显程序

3.3.4对TCP回显程序的优化

1.网络编程的基本概念

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）。对于我们程序员来说，我们比较关注应用层到传输层这一操作，我们代码的书写是发生在应用层的，然后通过传输层提供的API（UDP和TCP）进行包装，再由应用层发送给传输层。

1.1为什么需要网络编程

这个最为直接的说话莫过于人民需要他了，哪里有需求，哪里就提供响应嘛。

相比于本地的资源，网络上有这更为丰富的资源，而网络上的资源又需要通过网络编程来上传，因此就相互督促相互促进了对方的发展。

1.2服务端与用户端

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。

简单的说，客户端会接收到客户的请求，再将客户的请求发送给服务端；服务端将请求按照业务逻辑完成响应，再将响应返回给客户端，客户端再将响应按照操作显示或者运作。

1.3网络编程五元组

源IP：就是发送方IP.
源端口：发送方端口号, 服务器需要手动指定, 客户端让系统随机分配即可.
目的IP：接收方IP, 包含在拿到的数据报中, 服务器响应时的目的IP就在客户端发来的数据报中, 客户端发送请求时的目的IP就是服务器的IP.
目的端口：接收方端口号包含在数据报中, 服务器响应时的目的端口就在客户端发来的数据报中, 客户端发送请求时的目的端口就是服务器的端口号.
协议类型：如UDP/TCP.

1.4套接字的概念

Socket(套接字)可以看成是两个网络应用程序进行通信时，各自通信连接中的端点，这是一个逻辑上的概念。Socket是由IP地址和端口结合的，提供向应用层进程传送数据包的机制

套接字的表示方法：Socket=Ip接口：端口号

2.UDP套接字编程

2.1UDP套接字的特点

特点如下：

无连接：不关心和谁对话，也不会刻意留意对方。
不可靠的：不关心他收没收到。
面向数据报：以一个UDP数据报为单位。
全双工通信：一条路径，但是路径两方都可以对话。（双向对话）

全双工

2.2UDP套接字API

UDP套接字的API中主要包括两个类：1.DatagramSocket 2.DatagramPacket。

下面就开始介绍这两个类

2.2.1DatagramSocket类

DatagramSocket类就是实例一个UDP版本的套接字也是就数据包套接字。Socket对象对应到系统中的一个特殊文件（socket文件），socket文件不是数据存储区域的一部分，而是对应到网卡这个硬件设备，为什么对应到网卡呢？因为网卡是一个硬件，对于代码而已，不好直接操作，因此将它抽象成了一个文件进行间接操作。

DatagramSocket类构造方法：

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）

我们一般使用第二个方法，我们知道端口号是在一个计算机中寻找一个程序的“门牌号”。实际操作时，如果端口号是系统随机绑定的话，我们就不知道我们服务端服务于哪一个客户端了，就没有办法找到客户端的家了。

DatagramSocket类方法：

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

第一个receive方法它的参数需要准备一个空的DatagramPacket对象（对象需要给予存储空间），它把DatagramPacket实例对象再装入到准备好的空的DatagramPacket对象中去，为什么这样做呢？就像我们平常接收东西时，我们需要一个载体来承接这个物件，举个例子吧，当我们盛饭时，我们不能够直接用手去捧着饭，而是需要一个空饭盒去接打的饭。

第二个send方法他是DatagramPacket实例对象载入到接收缓冲区。

第三个close方法，因为DatagramSocket类属于文件资源，当我们不用的时候，我们需要将它给手动关闭了。

2.2.2DatagramPacket类

DatagramPacket是UDP Socket发送和接收的数据报。

DatagramPacket类构造方法

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

这两个构造方法都会使用到，第一个构造方法：他就是我们上方说的空的DatagramPacket对象也就是我们举例说的“空饭盒”，第二个构造方法是在我们将接收到的请求进行封装时使用的，假设我们接收到的请求是字符串，我们就要将它转化成byte数组，再算出长度，并且需要指定它要发送到那里去也就是SockerAddress类的一个子类InetSocketAddress类它里面包含目的ip和目的端口号。

DatagramPacket类方法：

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

2.2.3基于UDP的回显程序

UDP服务端：

服务器设计逻辑：

创建DatagramSocket对象，指定服务器端口号。
服务器启动了，我们需要一个DatagramPacket实例运来当作载体，当没有请求时，在这里就会发生阻塞，有请求时，就写入到DatagramPacket实例好的载体中。
接收到数据后，我们将数据拆分成我们需要的格式，因为我们是一个回显，故我们只需将它改成字符串就行了，再调用process方法，在这里完成业务需求，我们这里只需返回字符串就像了。
将处理好的请求，再封装一下，封装成DatagramPacket实例对象，将这个响应发生使用send方法发送给客户端即可。

package UdpNetWork;

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

//服务器端
public class UdpEchoServer {

    private DatagramSocket socket=null;
    public UdpEchoServer(int port) throws SocketException {
        this.socket=new DatagramSocket(port);
    }
    public void start() throws IOException {
        System.out.println("服务器启动");
        while (true) {
            //requestPacket是一个载体，receive方法会将发送过来的数据放入到这个载体中
            DatagramPacket requestPacket=new DatagramPacket(new byte[4096],4096);
            socket.receive(requestPacket);
            //将发来的数据拆解
            String request=new String(requestPacket.getData(),0, requestPacket.getLength());
            //做出响应
            String response=process(request);
            //将做出的响应包装起来，发给客户端
            DatagramPacket responsePacket=new DatagramPacket(response.getBytes(),response.getBytes().length,
                    requestPacket.getSocketAddress());
            socket.send(responsePacket);
            //打印日志
            System.out.printf("[%s:%d] req:%s,resp:%s\n",requestPacket.getAddress().toString(),requestPacket.getPort(),
                    request,response);
        }
    }

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

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

UDP客户端：

客户端设计逻辑：

客户端需要知道服务端的位置，因此我们需要服务端的ip地址和端口号，故成员变量包含Ipserver、serverPort以及一个DatagramSocket对象（可以理解为整合ip和端口号）。
开始运行客户端，通过Scaner接收客户的请求。
拿到请求后，我们需要将它封装成DatagramPacket对象，发送给服务端。
发送完就等待服务端返回响应。
等到拿到响应之后，我们就可以对响应做出操作了，因为我们这里是回显，我们只需将返回过来的字符串打印出来即可。

package UdpNetWork;

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

//客户端
public class UdpEchoClient {
    private DatagramSocket socket=null;
    private int serverPort;
    private String IpServer;

    public UdpEchoClient(int port, String ipServer) throws SocketException {
        socket=new DatagramSocket();
        this.serverPort=port;
        this.IpServer=ipServer;
    }
    public void start() throws IOException {
        Scanner sc=new Scanner(System.in);
        while (true) {
            System.out.print("输入字符->");
            String request=sc.next();
            //将输入的指令打包
            DatagramPacket requestPacket=new DatagramPacket(request.getBytes(),request.getBytes().length,
                    InetAddress.getByName(IpServer),serverPort);
            //发送给服务器端
            socket.send(requestPacket);
            DatagramPacket responsePacket=new DatagramPacket(new byte[4096], 4096);
            //接收服务器端的响应结果
            socket.receive(responsePacket);
            //打印服务端的响应
            String response=new String(responsePacket.getData(),0,responsePacket.getLength());
            //打印日志
            System.out.printf("req:%s,resp:%s\n",request,response);
        }
    }

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

2.2.4基于UDP的单词查询

对于这个服务端，我们不需要再写一边start方法了，我们可以直接让它继承udpEchoServer类，并且，我们在上方服务端，我们将对请求处理的部分拿出来当作了一个单独的函数，我们在将上方的函数进行重写就行了，还有就是，我们需要一个存储单词，并且它还方便查询的东西，我们就想到一个数据结构就是Map，刚好可以适合这个系统。

package UdpNetWork;

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

public class UdpDictServer extends UdpEchoServer{
    //字典表
    private Map<String, String> dict = new HashMap<>();

    public UdpDictServer(int port) throws SocketException {
        super(port);

        dict.put("dog", "小狗");
        dict.put("cat", "小猫");
        dict.put("fuck", "卧槽");
        // ........... 可以无限的添加很多很多数据. 有道词典和咱们相比, 就是人家的这个表更大!!
    }

    @Override
    public String process(String request) {
        return dict.getOrDefault(request, "该单词没有查到!");
    }

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

3.TCP套接字编程

3.1TCP套接字的特点

特点如下：

有链接：双方通信，都需要可以留意对方信息。
可靠传输：尽可能的将数据传输给对方，但也不能保证100%。
面向字节流：以一个字节传输为基本单位。
全双工：双方都可以向对方发送信息。

3.2TCP中的长短连接

TCP发送数据时，需要先建立连接，什么时候关闭连接就决定是短连接还是长连接：
短连接：每次接收到数据并返回响应后，都关闭连接，即是短连接。也就是说，短连接只能一次收发数据。
长连接：不关闭连接，一直保持连接状态，双方不停的收发数据，即是长连接。也就是说，长连接可以多次收发数据。

长连接与短链接的区别：

建立连接、关闭连接的耗时：短连接每次请求、响应都需要建立连接，关闭连接；而长连接只需要第一次建立连接，之后的请求、响应都可以直接传输。相对来说建立连接，关闭连接也是要耗时的，长连接效率更高。
主动发送请求不同：短连接一般是客户端主动向服务端发送请求；而长连接可以是客户端主动发送请求，也可以是服务端主动发。
两者的使用场景有不同：短连接适用于客户端请求频率不高的场景，如浏览网页等。长连接适用于客户端与服务端通信频繁的场景，如聊天室，实时游戏等。

3.3TCP套接字的API

TCP套接字的API中主要包含两个类：1.ServerSocket 2.Socket

下面介绍这两个类

3.3.1ServerSocket类

这个类是在看名字就很好理解，它主要用于服务端，它的作用是创建一个服务端套接字。

ServerSocket类构造方法：

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

在实例对象时，我们就将端口号传进来，完成实例。

ServerSocket类方法：

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

第一个accept方法它是接收客户端的信息，如果客户端没有请求，那它就会阻塞等待，如果有请求，就会建立连接，它的返回值是一个套接字。

3.3.2Socket类

这个类就是创建一个套接字实例对象，他的成员变量有两个:IP与端口号。

Socket类构造方法：

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类方法：

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

3.3.3基于TCP的回显程序

服务端

服务器设计逻辑：

创建一个ServerSocket类对象，指定服务器端口号。
开始运行服务端；通过第一步实例好的对象调用accept方法，如果有无请求，就阻塞，如果有请求，就发到下面进行处理。
进入处理请求方法，将请求通过读接收缓冲区写入，再将写入的请求发给处理程序进行处理。
处理完毕后，将响应发给客服端。

package TcpNetWork;

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

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");
        while (true) {
            //接收到客服端请求
            Socket clientSocket=serverSocket.accept();
            //将请求发给解决请求的方法
            processConnection(clientSocket);
        }
    }

    private void processConnection(Socket clientSocket) throws IOException {
        System.out.printf("[%s:%d] 客户端上线了\n",clientSocket.getInetAddress().toString(),clientSocket.getPort());
        try (InputStream inputStream=clientSocket.getInputStream();
             OutputStream outputStream=clientSocket.getOutputStream()){
            // 没有这个 scanner 和 printWriter, 完全可以!! 但是代价就是得一个字节一个字节扣, 找到哪个是请求的结束标记 \n
            // 不是不能做, 而是代码比较麻烦.
            // 为了简单, 把字节流包装好了更方便的字符流~~
            Scanner sc=new Scanner(inputStream);
            PrintWriter printWriter=new PrintWriter(outputStream);
            while (true) {
                //1.接到客服端请求
                if (!sc.hasNext()) {
                    System.out.printf("[%s:%d] 客户端下线了\n", clientSocket.getInetAddress().toString(), clientSocket.getPort());
                    break;
                }
                String request=sc.next();
                //2.对请求做出响应
                String response=process(request);
                //3.把响应返回给客户端
                printWriter.println(response);
                printWriter.flush();
                System.out.printf("[%s:%d] request:%s response:%s ",clientSocket.getInetAddress().toString(),
                        clientSocket.getPort(),request,response);
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }finally {
            clientSocket.close();
        }
    }

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

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        TcpEchoServer tcpEchoServer=new TcpEchoServer(9999);
        tcpEchoServer.start();
    }
}

客户端

客户端设计逻辑：

创建一个Socket实例，指定服务器的ip和端口号。
开启客户端，输入请求，并刷新接收缓存区。
等到服务端给出响应，接收响应，对响应做出动作。

package TcpNetWork;


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(int port, String serverIp) throws IOException {
        socket=new Socket(serverIp,port);
    }

    public void start() {
        Scanner sc=new Scanner(System.in);
        try(InputStream inputStream=socket.getInputStream();
            OutputStream outputStream=socket.getOutputStream()) {
            Scanner scannerFromSocket=new Scanner(inputStream);
            PrintWriter printWriter=new PrintWriter(outputStream);
            while (true) {
                //1.从键盘上读取请求
                System.out.print("输入指令->");
                String request=sc.next();
                //2.将请求发送给服务器端，并刷新接收缓存区
                printWriter.println(request);
                printWriter.flush();
                //3.接收服务器端的信息
                String response=scannerFromSocket.next();
                //4.把信息打印到控制台
                System.out.printf("request:%s response:%s\n",request,response);
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        TcpEchoClient tcpEchoClient=new TcpEchoClient(9999,"127.0.0.1");
        tcpEchoClient.start();
    }
}

3.3.4对TCP回显程序的优化

在上方的程序中，我们只能对一个客户端进行提供服务，这是因为我们在接收的部分给写成了死循环，如果出现第二个客户端时，第二个客户端只能进行等待。我们如何修改这个程序呢？这是我们就不得不提到多线程了，如果写成多线程的话，就可以处理多个程序了。

程序代码如下（服务端）：

package TcpNetWork;

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

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");
        while (true) {
            //接收到客服端请求
            Socket clientSocket=serverSocket.accept();
            //将请求发给解决请求的方法
            Thread t=new Thread(()->{
                try {
                    processConnection(clientSocket);
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            });
        }
    }

    private void processConnection(Socket clientSocket) throws IOException {
        System.out.printf("[%s:%d] 客户端上线了\n",clientSocket.getInetAddress().toString(),clientSocket.getPort());
        try (InputStream inputStream=clientSocket.getInputStream();
             OutputStream outputStream=clientSocket.getOutputStream()){
            // 没有这个 scanner 和 printWriter, 完全可以!! 但是代价就是得一个字节一个字节扣, 找到哪个是请求的结束标记 \n
            // 不是不能做, 而是代码比较麻烦.
            // 为了简单, 把字节流包装好了更方便的字符流~~
            Scanner sc=new Scanner(inputStream);
            PrintWriter printWriter=new PrintWriter(outputStream);
            while (true) {
                //1.接到客服端请求
                if (!sc.hasNext()) {
                    System.out.printf("[%s:%d] 客户端下线了\n", clientSocket.getInetAddress().toString(), clientSocket.getPort());
                    break;
                }
                String request=sc.next();
                //2.对请求做出响应
                String response=process(request);
                //3.把响应返回给客户端
                printWriter.println(response);
                printWriter.flush();
                System.out.printf("[%s:%d] request:%s response:%s ",clientSocket.getInetAddress().toString(),
                        clientSocket.getPort(),request,response);
                System.out.println();
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }finally {
            clientSocket.close();
        }
    }

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

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        TcpEchoServer tcpEchoServer=new TcpEchoServer(9999);
        tcpEchoServer.start();
    }
}

如果我们想要去验证这个程序是否可以对多个客户端提供服务，我们还需要对其修改一点配置，不然我们不能将同一个类运行两次。

1.右键鼠标，选择修改运行配置

2.点开之后，点击修改选项