Java基础之——网络编程
网络编程
1、网络编程入门
1.1、软件结构
- C/S 结构 ：全称为 Client/Server 结构，是指客户端和服务器结构。常见程序有ＱＱ、迅雷等软件。
- B/S 结构 ：全称为 Browser/Server 结构，是指浏览器和服务器结构。常见浏览器有谷歌、火狐等。
两种架构各有优势，但是无论哪种架构，都离不开网络的支持。网络编程，就是在一定的协议下，实现两台计算机的通信的程序。
1.2、 网络通信协议
- 网络通信协议：通信协议是对计算机必须遵守的规则，只有遵守这些规则，计算机之间才能进行通信。这就好比在道路中行驶的汽车一定要遵守交通规则一样，协议中对数据的传输格式、传输速率、传输步骤等做了统一规定，通信双方必须同时遵守，最终完成数据交换。
- TCP/IP 协议： 传输控制协议/因特网互联协议( Transmission Control Protocol/Internet Protocol)，是 Internet 最基本、最广泛的协议。它定义了计算机如何连入因特网，以及数据如何在它们之间传输的标准。它的内部包含一系列的用于处理数据通信的协议，并采用了 4 层的分层模型，每一层都呼叫它的下一层所提供的协议来完成自己的需求。
1.3、协议分类
通信的协议还是比较复杂的， java.net 包中包含的类和接口，它们提供低层次的通信细节。我们可以直接使用这些类和接口，来专注于网络程序开发，而不用考虑通信的细节。
java.net 包中提供了两种常见的网络协议的支持：
-
TCP：传输控制协议 (Transmission Control Protocol)。TCP 协议是面向连接的通信协议，即传输数据之前， 在发送端和接收端建立逻辑连接，然后再传输数据，它提供了两台计算机之间可靠无差错的数据传输。
- 三次握手：TCP 协议中，在发送数据的准备阶段，客户端与服务器之间的三次交互，以保证连接的可靠。
- 第一次握手，客户端向服务器端发出连接请求，等待服务器确认。
- 第二次握手，服务器端向客户端回送一个响应，通知客户端收到了连接请求。
- 第三次握手，客户端再次向服务器端发送确认信息，确认连接。
完成三次握手，连接建立后，客户端和服务器就可以开始进行数据传输了。由于这种面向连接的特性，TCP 协议可以保证传输数据的安全，所以应用十分广泛，例如下载文件、浏览网页等。
- 三次握手：TCP 协议中，在发送数据的准备阶段，客户端与服务器之间的三次交互，以保证连接的可靠。
-
UDP：用户数据报协议(User Datagram Protocol)。UDP 协议是一个面向无连接的协议。传输数据时，不需要建立连接，不管对方端服务是否启动，直接将数据、数据源和目的地都封装在数据包中，直接发送。每个数据包的大小限制在 64k 以内。它是不可靠协议，因为无连接，所以传输速度快，但是容易丢失数据。日常应用中，例如视频会议、QQ 聊天等。
1.4、网络编程三要素
1.4.1、协议
- 协议：计算机网络通信必须遵守的规则。
1.4.2、IP 地址
- IP 地址：指互联网协议地址（Internet Protocol Address），俗称 IP。IP 地址用来给一个网络中的计算机设备做唯一的编号。假如我们把 “个人电脑” 比作 “一台电话” 的话，那么 “IP 地址” 就相当于 “电话号码”。
1.4.3、端口号
如果说 IP 地址可以唯一标识网络中的设备，那么**端口号就可以唯一标识设备中的进程（应用程序）**了。
- 端口号：用两个字节表示的整数，它的取值范围是0~65535。其中，0~1023之间的端口号用于一些知名的网络服务和应用，普通的应用程序需要使用 1024 以上的端口号。如果端口号被另外一个服务或应用所占用，会导致当前程序启动失败。
利用 协议 + IP地址 + 端口号 三元组合，就可以标识网络中的进程了，那么进程间的通信就可以利用这个标识与其它进程进行交互。
2、TCP 通信程序
2.1、概述
TCP 通信能实现两台计算机之间的数据交互，通信的两端，要严格区分为客户端（Client）与服务端（Server）。
两端通信时步骤：
- 服务端程序，需要事先启动，等待客户端的连接。
- 客户端主动连接服务器端，连接成功才能通信。服务端不可以主动连接客户端。
在 Java 中，提供了两个类用于实现 TCP 通信程序：
- 客户端：
java.net.Socket类表示。创建Socket对象，向服务端发出连接请求，服务端响应请求，两者建立连接开始通信。 - 服务端：
java.net.ServerSocket类表示。创建ServerSocket对象，相当于开启一个服务，并等待客户端的连接。
2.2、Socket 类
Socket 类：该类实现客户端套接字，套接字指的是两台设备之间通讯的端点。
2.2.1、构造方法
public Socket(String host, int port)：创建套接字对象并将其连接到指定主机上的指定端口号。如果指定的 host 是null ，则相当于指定地址为回送地址。
构造举例，代码如下：
Socket client = new Socket("127.0.0.1", 6666);
2.2.2、成员方法
public InputStream getInputStream()： 返回此套接字的输入流。- 如果此 Scoket 具有相关联的通道，则生成的 InputStream 的所有操作也关联该通道。
- 关闭生成的 InputStream 也将关闭相关的 Socket。
public OutputStream getOutputStream()： 返回此套接字的输出流。- 如果此 Scoket 具有相关联的通道，则生成的 OutputStream 的所有操作也关联该通道。
- 关闭生成的 OutputStream 也将关闭相关的 Socket。
public void close()：关闭此套接字。- 一旦一个 socket 被关闭，它不可再使用。
- 关闭此 socket 也将关闭相关的 InputStream 和 OutputStream 。
public void shutdownOutput()： 禁用此套接字的输出流。- 任何先前写出的数据将被发送，随后终止输出流。
2.3、ServerSocket 类
ServerSocket 类：这个类实现了服务器套接字，该对象等待通过网络的请求。
2.3.1、构造方法
public ServerSocket(int port)：使用该构造方法在创建 ServerSocket 对象时，就可以将其绑定到一个指定的端口号上，参数 port 就是端口号。
构造举例，代码如下：
ServerSocket server = new ServerSocket(6666);
2.3.2、成员方法
public Socket accept()：侦听并接受连接，返回一个新的 Socket 对象，用于和客户端实现通信。该方法会一直阻塞直到建立连接。
2.4、简单的 TCP 网络程序
2.4.1、TCP 通信分析图解
-
【服务端】启动，创建 ServerSocket 对象，等待连接。
-
【客户端】启动，创建 Socket 对象，请求连接。
-
【服务端】接收连接，调用 accept 方法，并返回一个 Socket 对象。
-
【客户端】Socket 对象，获取 OutputStream，向服务端写出数据。
-
【服务端】Scoket 对象，获取 InputStream，读取客户端发送的数据。
到此，客户端向服务端发送数据成功。
自此，服务端向客户端回写数据。
-
【服务端】Socket 对象，获取 OutputStream，向客户端回写数据。
-
【客户端】Scoket 对象，获取 InputStream，解析回写数据。
-
【客户端】释放资源，断开连接。
2.4.2、客户端向服务器发送数据
服务端实现：
public class ServerTCP {
public static void main(String[] args) throws IOException {
System.out.println("服务端启动 , 等待连接 .... ");
// 1.创建 ServerSocket对象，绑定端口，开始等待连接
ServerSocket ss = new ServerSocket(6666);
// 2.接收连接 accept 方法, 返回 socket 对象.
Socket server = ss.accept();
// 3.通过socket 获取输入流
InputStream is = server.getInputStream();
// 4.一次性读取数据
// 4.1 创建字节数组
byte[] b = new byte[1024];
// 4.2 据读取到字节数组中.
int len = is.read(b)；
// 4.3 解析数组,打印字符串信息
String msg = new String(b, 0, len);
System.out.println(msg);
//5.关闭资源.
is.close();
server.close();
}
}
客户端实现：
public class ClientTCP {
public static void main(String[] args) throws Exception {
System.out.println("客户端 发送数据");
// 1.创建 Socket ( ip , port ) , 确定连接到哪里.
Socket client = new Socket("localhost", 6666);
// 2.获取流对象 . 输出流
OutputStream os = client.getOutputStream();
// 3.写出数据.
os.write("你好么? tcp ,我来了".getBytes());
// 4. 关闭资源 .
os.close();
client.close();
}
}
2.4.3、服务器向客户端回写数据
服务端实现：
public class ServerTCP {
public static void main(String[] args) throws IOException {
System.out.println("服务端启动 , 等待连接 .... ");
// 1.创建 ServerSocket对象，绑定端口，开始等待连接
ServerSocket ss = new ServerSocket(6666);
// 2.接收连接 accept 方法, 返回 socket 对象.
Socket server = ss.accept();
// 3.通过socket 获取输入流
InputStream is = server.getInputStream();
// 4.一次性读取数据
// 4.1 创建字节数组
byte[] b = new byte[1024];
// 4.2 据读取到字节数组中.
int len = is.read(b)；
// 4.3 解析数组,打印字符串信息
String msg = new String(b, 0, len);
System.out.println(msg);
// =================回写数据=======================
// 5. 通过 socket 获取输出流
OutputStream out = server.getOutputStream();
// 6. 回写数据
out.write("我很好,谢谢你".getBytes());
// 7.关闭资源.
out.close();
is.close();
server.close();
}
}
客户端实现：
public class ClientTCP {
public static void main(String[] args) throws Exception {
System.out.println("客户端 发送数据");
// 1.创建 Socket ( ip , port ) , 确定连接到哪里.
Socket client = new Socket("localhost", 6666);
// 2.通过Scoket,获取输出流对象
OutputStream os = client.getOutputStream();
// 3.写出数据.
os.write("你好么? tcp ,我来了".getBytes());
// ==============解析回写=========================
// 4. 通过Scoket,获取 输入流对象
InputStream in = client.getInputStream();
// 5. 读取数据数据
byte[] b = new byte[100];
int len = in.read(b);
System.out.println(new String(b, 0, len));
// 6. 关闭资源 .
in.close();
os.close();
client.close();
}
}
3、综合案例
3.1、文件上传案例
文件上传分析图解：
- 【客户端】输入流，从硬盘读取文件数据到程序中。
- 【客户端】输出流，写出文件数据到服务端。
- 【服务端】输入流，读取文件数据到服务端程序。
- 【服务端】输出流，写出文件数据到服务器硬盘中。
3.2、基本实现
服务端实现：
public class FileUpload_Server {
public static void main(String[] args) throws IOException {
System.out.println("服务器 启动..... ");
// 1. 创建服务端ServerSocket
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(6666);
// 2. 建立连接
Socket accept = serverSocket.accept();
// 3. 创建流对象
// 3.1 获取输入流,读取文件数据
BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(accept.getInputStream());
// 3.2 创建输出流,保存到本地 .
BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream("copy.jpg"));
// 4. 读写数据
byte[] b = new byte[1024 * 8];
int len;
while ((len = bis.read(b)) != ‐1) {
bos.write(b, 0, len);
}
//5. 关闭 资源
bos.close();
bis.close();
accept.close();
System.out.println("文件上传已保存");
}
}
客户端实现：
public class FileUPload_Client {
public static void main(String[] args) throws IOException {
// 1.创建流对象
// 1.1 创建输入流,读取本地文件
BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(new FileInputStream("test.jpg"));
// 1.2 创建输出流,写到服务端
Socket socket = new Socket("localhost", 6666);
BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(socket.getOutputStream());
//2.写出数据.
byte[] b = new byte[1024 * 8 ];
int len ;
while (( len = bis.read(b))!=‐1) {
bos.write(b, 0, len);
bos.flush();
}
System.out.println("文件发送完毕");
// 3.释放资源
bos.close();
socket.close();
bis.close();
System.out.println("文件上传完毕 ");
}
}
3.3、文件上传优化分析
3.3.1、文件名称写死的问题
服务端，保存文件的名称如果写死，那么最终导致服务器硬盘，只会保留一个文件，建议使用系统时间优化，保证文件名称唯一，代码如下：
FileOutputStream fis = new FileOutputStream(System.currentTimeMillis()+".jpg") // 文件名称
BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(fis);
3.3.2、循环接收的问题
服务端，指保存一个文件就关闭了，之后的用户无法再上传，这是不符合实际的，使用循环改进，可以不断的接收不同用户的文件，代码如下：
// 每次接收新的连接,创建一个Socket
while（true）{
Socket accept = serverSocket.accept();
......
}
3.3.3、效率问题
服务端，在接收大文件时，可能耗费几秒钟的时间，此时不能接收其他用户上传，所以，使用多线程技术优化，代码如下：
while（true）{
Socket accept = serverSocket.accept();
// accept 交给子线程处理.
new Thread(() ‐> {
......
InputStream bis = accept.getInputStream();
......
}).start();
}
3.3.4、优化实现
public class FileUpload_Server {
public static void main(String[] args) throws IOException {
System.out.println("服务器 启动..... ");
// 1. 创建服务端ServerSocket
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(6666);
// 2. 循环接收,建立连接
while (true) {
Socket accept = serverSocket.accept();
/*
3. socket对象交给子线程处理,进行读写操作
Runnable接口中,只有一个run方法,使用lambda表达式简化格式
*/
new Thread(() ‐> {
try (
//3.1 获取输入流对象
BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(accept.getInputStream());
//3.2 创建输出流对象, 保存到本地 .
FileOutputStream fis = new FileOutputStream(System.currentTimeMillis() +
".jpg");
BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(fis);) {
// 3.3 读写数据
byte[] b = new byte[1024 * 8];
int len;
while ((len = bis.read(b)) != ‐1) {
bos.write(b, 0, len);
}
//4. 关闭 资源
bos.close();
bis.close();
accept.close();
System.out.println("文件上传已保存");
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}).start();
}
}
}
3.4、信息回写分析图解
前四步与基本文件上传一致。
- 【服务端】获取输出流，回写数据。
- 【客户端】获取输入流，解析回写数据。
3.4.1、回写实现
public class FileUpload_Server {
public static void main(String[] args) throws IOException {
System.out.println("服务器 启动..... ");
// 1. 创建服务端ServerSocket
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(6666);
// 2. 循环接收,建立连接
while (true) {
Socket accept = serverSocket.accept();
/*
3. socket对象交给子线程处理,进行读写操作
Runnable接口中,只有一个run方法,使用lambda表达式简化格式
*/
new Thread(() ‐> {
try (
//3.1 获取输入流对象
BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(accept.getInputStream());
//3.2 创建输出流对象, 保存到本地 .
FileOutputStream fis = new FileOutputStream(System.currentTimeMillis() +
".jpg");
BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(fis);
) {
// 3.3 读写数据
byte[] b = new byte[1024 * 8];
int len;
while ((len = bis.read(b)) != ‐1) {
bos.write(b, 0, len);
}
// 4.=======信息回写===========================
System.out.println("back ........");
OutputStream out = accept.getOutputStream();
out.write("上传成功".getBytes());
out.close();
//================================
//5. 关闭 资源
bos.close();
bis.close();
accept.close();
System.out.println("文件上传已保存");
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}).start();
}
}
}
客户端实现：
public class FileUpload_Client {
public static void main(String[] args) throws IOException {
// 1.创建流对象
// 1.1 创建输入流,读取本地文件
BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(new FileInputStream("test.jpg"));
// 1.2 创建输出流,写到服务端
Socket socket = new Socket("localhost", 6666);
BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(socket.getOutputStream());
//2.写出数据.
byte[] b = new byte[1024 * 8 ];
int len ;
while (( len = bis.read(b))!=‐1) {
bos.write(b, 0, len);
}
// 关闭输出流,通知服务端,写出数据完毕
socket.shutdownOutput();
System.out.println("文件发送完毕");
// 3. =====解析回写============
InputStream in = socket.getInputStream();
byte[] back = new byte[20];
in.read(back);
System.out.println(new String(back));
in.close();
// ============================
// 4.释放资源
socket.close();
bis.close();
}
}