Java网络编程 TCP

Socket是一个抽象概念，一个应用程序通过一个Socket来建立一个远程连接，而Socket内部通过TCP/IP协议把数据传输到网络：

Socket、TCP和部分IP的功能都是由操作系统提供的，不同的编程语言只是提供了对操作系统调用的简单的封装。例如，Java提供的几个Socket相关的类就封装了操作系统提供的接口。

为什么需要Socket进行网络通信？因为仅仅通过IP地址进行通信是不够的，同一台计算机同一时间会运行多个网络应用程序，例如浏览器、QQ、邮件客户端等。当操作系统接收到一个数据包的时候，如果只有IP地址，它没法判断应该发给哪个应用程序，所以，操作系统抽象出Socket接口，每个应用程序需要各自对应到不同的Socket，数据包才能根据Socket正确地发到对应的应用程序。

一个Socket就是由IP地址和端口号（范围是0～65535）组成，可以把Socket简单理解为IP地址加端口号。端口号总是由操作系统分配，它是一个0～65535之间的数字，其中，小于1024的端口属于特权端口，需要管理员权限，大于1024的端口可以由任意用户的应用程序打开。

使用Socket进行网络编程时，本质上就是两个进程之间的网络通信。其中一个进程必须充当服务器端，它会主动监听某个指定的端口，另一个进程必须充当客户端，它必须主动连接服务器的IP地址和指定端口，如果连接成功，服务器端和客户端就成功地建立了一个TCP连接，双方后续就可以随时发送和接收数据。

因此，当Socket连接成功地在服务器端和客户端之间建立后：

• 对服务器端来说，它的Socket是指定的IP地址和指定的端口号；
• 对客户端来说，它的Socket是它所在计算机的IP地址和一个由操作系统分配的随机端口号。

要使用Socket编程，我们首先要编写服务器端程序。Java标准库提供了ServerSocket来实现对指定IP和指定端口的监听。

服务器端

package com.learn.socket;

import java.io.*;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.nio.charset.StandardCharsets;

class Handle extends Thread{
    Socket socket;

    public Handle(Socket socket) {
        this.socket = socket;
    }

    @Override
    public void run() {
        try(InputStream inputStream=this.socket.getInputStream()){
            try(OutputStream outputStream=this.socket.getOutputStream()){
                System.out.println(inputStream);
                System.out.println(outputStream);
                handle(inputStream,outputStream);
            }
        }catch (Exception e){
            try{
                this.socket.close();
            }catch (IOException ioe){

            }
            System.out.println("client disconnected.");
        }

    }

    private void handle(InputStream inputStream,OutputStream outputStream) throws IOException {
        System.out.println(inputStream);
        System.out.println(outputStream);
        BufferedWriter writer=new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(outputStream, StandardCharsets.UTF_8));
        BufferedReader reader=new BufferedReader(new InputStreamReader(inputStream,StandardCharsets.UTF_8));
        writer.write("hello\n");
        writer.flush();
        for(;;){
            String s=reader.readLine();
            if(s.equals("bye")){
                writer.write("bye\n");
                writer.flush();
                break;
            }
            writer.write("ok: "+s+"\n");
            writer.flush();
        }
    }
}

public class Server {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //指定监听端口
        ServerSocket serverSocket=new ServerSocket(6666);
        System.out.println("server is running");
        for(;;){
            Socket socket=serverSocket.accept();
            System.out.println("connected from "+socket.getRemoteSocketAddress());
            Thread thread=new Handle(socket);
            thread.start();
        }
    }
}

服务器端通过代码：

//指定监听端口
ServerSocket serverSocket=new ServerSocket(6666);

在指定端口6666监听。这里我们没有指定IP地址，表示在计算机的所有网络接口上进行监听。

如果ServerSocket监听成功，我们就使用一个无限循环来处理客户端的连接：

for(;;){
    Socket socket=serverSocket.accept();
    System.out.println("connected from "+socket.getRemoteSocketAddress());
    Thread thread=new Handle(socket);
    thread.start();
}

注意到代码serverSocket.accept()表示每当有新的客户端连接进来后，就返回一个Socket实例，这个Socket实例就是用来和刚连接的客户端进行通信的。由于客户端很多，要实现并发处理，我们就必须为每个新的Socket创建一个新线程来处理，这样，主线程的作用就是接收新的连接，每当收到新连接后，就创建一个新线程进行处理。

这里也完全可以利用线程池来处理客户端连接，能大大提高运行效率。

如果没有客户端连接进来，accept()方法会阻塞并一直等待。如果有多个客户端同时连接进来，ServerSocket会把连接扔到队列里，然后一个一个处理。对于Java程序而言，只需要通过循环不断调用accept()就可以获取新的连接。

客户端

package com.learn.socket;

import java.io.*;
import java.net.Socket;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
import java.util.Scanner;

public class Client {

    private static void handle(InputStream inputStream, OutputStream outputStream) throws IOException {

        BufferedReader reader=new BufferedReader(new InputStreamReader(inputStream, StandardCharsets.UTF_8));
        BufferedWriter writer=new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(outputStream,StandardCharsets.UTF_8));
        Scanner scanner=new Scanner(System.in);
        System.out.println("[server] "+reader.readLine());

        for(;;){
            System.out.println(">>>");
            String s=scanner.nextLine();
            writer.write(s);
            writer.newLine();
            writer.flush();
            String resp=reader.readLine();
            System.out.println("<<<"+resp);
            if(resp.equals("bye")){
                break;
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Socket socket=new Socket("localhost",6666);
        try(InputStream inputStream=socket.getInputStream()){
            try(OutputStream outputStream=socket.getOutputStream()){
                handle(inputStream,outputStream);
            }
        }
        socket.close();
        System.out.println("disconnected.");
    }
}

客户端程序通过：

Socket socket=new Socket("localhost",6666);

连接到服务器端，注意上述代码的服务器地址是"localhost"，表示本机地址，端口号是6666。如果连接成功，将返回一个Socket实例，用于后续通信。

Socket流

当Socket连接创建成功后，无论是服务器端，还是客户端，我们都使用Socket实例进行网络通信。因为TCP是一种基于流的协议，因此，Java标准库使用InputStream和OutputStream来封装Socket的数据流，这样我们使用Socket的流，和普通IO流类似：

// 用于读取网络数据:
InputStream in = sock.getInputStream();
// 用于写入网络数据:
OutputStream out = sock.getOutputStream();

为什么写入网络数据时，要调用flush()方法。

如果不调用flush()，我们很可能会发现，客户端和服务器都收不到数据，这并不是Java标准库的设计问题，而是我们以流的形式写入数据的时候，并不是一写入就立刻发送到网络，而是先写入内存缓冲区，直到缓冲区满了以后，才会一次性真正发送到网络，这样设计的目的是为了提高传输效率。如果缓冲区的数据很少，而我们又想强制把这些数据发送到网络，就必须调用flush()强制把缓冲区数据发送出去。

测试结果如下：

注：

使用Java进行TCP编程时，需要使用Socket模型：

• 服务器端用ServerSocket监听指定端口；
• 客户端使用Socket(InetAddress, port)连接服务器；
• 服务器端用accept()接收连接并返回Socket；
• 双方通过Socket打开InputStream/OutputStream读写数据；
• 服务器端通常使用多线程同时处理多个客户端连接，利用线程池可大幅提升效率；
• flush()用于强制输出缓冲区到网络。

 

计算机网络是指两台或更多的计算机组成的网络，在同一个网络中，任意两台计算机都可以直接通信，因为所有计算机都需要遵循同一种网络协议。

那什么是互联网呢？互联网是网络的网络（internet），即把很多计算机网络连接起来，形成一个全球统一的互联网。

对某个特定的计算机网络来说，它可能使用网络协议ABC，而另一个计算机网络可能使用网络协议XYZ。如果计算机网络各自的通讯协议不统一，就没法把不同的网络连接起来形成互联网。因此，为了把计算机网络接入互联网，就必须使用TCP/IP协议。

TCP/IP协议泛指互联网协议，其中最重要的两个协议是TCP协议和IP协议。只有使用TCP/IP协议的计算机才能够联入互联网，使用其他网络协议（例如NetBIOS、AppleTalk协议等）是无法联入互联网的。

IP协议是一个分组交换，它不保证可靠传输。而TCP协议是传输控制协议，它是面向连接的协议，支持可靠传输和双向通信。TCP协议是建立在IP协议之上的，简单地说，IP协议只负责发数据包，不保证顺序和正确性，而TCP协议负责控制数据包传输，它在传输数据之前需要先建立连接，建立连接后才能传输数据，传输完后还需要断开连接。TCP协议之所以能保证数据的可靠传输，是通过接收确认、超时重传这些机制实现的。并且，TCP协议允许双向通信，即通信双方可以同时发送和接收数据。

TCP协议也是应用最广泛的协议，许多高级协议都是建立在TCP协议之上的，例如HTTP、SMTP等。

UDP协议（User Datagram Protocol）是一种数据报文协议，它是无连接协议，不保证可靠传输。因为UDP协议在通信前不需要建立连接，因此它的传输效率比TCP高，而且UDP协议比TCP协议要简单得多。

选择UDP协议时，传输的数据通常是能容忍丢失的，例如，一些语音视频通信的应用会选择UDP协议。