详细讲解 —— 网络编程套接字（Java EE初阶）

1 认识网络编程套接字

网络编程套接字，是操作系统给应用程序提供的一组 API （叫做 socket API）。
这里的 socket 可以认为是应用层 和 传输层之间的通信桥梁。
传输层的核心协议有两种，一种是 TCP， 另一种是 UDP，socket API也对应有两组。由于UDP 和 TCP 协议差异很大，所以这两组 API 的差异也大。

两种套接字的直接区别：
TCP —— 有链接，可靠传输，面向字节流，全双工。
UDP —— 无连接，不可靠传输，面向字节报，全双工。

有链接 和 无连接
有链接 —— 就像打电话，我们需要先接通，然后，我们才能进行通话。
无连接 —— 就像我们微信发消息，不需要先接通，可以直接发送过去。

可靠传输 和 不可靠传输
可靠传输 —— 知道自己发的信息，对方有没有收到，就像打电话，我们知道对方有没有收到信息。
不可靠传输 —— 不知道自己发的信息，对方有没有接收到，就像是发消息，虽然我们的消息发出去了，但是我们并不知道对方有没有接收到

面向字节流 和 面向字节报
面向字节流 —— 一个字节一个字节的传输数据。
面向数据报 —— 以数据报为单位传输（其中的数据报长度由我们自己定义）。

全双工 和 半双工
全双工 —— 一条链路双向通信。
半双工 —— 一条链路单向通信。

下面我们主要介绍 UDP 和 TCP 这两个协议。

2 UDP 数据报套接字编程

UDP 有两个核心的类，一个是 DatagramSocket ，另一个是 DatagramPacket 。

DatagramSocket

这是 UDP 版本的 Socket 对象，代表着操作系统中的一个 socket 文件，是网卡硬件设备抽象体现。
其中有几个方法：receive()接收数据，send()发送数据，close()释放资源。

DatagramPacket

表示一个 UDP 数据报（用来封装数据）。
每次发送/接收数据，都是在传输一个 DatagramPacket 对象。

举例：实现一个最简单的客户端服务器程序，回显服务（请求是什么，响应就是什么）。

2.1 UPD服务端

1. 创建一个 DatagramSocket 对象，并手动定义一个服务器端口号。
2. 接收（receive 函数）客户端传来的数据报，创建一个空的数据报来接收。
3. 根据客户端的请求，服务器做出响应。
4. 把服务器的响应，返回（send 函数）到客户端。

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

//源 IP：本机 IP
//源端口：服务器绑定的端口
//目的 IP：客户端的 IP
//目的端口：客户端的端口号
//协议类型：UDP
public class UdpEchoServer {
    //网络编程的基础要有一个socket对象。
    private DatagramSocket socket = null;

    //在初始化的时候，要给服务器定义一个端口号，我们只有知道了这个端口号，才能从客户端发来请求。
    public UdpEchoServer(int port) throws SocketException {
        //创建一个带有端口号的socket对象。
        socket = new DatagramSocket(port);
    }

    public void start() throws IOException {
        System.out.println("启动服务器！！！");
        while(true){
            //因为UDP接收的是一个数据报，所以我们要先定义一个空的数据报，来接收数据。
            DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(new byte[1024], 1024);
            //其中的requestPacket是一个输出型参数，这个参数可以带出来数据，这个数据就是客户端传来的数据
            socket.receive(requestPacket);
            //先把数据报转换成字符串，为了方便处理
            String request = new String(requestPacket.getData(), 0,requestPacket.getLength(), "UTF-8");
            //使用process函数来实现服务器根据请求，来生成响应。
            String response = process(request);
            //因为UDP传输的是一个数据报，所以要生成一个要传输出去的数据报，其中包含了响应的IP和地端口号。
            DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(request.getBytes(), request.getBytes().length,
                    requestPacket.getSocketAddress());
            //响应客户端的请求。
            socket.send(responsePacket);
            System.out.printf("[%s,%d], request:%s, response:%s\n",
                    requestPacket.getAddress(), requestPacket.getPort(),request,response);
        }
    }

    //这里我们实现的是一个回显效果，就是接收什么，响应什么。
    private String process(String request) {
        return request;
    }

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

2.1 UDP客户端

1. 创建 DatagramSocket 对象，网络编程的基础，客户端不需要指定端口号。
2. 发送（send 函数）请求，打包成一个数据报。
3. 接收（receive 函数）服务器传来的响应，要创建一个空的数据报来接收数据。

import java.io.IOException;
import java.net.*;
import java.util.Scanner;

//源 IP：本机 IP
//源端口：系统分配的端口
//目的 IP：服务器的 IP
//目的端口：服务器端口号
//协议类型：UDP

public class UdpEchoClient {
    //网络编程的基础要有一个socket对象。
    private DatagramSocket socket = null;
    private String serverIP;
    private int serverPort;

    //使用构造函数来初始化socket对象，服务器的IP和端口号
    public UdpEchoClient() throws SocketException {
        socket = new DatagramSocket();
        serverIP = "127.0.0.1";
        serverPort = 9090;
    }

    public void start() throws IOException {
        Scanner sc = new Scanner(System.in);
        while(true){
            System.out.print("-> ");
            //输入要传给服务器的内容。
            String request = sc.nextLine();
            //要传给服务器的内容要封装成一个数据报（DatagramPacket），数据报中要有目标地址的IP和端口号
            DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(request.getBytes(), request.getBytes().length,
                    InetAddress.getByName(serverIP), serverPort);
            //传送数据报
            socket.send(requestPacket);
            //接收要用数据报来接收，先构造出数据报
            DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(new byte[1024], 1024);
            //接收服务器传来的数据报
            socket.receive(responsePacket);
            //把数据报中的内容变成字符串
            String response = new String(responsePacket.getData(), 0, responsePacket.getLength(), "UTF-8");
            System.out.printf("request: %s, response: %s\n", request, response);
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        UdpEchoClient client = new UdpEchoClient();
        client.start();
    }
}

2.3 结果测试

3 TCP流套接字编程

TCP API 中，也是涉及到两个核心的类 ServerSocket 类和 Socket 类

1） ServerSocket（专门给TCP服务器用的）使用 accept 方法和客户端建立连接。

2）Socket 既需要给服务器用，也需要给客户端用，TCP协议是面向字节流的，所以不需要有一个数据报类，这里直接用 Socket 中自带的文件来处理。

3.1 TCP服务端

1. 创建 ServerSocket 对象，指定服务器的端口号。
2. 建立连接，建立连接需要使用到 accept函数，这个函数返回 Socket 类型的对象。
3. 从文件中读取客户端的请求。
4. 对客户端的请求做出响应。
5. 对文件进行写入服务器的响应。

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 {
    //创建ServerSocket对象，是为了建立连接和接收客户端所传的信息
    private ServerSocket serverSocket = null;

    //服务器要指定端口号，方便客户端找到服务器
    public TcpEchoServer(int port) throws IOException {
        serverSocket = new ServerSocket(port);
    }

    public void start() throws IOException {
        System.out.println("程序启动!!");
        while(true) {
            //serverSocket 使用 accept 方法建立连接，这个方法会返回客户端的请求信息。
            //用 Socket 这个类来接收客户端的信息
            Socket socket = serverSocket.accept();
            //因为要建立连接，processConnection 方法要执行完，也就是客户端断开链接，才能执行下一个客户端请求。
            //这样就不能同时处理多个客户端的请求了，为了解决这个问题，使用了多线程，每一个线程负责一个客户端。
            Thread thread = new Thread(()->{
                processConnection(socket);
            });
            thread.start();
        }
    }

    private void processConnection(Socket socket) {
        System.out.printf("[%s, %d] 建立建立连接!!", socket.getInetAddress().toString(), socket.getPort());
        //Socket 对象要使用文件来进行操作，每一个对象中都自带有一个文件。
        try(InputStream inputStream = socket.getInputStream()) {
            try(OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()){
                //使用Scanner类，为了简化代码，写起来更加的方便
                Scanner scanner = new Scanner(inputStream);
                while(true){
                    //如果客户端的请求接收完成，就断开链接，退出循环
                    if(!scanner.hasNext()){
                        System.out.printf("[%s, %d] 断开链接!!!", socket.getInetAddress().toString(),socket.getPort());
                        break;
                    }
                    //接收客户端的请求
                    String request = scanner.next();
                    //服务器对客户端的请求，做出响应
                    String response = process(request);
                    //把客服端的响应写入文件中，让客户端接收
                    PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream);
                    printWriter.println(response);
                    //其中的 flush 是刷新缓冲区，为了让客户端及时接收到数据
                    printWriter.flush();
                    System.out.printf("[%s, %d], request:%s, response:%s\n", socket.getInetAddress().toString(),
                            socket.getPort(), request, response);
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }finally {
            try {
                //关闭文件
                socket.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    //服务器根据请求做出响应
    private String process(String request) {
        return request;
    }

    //启动服务器
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        TcpEchoServer server = new TcpEchoServer(9090);
        server.start();
    }
}

3.2 TCP客户端

1. 创建 Socket 对象，并传入服务器的 IP地址 和 端口号。
2. 发送客户端请求。
3. 接收服务器响应。

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 {
    //创建 Socket 对象
    private Socket socket = null;

    //这里传入的是服务器的地址，和端口号，为了能找到服务器
    public TcpEchoClient(String serverIP, int serverPort) throws IOException {
        socket = new Socket(serverIP, serverPort);
    }
    
    public void start(){
        System.out.println("链接建立成功");
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        try(InputStream inputStream = socket.getInputStream()) {
            try(OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()){
                while(true){
                    //客户端发出请求
                    String request = scanner.next();
                    //向文件中写入请求
                    PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream);
                    printWriter.println(request);
                    printWriter.flush();

                    //接收文件中返回来的响应
                    Scanner scanner1 = new Scanner(inputStream);
                    String response = scanner1.next();
                    System.out.printf("request: %s, response: %s\n", request, response);
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    //启动客户端
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        TcpEchoClient tcpEchoClient = new TcpEchoClient("127.0.0.1", 9090);
        tcpEchoClient.start();
    }
}

3.2 运行结果