Java网络编程1-网路编程基础（socket编程）
一、网络编程概念
网络编程是指编写运行在多个设备（计算机）的程序，这些设备都通过网络连接起来。
java.net 包中 J2SE 的 API 包含有类和接口，它们提供低层次的通信细节。你可以直接使用这些类和接口，来专注于解决问题，而不用关注通信细节。
java.net 包中提供了两种常见的网络协议的支持：
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TCP：TCP 是传输控制协议的缩写，它保障了两个应用程序之间的可靠通信。通常用于互联网协议，被称 TCP / IP。
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UDP：UDP 是用户数据报协议的缩写，一个无连接的协议。提供了应用程序之间要发送的数据的数据包。
本教程主要讲解以下两个主题。
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Socket 编程：这是使用最广泛的网络概念，它已被解释地非常详细。
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URL 处理：这部分会在另外的篇幅里讲，点击这里更详细地了解在 Java 语言中的 URL 处理。
二、Socket 编程
套接字使用TCP提供了两台计算机之间的通信机制。 客户端程序创建一个套接字，并尝试连接服务器的套接字。
当连接建立时，服务器会创建一个 Socket 对象。客户端和服务器现在可以通过对 Socket 对象的写入和读取来进行通信。
java.net.Socket 类代表一个套接字，并且 java.net.ServerSocket 类为服务器程序提供了一种来监听客户端，并与他们建立连接的机制。
以下步骤在两台计算机之间使用套接字建立TCP连接时会出现：
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服务器实例化一个 ServerSocket 对象，表示通过服务器上的端口通信。
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服务器调用 ServerSocket 类的 accept() 方法，该方法将一直等待，直到客户端连接到服务器上给定的端口。
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服务器正在等待时，一个客户端实例化一个 Socket 对象，指定服务器名称和端口号来请求连接。
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Socket 类的构造函数试图将客户端连接到指定的服务器和端口号。如果通信被建立，则在客户端创建一个 Socket 对象能够与服务器进行通信。
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在服务器端，accept() 方法返回服务器上一个新的 socket 引用，该 socket 连接到客户端的 socket。
连接建立后，通过使用 I/O 流在进行通信，每一个socket都有一个输出流和一个输入流，客户端的输出流连接到服务器端的输入流，而客户端的输入流连接到服务器端的输出流。
TCP 是一个双向的通信协议，因此数据可以通过两个数据流在同一时间发送.以下是一些类提供的一套完整的有用的方法来实现 socket。
三、ServerSocket 类的方法
服务器应用程序通过使用 java.net.ServerSocket 类以获取一个端口,并且侦听客户端请求。
ServerSocket 类有四个构造方法：
| 序号 | 方法描述 |
| 1 | public ServerSocket(int port) throws IOException 创建绑定到特定端口的服务器套接字。 |
| 2 | public ServerSocket(int port, int backlog) throws IOException 利用指定的 backlog 创建服务器套接字并将其绑定到指定的本地端口号。 |
| 3 | public ServerSocket(int port, int backlog, InetAddress address) throws IOException 使用指定的端口、侦听 backlog 和要绑定到的本地 IP 地址创建服务器。 |
| 4 | public ServerSocket() throws IOException 创建非绑定服务器套接字。 |
创建非绑定服务器套接字。 如果 ServerSocket 构造方法没有抛出异常，就意味着你的应用程序已经成功绑定到指定的端口，并且侦听客户端请求。
这里有一些 ServerSocket 类的常用方法：
| 序号 | 方法描述 |
| 1 | public int getLocalPort() 返回此套接字在其上侦听的端口。 |
| 2 | public Socket accept() throws IOException 侦听并接受到此套接字的连接。 |
| 3 | public void setSoTimeout(int timeout) 通过指定超时值启用/禁用 SO_TIMEOUT，以毫秒为单位。 |
| 4 | public void bind(SocketAddress host, int backlog) 将 ServerSocket 绑定到特定地址（IP 地址和端口号）。 |
四、Socket类
java.net.Socket 类代表客户端和服务器都用来互相沟通的套接字。客户端要获取一个 Socket 对象通过实例化 ，而 服务器获得一个 Socket 对象则通过 accept() 方法的返回值。
Socket 类有五个构造方法.
| 序号 | 方法描述 |
| 1 | public Socket(String host, int port) throws UnknownHostException, IOException. 创建一个流套接字并将其连接到指定主机上的指定端口号。 |
| 2 | public Socket(InetAddress host, int port) throws IOException 创建一个流套接字并将其连接到指定 IP 地址的指定端口号。 |
| 3 | public Socket(String host, int port, InetAddress localAddress, int localPort) throws IOException. 创建一个套接字并将其连接到指定远程主机上的指定远程端口。 |
| 4 | public Socket(InetAddress host, int port, InetAddress localAddress, int localPort) throws IOException. 创建一个套接字并将其连接到指定远程地址上的指定远程端口。 |
| 5 | public Socket() 通过系统默认类型的 SocketImpl 创建未连接套接字 |
当 Socket 构造方法返回，并没有简单的实例化了一个 Socket 对象，它实际上会尝试连接到指定的服务器和端口。
下面列出了一些感兴趣的方法，注意客户端和服务器端都有一个 Socket 对象，所以无论客户端还是服务端都能够调用这些方法。
| 序号 | 方法描述 |
| 1 | public void connect(SocketAddress host, int timeout) throws IOException 将此套接字连接到服务器，并指定一个超时值。 |
| 2 | public InetAddress getInetAddress() 返回套接字连接的地址。 |
| 3 | public int getPort() 返回此套接字连接到的远程端口。 |
| 4 | public int getLocalPort() 返回此套接字绑定到的本地端口。 |
| 5 | public SocketAddress getRemoteSocketAddress() 返回此套接字连接的端点的地址，如果未连接则返回 null。 |
| 6 | public InputStream getInputStream() throws IOException 返回此套接字的输入流。 |
| 7 | public OutputStream getOutputStream() throws IOException 返回此套接字的输出流。 |
| 8 | public void close() throws IOException 关闭此套接字。 |
五、InetAddress类
这个类表示互联网协议(IP)地址。下面列出了 Socket 编程时比较有用的方法：
| 序号 | 方法描述 |
| 1 | static InetAddress getByAddress(byte[] addr) 在给定原始 IP 地址的情况下，返回 InetAddress 对象。 |
| 2 | static InetAddress getByAddress(String host, byte[] addr) 根据提供的主机名和 IP 地址创建 InetAddress。 |
| 3 | static InetAddress getByName(String host) 在给定主机名的情况下确定主机的 IP 地址。 |
| 4 | String getHostAddress() 返回 IP 地址字符串（以文本表现形式）。 |
| 5 | String getHostName() 获取此 IP 地址的主机名。 |
| 6 | static InetAddress getLocalHost() 返回本地主机。 |
| 7 | String toString() 将此 IP 地址转换为 String。 |
六、Socket服务端实例
如下的 GreetingClient 是一个客户端程序，该程序通过 socket 连接到服务器并发送一个请求，然后等待一个响应。
// 文件名 GreetingClient.java
import java.net.*;
import java.io.*;
public class GreetingClient
{
public static void main(String [] args)
{
String serverName = args[0];
int port = Integer.parseInt(args[1]);
try
{
System.out.println("连接到主机：" + serverName + " ，端口号：" + port);
Socket client = new Socket(serverName, port);
System.out.println("远程主机地址：" + client.getRemoteSocketAddress());
OutputStream outToServer = client.getOutputStream();
DataOutputStream out = new DataOutputStream(outToServer);
out.writeUTF("Hello from " + client.getLocalSocketAddress());
InputStream inFromServer = client.getInputStream();
DataInputStream in = new DataInputStream(inFromServer);
System.out.println("服务器响应： " + in.readUTF());
client.close();
}catch(IOException e)
{
e.printStackTrace();
}
}
}
七、Socket客户端实例
如下的GreetingServer 程序是一个服务器端应用程序，使用 Socket 来监听一个指定的端口。
// 文件名 GreetingServer.java
import java.net.*;
import java.io.*;
public class GreetingServer extends Thread
{
private ServerSocket serverSocket;
public GreetingServer(int port) throws IOException
{
serverSocket = new ServerSocket(port);
serverSocket.setSoTimeout(10000);
}
public void run()
{
while(true)
{
try
{
System.out.println("等待远程连接，端口号为：" + serverSocket.getLocalPort() + "...");
Socket server = serverSocket.accept();
System.out.println("远程主机地址：" + server.getRemoteSocketAddress());
DataInputStream in = new DataInputStream(server.getInputStream());
System.out.println(in.readUTF());
DataOutputStream out = new DataOutputStream(server.getOutputStream());
out.writeUTF("谢谢连接我：" + server.getLocalSocketAddress() + "\nGoodbye!");
server.close();
}catch(SocketTimeoutException s)
{
System.out.println("Socket timed out!");
break;
}catch(IOException e)
{
e.printStackTrace();
break;
}
}
}
public static void main(String [] args)
{
int port = Integer.parseInt(args[0]);
try
{
Thread t = new GreetingServer(port);
t.run();
}catch(IOException e)
{
e.printStackTrace();
}
}
}
八、示例结果
编译以上两个 java 文件代码，并执行以下命令来启动服务，使用端口号为 6066：
$ javac GreetingServer.java $ java GreetingServer 6066 等待远程连接，端口号为：6066...
新开一个命令窗口，执行以上命令来开启客户端：
$ javac GreetingClient.java $ java GreetingClient localhost 6066 连接到主机：localhost ，端口号：6066 远程主机地址：localhost/127.0.0.1:6066 服务器响应： 谢谢连接我：/127.0.0.1:6066 Goodbye!
九、黄大佬的博客
https://blog.csdn.net/a724888/article/details/70313748
当前环境
- jdk == 1.8
知识点
- socket 的连接处理
- IO 输入、输出流的处理
- 请求数据格式处理
- 请求模型优化
场景
今天，和大家聊一下 JAVA 中的 socket 通信问题。这里采用最简单的一请求一响应模型为例，假设我们现在需要向 baidu 站点进行通信。我们用 JAVA 原生的 socket 该如何实现。
建立 socket 连接
首先，我们需要建立 socket 连接（核心代码）
import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.Socket;
import java.net.SocketAddress;
// 初始化 socket
Socket socket = new Socket();
// 初始化远程连接地址
SocketAddress remote = new InetSocketAddress(host, port);
// 建立连接
socket.connect(remote);
处理 socket 输入输出流
成功建立 socket 连接后，我们就能获得它的输入输出流，通信的本质是对输入输出流的处理。通过输入流，读取网络连接上传来的数据，通过输出流，将本地的数据传出给远端。
socket 连接实际与处理文件流有点类似，都是在进行 IO 操作。
获取输入、输出流代码如下：
// 输入流
InputStream in = socket.getInputStream();
// 输出流
OutputStream out = socket.getOutputStream();
关于 IO 流的处理，我们一般会用相应的包装类来处理 IO 流，如果直接处理的话，我们需要对 byte[] 进行操作，而这是相对比较繁琐的。如果采用包装类，我们可以直接以string、int等类型进行处理，简化了 IO 字节操作。
下面以 BufferedReader 与 PrintWriter 作为输入输出的包装类进行处理。
// 获取 socket 输入流
private BufferedReader getReader(Socket socket) throws IOException {
InputStream in = socket.getInputStream();
return new BufferedReader(new InputStreamReader(in));
}
// 获取 socket 输出流
private PrintWriter getWriter(Socket socket) throws IOException {
OutputStream out = socket.getOutputStream();
return new PrintWriter(new OutputStreamWriter(out));
}
数据请求与响应
有了 socket 连接、IO 输入输出流，下面就该向发送请求数据，以及获取请求的响应结果。
因为有了 IO 包装类的支持，我们可以直接以字符串的格式进行传输，由包装类帮我们将数据装换成相应的字节流。
因为我们与 baidu 站点进行的是 HTTP 访问，所有我们不需要额外定义输出格式。采用标准的 HTTP 传输格式，就能进行请求响应了（某些特定的 RPC 框架，可能会有自定义的通信格式）。
请求的数据内容处理如下：
public class HttpUtil {
public static String compositeRequest(String host){
return "GET / HTTP/1.1\r\n" +
"Host: " + host + "\r\n" +
"User-Agent: curl/7.43.0\r\n" +
"Accept: */*\r\n\r\n";
}
}
发送请求数据代码如下：
// 发起请求
PrintWriter writer = getWriter(socket);
writer.write(HttpUtil.compositeRequest(host));
writer.flush();
接收响应数据代码如下：
// 读取响应
String msg;
BufferedReader reader = getReader(socket);
while ((msg = reader.readLine()) != null){
System.out.println(msg);
}
结果展示
至此，讲完了原生 socket 下的创建连接、发送请求与接收响应的所有核心代码。
完整代码如下：
-
import java.io.*;
-
import java.net.InetSocketAddress;
-
import java.net.Socket;
-
import java.net.SocketAddress;
-
import com.test.network.util.HttpUtil;
-
-
public class SocketHttpClient {
-
-
public void start(String host, int port) {
-
-
// 初始化 socket
-
Socket socket = new Socket();
-
-
try {
-
// 设置 socket 连接
-
SocketAddress remote = new InetSocketAddress(host, port);
-
socket.setSoTimeout(5000);
-
socket.connect(remote);
-
-
// 发起请求
-
PrintWriter writer = getWriter(socket);
-
System.out.println(HttpUtil.compositeRequest(host));
-
writer.write(HttpUtil.compositeRequest(host));
-
writer.flush();
-
-
// 读取响应
-
String msg;
-
BufferedReader reader = getReader(socket);
-
while ((msg = reader.readLine()) != null){
-
System.out.println(msg);
-
}
-
-
} catch (IOException e) {
-
e.printStackTrace();
-
} finally {
-
try {
-
socket.close();
-
} catch (IOException e) {
-
e.printStackTrace();
-
}
-
}
-
-
}
-
-
private BufferedReader getReader(Socket socket) throws IOException {
-
InputStream in = socket.getInputStream();
-
return new BufferedReader(new InputStreamReader(in));
-
}
-
-
private PrintWriter getWriter(Socket socket) throws IOException {
-
OutputStream out = socket.getOutputStream();
-
return new PrintWriter(new OutputStreamWriter(out));
-
}
-
-
}
下面，我们通过实例化一个客户端，来展示 socket 通信的结果。
public class Application {
public static void main(String[] args) {
new SocketHttpClient().start("www.baidu.com", 80);
}
}
结果输出：
请求模型优化
这种方式，虽然实现功能没什么问题。但是我们细看，发现在 IO 写入与读取过程，是发生了 IO 阻塞的情况。即：
-
// 会发生 IO 阻塞
-
writer.write(HttpUtil.compositeRequest(host));
-
reader.readLine();
所以如果要同时请求10个不同的站点，如下：
public class SingleThreadApplication {
public static void main(String[] args) {
// HttpConstant.HOSTS 为 站点集合
for (String host: HttpConstant.HOSTS) {
new SocketHttpClient().start(host, HttpConstant.PORT);
}
}
}
它一定是第一个请求响应结束后，才会发起下一个站点处理。
这在服务端更明显，虽然这里的代码是客户端连接，但是具体的操作和服务端是差不多的。请求只能一个个串行处理，这在响应时间上肯定不能达标。
- 多线程处理
有人觉得这根本不是问题，JAVA 是多线程的编程语言。对于这种情况，采用多线程的模型再合适不过。
public class MultiThreadApplication {
public static void main(String[] args) {
for (final String host: HttpConstant.HOSTS) {
Thread t = new Thread(new Runnable() {
public void run() {
new SocketHttpClient().start(host, HttpConstant.PORT);
}
});
t.start();
}
}
}
这种方式起初看起来挺有用的，但并发量一大，应用会起很多的线程。都知道，在服务器上，每一个线程实际都会占据一个文件句柄。而服务器上的句柄数是有限的，而且大量的线程，造成的线程间切换的消耗也会相当的大。所以这种方式在并发量大的场景下，一定是承载不住的。
- 多线程 + 线程池 处理
既然线程太多不行，那我们控制一下线程创建的数目不就行了。只启动固定的线程数来进行 socket 处理，既利用了多线程的处理，又控制了系统的资源消耗。
public class ThreadPoolApplication {
public static void main(String[] args) {
ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(8);
for (final String host: HttpConstant.HOSTS) {
Thread t = new Thread(new Runnable() {
public void run() {
new SocketHttpClient().start(host, HttpConstant.PORT);
}
});
executorService.submit(t);
new SocketHttpClient().start(host, HttpConstant.PORT);
}
}
}
关于启动的线程数，一般 CPU 密集型会设置在 N+1（N为CPU核数），IO 密集型设置在 2N + 1。
这种方式，看起来是最优的了。那有没有更好的呢，如果一个线程能同时处理多个 socket 连接，并且在每个 socket 输入输出数据没有准备好的情况下，不进行阻塞，那是不是更优呢。这种技术叫做“IO多路复用”。在 JAVA 的 nio 包中，提供了相应的实现。
补充1：TCP客户端与服务端
public class TCP客户端 {
public static void main(String[] args) {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
Socket s = new Socket("127.0.0.1",1234);
//构建IO
InputStream is = s.getInputStream();
OutputStream os = s.getOutputStream();
BufferedWriter bw = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(os));
//向服务器端发送一条消息
bw.write("测试客户端和服务器通信，服务器接收到消息返回到客户端\n");
bw.flush();
//读取服务器返回的消息
BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(is));
String mess = br.readLine();
System.out.println("服务器："+mess);
} catch (UnknownHostException e) {
e.printStackTrace();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}).start();
}
}
public class TCP服务端 {
public static void main(String[] args) {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
ServerSocket ss = new ServerSocket(1234);
while (true) {
System.out.println("启动服务器....");
Socket s = ss.accept();
System.out.println("客户端:" + s.getInetAddress().getLocalHost() + "已连接到服务器");
BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(s.getInputStream()));
//读取客户端发送来的消息
String mess = br.readLine();
System.out.println("客户端：" + mess);
BufferedWriter bw = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(s.getOutputStream()));
bw.write(mess + "\n");
bw.flush();
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}).start();
}
}
补充2：UDP客户端和服务端
public class UDP客户端 {
public static void main(String[] args) {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
byte []arr = "Hello Server".getBytes();
try {
InetAddress inetAddress = InetAddress.getLocalHost();
DatagramSocket datagramSocket = new DatagramSocket();
DatagramPacket datagramPacket = new DatagramPacket(arr, arr.length, inetAddress, 1234);
datagramSocket.send(datagramPacket);
System.out.println("send end");
} catch (UnknownHostException e) {
e.printStackTrace();
} catch (SocketException e) {
e.printStackTrace();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}).start();
}
}
public class UDP服务端 {
public static void main(String[] args) {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
DatagramSocket datagramSocket = new DatagramSocket(1234);
byte[] buffer = new byte[1024];
DatagramPacket packet = new DatagramPacket(buffer, buffer.length);
datagramSocket.receive(packet);
System.out.println("server recv");
String msg = new String(packet.getData(), "utf-8");
System.out.println(msg);
} catch (SocketException e) {
e.printStackTrace();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}).start();
}
}
