java网络编程
1|0一、网络编程概述
网络编程。意思就是编写的应用程序可以与网络上其他设备中的应用程序进行数据交互。网络编程有什么用呢?这个就不言而喻了,比如我们经常用的微信收发消息就需要用到网络通信的技术、在比如我们打开浏览器可以浏览各种网络、视频等也需要用到网络编程的技术。
Java提供的网络编程的解决方案都是在java.net包下。在正式学习Java网络编程技术之前,我们还需要学习一些网络通信的前置知识理论知识,只有这些前置知识做基础,我们学习网络编程代码编写才起来才能继续下去。
首先聊聊网络通信的基本架构。通信的基本架构主要有两种形式:一种是CS架构(Client 客户端/Server服务端)、一种是BS架构(Brower 浏览器/Server服务端)。
- CS架构的特点: CS架构需要用户在自己的电脑或者手机上安装客户端软件,然后由客户端软件通过网络连接服务器程序,由服务器把数据发给客户端,客户端就可以在页面上看到各种数据了。
- BS架构的特点: BS架构不需要开发客户端软件,用户只需要通过浏览器输入网址就可以直接从服务器获取数据,并由服务器将数据返回给浏览器,用户在页面上就可以看到各种数据了。
这两种结构不管是CS、还是BS都是需要用到网络编程的相关技术。我们学习Java的程序员,以后从事的工作方向主要还是BS架构的。
2|0二、编程三要素
编程三要素是哪三要素?分别是IP地址、端口号、通信协议
- IP地址:表示设备在网络中的地址,是网络中设备的唯一标识
- 端口号:应用程序在设备中唯一的标识
- 协议:连接和数据在网络中传输的规则。
如下图所示:假设现在要从一台电脑中的微信上,发一句“你愁啥?”到其他电脑的微信上,流程如下
2|11,IP地址
IP(Ineternet Protocol)全称互联网协议地址,是分配给网络设备的唯一表示。 IP地址分为:IPV4地址、IPV6地址
IPV4地址由32个比特位(4个字节)组成,如果下图所示,但是由于采用二进制太不容易阅读了,于是就将每8位看成一组,把每一组用十进制表示(叫做点分十进制表示法)。所以就有了我们经常看到的IP地址形式,如:192.168.1.66
如果想查看本机的IP地址,可以在命令行窗口,输入ipconfig
命令查看,如下图所示
经过不断的发展,现在越来越多的设备需要联网,IPV4地址已经不够用了,所以扩展出来了IPV6地址。
IPV6采用128位二进制数据来表示(16个字节),号称可以为地球上的每一粒沙子编一个IP地址,
IPV6比较长,为了方便阅读,每16位编成一组,每组采用十六进制数据表示,然后用冒号隔开(称为冒分十六进制表示法),如下图所示
现在的网络设备,一般IPV4和IPV6地址都是支持的。
介绍完IP地址和IP地址分类之后,接下来再介绍一下和IP地址相关的一个东西,叫做域名。
我们在浏览器上访问某一个网站是,就需要在浏览器的地址栏输入网址,这个网址的专业说法叫做域名。比如:百度的域名是http://www.baidu.cn
。
域名和IP其实是一一对应的,由运营商来管理域名和IP的对应关系。我们在浏览器上敲一个域名时,首先由运营商的域名解析服务器,把域名转换为ip地址,再通过IP地址去访问对应的服务器设备。
关于IP地址,还有一个特殊的地址需要我们记住一下。就是我们在学习阶段进行测试时,经常会自己给自己消息,需要用到一个本地回送地址:127.0.0.1
和localhost
下面是两个和ip相关的常用命令:
2|22,InetAddress类
按照面向对象的设计思想,Java中也有一个类用来表示IP地址,这个类是InetAddress类。我们在开发网络通信程序的时候,可能有时候会获取本机的IP地址,以及测试与其他地址是否连通,这个时候就可以使用InetAddress类来完成。下面几个是InetAddress常用的方法。
名称 | 说明 |
---|---|
public static InetAddress getLocalHost() | 获取本机IP,会以一个inetAddress的对象返回 |
public static InetAddress getByName(String host) | 根据ip地址或者域名,返回一个inetAdress对象 |
public String getHostName() | 获取该ip地址对象对应的主机名。 |
public String getHostAddress() | 获取该ip地址对象中的ip地址信息。 |
public boolean isReachable(int timeout) | 在指定毫秒内,判断主机与该ip对应的主机是否能连通 |
测试代码:
控制台结果:
2|33,端口号
端口号:指的是计算机设备上运行的应用程序的标识,被规定为一个16位的二进制数据,范围(0~65535)
端口号分为一下几类(了解一下)
- 周知端口:0~1023,被预先定义的知名应用程序占用(如:HTTP占用80,FTP占用21)
- 注册端口:1024~49151,分配给用户经常或者某些应用程序
- 动态端口:49152~65536,之所以称为动态端口,是因为它一般不固定分配给某进程,而是动态分配的。
需要注意的是,同一个计算机设备中,不能出现两个应用程序,用同一个端口号
2|44,协议
网络上通信的设备,事先规定的连接规则,以及传输数据的规则被称为网络通信协议。
为了让世界上各种上网设备能够互联互通,肯定需要有一个组织出来,指定一个规则,大家都遵守这个规则,才能进行数据通信。
开放式网络互联标准: OSI网络参考模型
OSI网络参考模型: 全球网络互联标准。
TCP/IP网络模型: 事实上的国际标准。
只要按照OSI网络参考模型制造的设备,就可以在国际互联网上互联互通。其中传输层有两个协议,是我们今天会接触到的(UDP协议、TCP协议)
UDP协议特点:
当追求速度,不太追求质量的时候可以选择
特点:无连接、不可靠通信。
不事先建立连接,数据按照包发,一包数据包含:自己的IP、程序端口,目的地IP、程序端口和数据(限制在64KB内)等。
发送方不管对方是否在线,数据在中间丢失也不管,如果接收方收到数据也不返回确认,故是不可靠的 。
TCP协议特点:
特点:面向连接、可靠通信。
TCP的最终目的:要保证在不可靠的信道上实现可靠的传输。
TCP主要有三个步骤实现可靠传输:三次握手建立连接,传输数据进行确认,四次挥手断开连接。
三次握手如下图所示:目的是确认通信双方,收发消息都是正常没问题的
四次挥手如下图所示:目的是确保双方数据的收发已经完成,没有数据丢失
3|0三、UDP通信代码(一发一收)
UDP是面向无连接的、不需要确认双方是否存在,所以它是不可靠的协议。Java提供了一个类叫DatagramSocket来完成基于UDP协议的收发数据。使用DatagramSocket收发数据时,数据要以数据包的形式体现,一个数据包限制在64KB以内
下面我们看一个案例,需要有两个程序,一个表示客户端程序,一个表示服务端程序。
需求:客户端程序发一个字符串数据给服务端,服务端程序接收数据并打印。
3|11,客户端程序
3|22,服务端程序
4|0四、UDP通信代码(多发多收)
刚才的案例,我们只能客户端发一次,服务端接收一次就结束了。下面我们想把这个代码改进一下,
需求:实现客户端不断的发数据,而服务端能不断的接收数据,客户端发送exit时客户端程序退出。
4|11,客户端程序
4|22,服务端程序
5|0五、TCP通信(一发一收)
Java提供了一个java.net.Socket类来完成TCP通信。
我们先了解一下Socket完成TCP通信的流程,再看代码怎么编写就很好理解了。如下图所示
- 当创建Socket对象时,就会在客户端和服务端创建一个数据通信的管道,在客户端和服务端两边都会有一个Socket对象来访问这个通信管道。
- 现在假设客户端要发送一个“在一起”给服务端,客户端这边先需要通过Socket对象获取到一个字节输出流,通过字节输出流写数据到服务端
- 然后服务端这边通过Socket对象可以获取字节输入流,通过字节输入流就可以读取客户端写过来的数据,并对数据进行处理。
- 服务端处理完数据之后,假设需要把“没感觉”发给客户端,那么服务端这边再通过Socket获取到一个字节输出流,将数据写给客户端
- 客户端这边再获取输入流,通过字节输入流来读取服务端写过来的数据。
5|11,TCP客户端
下面我们写一个客户端,用来往服务端发数据。由于原始的字节流不是很好用,这里根据我的经验,我原始的OutputStream包装为DataOutputStream是比较好用的。
5|22,TCP服务端
上面我们只是写了TCP客户端,还没有服务端,接下来我们把服务端写一下。这里的服务端用来接收客户端发过来的数据。
6|0六、TCP通信(多发多收)
到目前为止,我们已经完成了客户端发送消息、服务端接收消息,但是客户端只能发一次,服务端只能接收一次。现在我想要客户端能过一直发消息,服务端能够一直接收消息。
下面我们把客户端代码改写一下,采用键盘录入的方式发消息,为了让客户端能够一直发,我们只需要将发送消息的代码套一层循环就可以了,当用户输入exit时,客户端退出循环并结束客户端。
6|11,TCP客户端
6|22,TCP服务端
为了让服务端能够一直接收客户端发过来的消息,服务端代码也得改写一下。我们只需要将读取数据的代码加一个循环就可以了。
但是需要我们注意的时,如果客户端Socket退出之后,就表示连接客户端与服务端的数据通道被关闭了,这时服务端就会出现异常。服务端可以通过出异常来判断客户端下线了,所以可以用try...catch把读取客户端数据的代码套一起来,catch捕获到异常后,打印客户端下线。
7|0七、TCP通信(多线程改进)
上一个案例中我们写的服务端程序只能和一个客户端通信,如果有多个客户端连接服务端,此时服务端是不支持的。
为了让服务端能够支持多个客户端通信,就需要用到多线程技术。具体的实现思路如下图所示:每当有一个客户端连接服务端,在服务端这边就为Socket开启一条线程取执行读取数据的操作,来多少个客户端,就有多少条线程。按照这样的设计,服务端就可以支持多个客户端连接了。
7|11,多线程改进
按照上面的思路,改写服务端代码。
首先,我们需要写一个服务端的读取数据的线程类,代码如下
接下来,再改写服务端的主程序代码,如下:
7|22,群聊的实现
我们想把刚才的案例,改进成全能够实现群聊的效果,就是一个客户端发的消息,其他的每一个客户端都可以收到。
刚才我们写的多个客户端可以往服务端发现消息,但是客户端和客户端是不能直接通信的。想要试下全群聊的效果,我们还是必须要有服务端在中间做中转。 具体实现方案如下图所示:
我们可以在服务端创建一个存储Socket的集合,每当一个客户端连接服务端,就可以把客户端Socket存储起来;当一个客户端给服务端发消息时,再遍历集合通过每个Socket将消息再转发给其他客户端。
下面我们改造服务端代码,由于服务端读取数据是在线程类中完成的,所以我们改SerReaderThread
类就可以了。服务端的主程序不用改。
8|0八、BS架构程序
前面我们所写的代码都是基于CS架构的。我们说网络编程还可以编写BS架构的程序,为了让同学们体验一下BS架构通信,这里我们写一个简易版的程序。仅仅只是体验下一,后期我们会详细学习BS架构的程序如何编写。
BS架构程序的实现原理,如下图所示:不需要开发客户端程序,此时浏览器就相当于是客户端,此时我们只需要写服务端程序就可以了。
在BS结构的程序中,浏览器和服务器通信是基于HTTP协议来完成的,浏览器给客户端发送数据需要按照HTTP协议规定好的数据格式发给服务端,服务端返回数据时也需要按照HTTP协议规定好的数据给是发给浏览器,只有这两双方才能完成一次数据交互。
客户端程序不需要我们编写(浏览器就是),所以我们只需要写服务端就可以了。
服务端给客户端响应数据的数据格式(HTTP协议规定数据格式)如下图所示:左图是数据格式,右图是示例。
接下来,我们写一个服务端程序按照右图示例的样子,给浏览器返回数据。注意:数据是由多行组成的,必须按照规定的格式来写。
8|11,服务端程序
先写一个线程类,用于按照HTTP协议的格式返回数据
再写服务端的主程序
8|22,服务端主程序用线程池改进
为了避免服务端创建太多的线程,可以把服务端用线程池改进,提高服务端的性能。
先写一个给浏览器响应数据的线程任务
__EOF__

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