【Java从入门到大牛】网络编程
本文由 程序喵正在路上 原创，CSDN首发！
系列专栏：Java从入门到大牛
首发时间：2023年11月23日
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目录
- 网络编程
-
- 基本的通信架构
- 网络通信三要素
-
- IP地址
- 端口号
- 协议
- UDP通信-快速入门
- UDP通信-多发多收
- TCP通信-快速入门
- TCP通信-多发多收
- TCP通信-支持与多个客户端同时通信
- TCP通信-综合案例
-
- 即时通信-群聊
- 实现一个简易版的BS架构
- 改进
网络编程
什么是网络编程？
可以让设备中的程序与网络上的其他设备中的程序进行数据交互，也就是实现网络通信
Java的 java.net.* 包下提供了网络编程的解决方案
基本的通信架构
基本的通信架构有两种形式：CS架构（Client客户端/Server服务端）、BS架构（Brower浏览器/Server服务端）
无论是CS架构，还是BS架构的软件都必须依赖网络编程
网络通信三要素
IP地址
- IP（Internet Protocol）：全称 “互联网协议地址”， 是分配给上网设备的唯一标志
- IP地址有两种形式：IPv4、IPv6
IPv4
IPv6
- IPv6：共128位，号称可以为地球每一粒沙子编号
- IPv6分成8段表示，每段每四位编码成一个十六进制位表示，数之间用冒号分开
IP域名
由于IP地址比较难记住，所以有了IP域名，例如 www.baidu.com 等等
公网IP，内网IP
- 公网IP，是可以连接互联网的IP地址；内网IP，也叫局域网IP，只能组织机构内部使用
- 192.168. 开头的就是常见的局域网地址，范围即为 192.168.0.0-192.168.255.255，专门为组织机构内部使用
特殊IP地址
- 127.0.0.1、localhost：代表本机IP，只会寻找当前所在的主机
IP常用命令
- ipconfig：查看本机IP地址
- ping IP地址：检查网络是否连通
InetAddress
- 代表IP地址
InetAddress的常用方法如下
应用
import java.net.InetAddress;
/**
* 目标：掌握InetAddress类的使用
*/
public class InetAddressTest {
public static void main(String[] args) throws Exception {
// 1、获取本机IP地址对象的
InetAddress ip1 = InetAddress.getLocalHost();
System.out.println(ip1.getHostName());
System.out.println(ip1.getHostAddress());
// 2、获取指定IP或者域名的IP地址对象。
InetAddress ip2 = InetAddress.getByName("www.baidu.com");
System.out.println(ip2.getHostName());
System.out.println(ip2.getHostAddress());
// ping www.baidu.com
System.out.println(ip2.isReachable(6000));
}
}
端口号
端口
- 标记正在计算机设备上运行的应用程序的，被规定为一个16位的二进制，范围是0~65535
分类
- 周知端口：0~1023，被预先定义的知名应用占用，如HTTP占用80，FTP占用21
- 注册端口：1024~49151，分配给用户进程或某些应用程序
- 动态端口：49152~65535，之所以被称为动态端口，是因为它一般不固定分配某种进程，而是动态分配
注意：我们自己开发的程序一般选择使用注册端口，且一个设备中不能出现两个程序的端口号一样，否则会出错
协议
通信协议
- 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
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
传输层的两个通信协议
- UDP (User Datagram Protocol)：用户数据报协议； TCP (Transmission Control Protocol) ：传输控制协议
UDP协议
- 特点：无连接、不可靠通信，通信效率高，通常用于语音通话、视频直播等
- 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：面向连接、可靠通信，通信效率相对不高，通常用于网页、文件下载、支付等
- 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
TCP协议：三次握手建立可靠连接
- 可靠连接：确定通信双方，收发消息都是正常无问题的！（全双工）
TCP协议：四次挥手断开连接
- 目的：确保双方数据的收发都已经完成
UDP通信-快速入门
Java提供了一个 java.net.DatagramSocket 类来实现UDP通信
DatagramSocket: 用于创建客户端、服务端
DatagramPacket：创建数据包
实战：使用UDP通信实现发送消息、接收消息
Client.java
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.InetAddress;
/**
* 目标：完成UDP通信快速入门：实现1发1收。
*/
public class Client {
public static void main(String[] args) throws Exception {
// 1、创建客户端对象
DatagramSocket socket = new DatagramSocket();
// 2、创建数据包对象封装要发出去的数据
byte[] bytes = "我是快乐的客户端，我爱你abc".getBytes();
DatagramPacket packet = new DatagramPacket(bytes, bytes.length
, InetAddress.getLocalHost(), 6666);
// 3、开始正式发送这个数据包的数据出去了
socket.send(packet);
System.out.println("客户端数据发送完毕~~~");
socket.close(); // 释放资源！
}
}
Server.java
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
/**
* 目标：完成UDP通信快速入门-服务端开发
*/
public class Server {
public static void main(String[] args) throws Exception {
System.out.println("----服务端启动----");
// 1、创建一个服务端对象,注册端口
DatagramSocket socket = new DatagramSocket(6666);
// 2、创建一个数据包对象，用于接收数据的
byte[] buffer = new byte[1024 * 64]; // 64KB.
DatagramPacket packet = new DatagramPacket(buffer, buffer.length);
// 3、开始正式使用数据包来接收客户端发来的数据
socket.receive(packet);
// 4、从字节数组中，把接收到的数据直接打印出来
// 接收多少就倒出多少
// 获取本次数据包接收了多少数据
int len = packet.getLength();
String rs = new String(buffer, 0 , len);
System.out.println(rs);
System.out.println(packet.getAddress().getHostAddress());
System.out.println(packet.getPort());
socket.close(); // 释放资源
}
}
先启动服务端，再启动客户端
UDP通信-多发多收
客户端可以反复发送数据
- 创建DatagramSocket对象（发送端对象）
- 使用while死循环不断的接收用户的数据输入，如果用户输入的exit则退出程序
- 如果用户输入的不是exit, 把数据封装成DatagramPacket
- 使用DatagramSocket对象的send方法将数据包对象进行发送
- 释放资源
接收端可以反复接收数据
- 创建DatagramSocket对象并指定端口（接收端对象）
- 创建DatagramPacket对象接收数据（数据包对象）
- 使用DatagramSocket对象的receive方法传入DatagramPacket对象
- 使用while死循环不断的进行第3步
Client.java
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.InetAddress;
import java.util.Scanner;
/**
* 目标：完成UDP通信快速入门：实现客户端反复的发
*/
public class Client {
public static void main(String[] args) throws Exception {
// 1、创建客户端对象
DatagramSocket socket = new DatagramSocket();
// 2、创建数据包对象封装要发出去的数据
Scanner sc = new Scanner(System.in);
while (true) {
System.out.println("请说：");
String msg = sc.nextLine();
// 一旦发现用户输入的exit命令，就退出客户端
if("exit".equals(msg)){
System.out.println("欢迎下次光临！退出成功！");
socket.close(); // 释放资源
break; // 跳出死循环
}
byte[] bytes = msg.getBytes();
DatagramPacket packet = new DatagramPacket(bytes, bytes.length
, InetAddress.getLocalHost(), 6666);
// 3、开始正式发送这个数据包的数据出去了
socket.send(packet);
}
}
}
Server.java
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
/**
* 目标：完成UDP通信快速入门-服务端反复的收
*/
public class Server {
public static void main(String[] args) throws Exception {
System.out.println("----服务端启动----");
// 1、创建一个服务端对象
DatagramSocket socket = new DatagramSocket(6666);
// 2、创建一个数据包对象，用于接收数据的
byte[] buffer = new byte[1024 * 64]; // 64KB.
DatagramPacket packet = new DatagramPacket(buffer, buffer.length);
while (true) {
// 3、开始正式使用数据包来接收客户端发来的数据
socket.receive(packet);
// 4、从字节数组中，把接收到的数据直接打印出来
// 接收多少就倒出多少
// 获取本次数据包接收了多少数据
int len = packet.getLength();
String rs = new String(buffer, 0 , len);
System.out.println(rs);
System.out.println(packet.getAddress().getHostAddress());
System.out.println(packet.getPort());
System.out.println("--------------------------------------");
}
}
}
在这个基础上，我们还可以实现多个客户端同时向服务端发送消息
首先，我们需要在IDEA里面修改一下客户端这个程序的配置，让它可以同时运行多个客户端，具体步骤如下
1、在IDEA右上角找到这个，点击进入
2、如图操作，注意是客户端
3、多次执行 Client.java 这个程序，我们就可以得到多个客户端
TCP通信-快速入门
Java提供了一个 java.net.Socket 类来实现TCP通信
TCP通信之客户端开发
- 客户端程序就是通过java.net包下的Socket类来实现的
客户端发送消息
- 创建客户端的Socket对象，请求与服务端的连接
- 使用socket对象调用getOutputStream()方法得到字节输出流
- 使用字节输出流完成数据的发送
- 释放资源：关闭socket管道
Client.java
import java.io.DataOutputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.net.Socket;
/**
* 目标：完成TCP通信快速入门-客户端开发：实现1发1收
*/
public class Client {
public static void main(String[] args) throws Exception {
// 1、创建Socket对象，并同时请求与服务端程序的连接
Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 8888);
// 2、从socket通信管道中得到一个字节输出流，用来发数据给服务端程序
OutputStream os = socket.getOutputStream();
// 3、把低级的字节输出流包装成数据输出流
DataOutputStream dos = new DataOutputStream(os);
// 4、开始写数据出去了
dos.writeUTF("在一起，好吗？");
dos.close();
socket.close(); // 释放连接资源
}
}
TCP通信之服务端程序的开发
- 服务端是通过java.net包下的ServerSocket类来实现的
服务端接收消息
- 创建ServerSocket对象，注册服务端端口
- 调用ServerSocket对象的accept()方法，等待客户端的连接，并得到Socket管道对象
- 通过Socket对象调用getInputStream()方法得到字节输入流、完成数据的接收
- 释放资源：关闭socket管道
Server.java
import java.io.DataInputStream;
import java.io.InputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
/**
* 目标：完成TCP通信快速入门-服务端开发：实现1发1收
*/
public class Server {
public static void main(String[] args) throws Exception {
System.out.println("-----服务端启动成功-------");
// 1、创建ServerSocket的对象，同时为服务端注册端口。
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8888);
// 2、使用serverSocket对象，调用一个accept方法，等待客户端的连接请求
Socket socket = serverSocket.accept();
// 3、从socket通信管道中得到一个字节输入流
InputStream is = socket.getInputStream();
// 4、把原始的字节输入流包装成数据输入流
DataInputStream dis = new DataInputStream(is);
// 5、使用数据输入流读取客户端发送过来的消息
String rs = dis.readUTF();
System.out.println(rs);
// 其实我们也可以获取客户端的IP地址
System.out.println(socket.getRemoteSocketAddress());
dis.close();
socket.close();
}
}
TCP通信-多发多收
使用TCP通信实现：多发多收消息
- 客户端使用死循环，让用户不断输入消息
- 服务端也使用死循环，控制服务端收完消息，继续等待接收下一个消息
Client.java
import java.io.DataOutputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.net.Socket;
import java.util.Scanner;
/**
* 目标：完成TCP通信快速入门-客户端开发：实现客户端可以反复的发消息出去
*/
public class Client {
public static void main(String[] args) throws Exception {
// 1、创建Socket对象，并同时请求与服务端程序的连接。
Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 8888);
// 2、从socket通信管道中得到一个字节输出流，用来发数据给服务端程序
OutputStream os = socket.getOutputStream();
// 3、把低级的字节输出流包装成数据输出流
DataOutputStream dos = new DataOutputStream(os);
Scanner sc = new Scanner(System.in);
while (true) {
System.out.println("请说：");
String msg = sc.nextLine();
// 一旦用户输入了exit，就退出客户端程序
if("exit".equals(msg)){
System.out.println("欢迎您下次光临！退出成功！");
dos.close();
socket.close();
break;
}
// 4、开始写数据出去了
dos.writeUTF(msg);
dos.flush();
}
}
}
Server.java
import java.io.DataInputStream;
import java.io.InputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
/**
* 目标：完成TCP通信快速入门-服务端开发：实现服务端反复发消息
*/
public class Server {
public static void main(String[] args) throws Exception {
System.out.println("-----服务端启动成功-------");
// 1、创建ServerSocket的对象，同时为服务端注册端口。
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8888);
// 2、使用serverSocket对象，调用一个accept方法，等待客户端的连接请求
Socket socket = serverSocket.accept();
// 3、从socket通信管道中得到一个字节输入流
InputStream is = socket.getInputStream();
// 4、把原始的字节输入流包装成数据输入流
DataInputStream dis = new DataInputStream(is);
while (true) {
try {
// 5、使用数据输入流读取客户端发送过来的消息
String rs = dis.readUTF();
System.out.println(rs);
} catch (Exception e) {
System.out.println(socket.getRemoteSocketAddress() + "离线了！");
dis.close();
socket.close();
break;
}
}
}
}
TCP通信-支持与多个客户端同时通信
如果我们像刚才UDP通信那样，同时启动多个客户端，你会发现服务端只能接收到一个客户端发送的消息，那么我们该如何实现服务端与多个客户端同时通信呢
目前我们开发的服务端程序，是不可以与多个客户端同时通信的，因为服务端只有一个主线程，只能处理一个客户端的消息
Client.java 不变
添加一个 ServerReaderThread 线程类，每个线程处理一个客户端
import java.io.DataInputStream;
import java.io.InputStream;
import java.net.Socket;
public class ServerReaderThread extends Thread{
private Socket socket;
public ServerReaderThread(Socket socket){
this.socket = socket;
}
@Override
public void run() {
try {
InputStream is = socket.getInputStream();
DataInputStream dis = new DataInputStream(is);
while (true){
try {
String msg = dis.readUTF();
System.out.println(msg);
} catch (Exception e) {
System.out.println("有人下线了：" + socket.getRemoteSocketAddress());
dis.close();
socket.close();
break;
}
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
Server.java
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
/**
* 目标：完成TCP通信快速入门-服务端开发：要求实现与多个客户端同时通信
*/
public class Server {
public static void main(String[] args) throws Exception {
System.out.println("-----服务端启动成功-------");
// 1、创建ServerSocket的对象，同时为服务端注册端口。
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8888);
while (true) {
// 2、使用serverSocket对象，调用一个accept方法，等待客户端的连接请求
Socket socket = serverSocket.accept();
System.out.println("有人上线了：" + socket.getRemoteSocketAddress());
// 3、把这个客户端对应的socket通信管道，交给一个独立的线程负责处理
new ServerReaderThread(socket).start();
}
}
}
TCP通信-综合案例
即时通信-群聊
什么是群聊？怎么实现？
- 是指一个客户端把消息发出去，其他在线的全部客户端都可以收到消息
- 需要用到端口转发的设计思想
- 服务端需要把在线的Socket管道存起来，一旦收到一个消息要推送给其他管道
TCP通信-端口转发
代码实现
改进 Client.java
import java.io.DataOutputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.net.Socket;
import java.util.Scanner;
/**
* 目标：完成TCP通信快速入门-客户端开发：实现客户端可以反复的发消息出去
*/
public class Client {
public static void main(String[] args) throws Exception {
// 1、创建Socket对象，并同时请求与服务端程序的连接。
Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 8888);
// 改进：创建一个独立的线程，负责随机从socket中接收服务端发送过来的消息
new ClentReaderThread(socket).start();
// 2、从socket通信管道中得到一个字节输出流，用来发数据给服务端程序
OutputStream os = socket.getOutputStream();
// 3、把低级的字节输出流包装成数据输出流
DataOutputStream dos = new DataOutputStream(os);
Scanner sc = new Scanner(System.in);
while (true) {
System.out.println("请说：");
String msg = sc.nextLine();
// 一旦用户输入了exit，就退出客户端程序
if("exit".equals(msg)){
System.out.println("欢迎您下次光临！退出成功！");
dos.close();
socket.close();
break;
}
// 4、开始写数据出去了
dos.writeUTF(msg);
dos.flush();
}
}
}
添加 ClientReaderThread.java
import java.io.DataInputStream;
import java.io.InputStream;
import java.net.Socket;
// 该线程不停接收服务端转发过来的消息并打印，相当于收到群聊里别人的信息
// 思路和服务端接收消息差不多
public class ClentReaderThread extends Thread{
private Socket socket;
public ClentReaderThread(Socket socket){
this.socket = socket;
}
@Override
public void run() {
try {
InputStream is = socket.getInputStream();
DataInputStream dis = new DataInputStream(is);
while (true){
try {
String msg = dis.readUTF();
System.out.println(msg);
} catch (Exception e) {
System.out.println("自己下线了：" + socket.getRemoteSocketAddress());
dis.close();
socket.close();
break;
}
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
改进 Server.java
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
/**
* 目标：完成TCP通信快速入门-服务端开发：要求实现与多个客户端同时通信
*/
public class Server {
// 改进：添加一个集合保存在线的所有客户端，便于转发消息
public static List<Socket> onLineSockets = new ArrayList<>();
public static void main(String[] args) throws Exception {
System.out.println("-----服务端启动成功-------");
// 1、创建ServerSocket的对象，同时为服务端注册端口。
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8888);
while (true) {
// 2、使用serverSocket对象，调用一个accept方法，等待客户端的连接请求
Socket socket = serverSocket.accept();
onLineSockets.add(socket); // 有客户端上线就添加
System.out.println("有人上线了：" + socket.getRemoteSocketAddress());
// 3、把这个客户端对应的socket通信管道，交给一个独立的线程负责处理。
new ServerReaderThread(socket).start();
}
}
}
改进 ServerReaderThread.java
import java.io.*;
import java.net.Socket;
public class ServerReaderThread extends Thread{
private Socket socket;
public ServerReaderThread(Socket socket){
this.socket = socket;
}
@Override
public void run() {
try {
InputStream is = socket.getInputStream();
DataInputStream dis = new DataInputStream(is);
while (true){
try {
String msg = dis.readUTF();
System.out.println(msg);
// 把这个消息分发给全部客户端进行接收。
sendMsgToAll(msg);
} catch (Exception e) {
System.out.println("有人下线了：" + socket.getRemoteSocketAddress());
Server.onLineSockets.remove(socket); // 客户端下线就删除
dis.close();
socket.close();
break;
}
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
// 添加消息转发方法
private void sendMsgToAll(String msg) throws IOException {
// 发送给全部在线的socket管道接收。
for (Socket onLineSocket : Server.onLineSockets) {
OutputStream os = onLineSocket.getOutputStream();
DataOutputStream dos = new DataOutputStream(os);
dos.writeUTF(msg);
dos.flush();
}
}
}
实现一个简易版的BS架构
需求描述
要求从浏览器中访问服务器，并立即让服务器响应一个很简单的网页给浏览器展示
BS架构的基本原理
BS架构的客户端就是浏览器，客户从浏览器访问服务器的方法就是通过网址来访问，一般的格式是 http://服务器IP:服务器端口
注意：服务器必须给浏览器响应HTTP协议规定的数据格式，否则浏览器不会识别返回的数据，也就是说，服务端返回数据不能还是用以前那种打印语句直接打印
HTTP协议规定：响应给浏览器的数据格式必须满足如下格式
需求实现
Server.java，和前面的一样
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
/**
* 目标：完成TCP通信快速入门-服务端开发：要求实现与多个客户端同时通信。
*/
public class Server {
public static void main(String[] args) throws Exception {
System.out.println("-----服务端启动成功-------");
// 1、创建ServerSocket的对象，同时为服务端注册端口。
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080);
while (true) {
// 2、使用serverSocket对象，调用一个accept方法，等待客户端的连接请求
Socket socket = serverSocket.accept();
System.out.println("有人上线了：" + socket.getRemoteSocketAddress());
// 3、把这个客户端对应的socket通信管道，交给一个独立的线程负责处理。
new ServerReaderThread(socket).start();
}
}
}
改进 ServerReaderThread.java
import java.io.OutputStream;
import java.io.PrintStream;
import java.net.Socket;
public class ServerReaderThread extends Thread{
private Socket socket;
public ServerReaderThread(Socket socket){
this.socket = socket;
}
@Override
public void run() {
// 立即响应一个网页内容给浏览器展示。
try {
OutputStream os = socket.getOutputStream();
PrintStream ps = new PrintStream(os);
ps.println("HTTP/1.1 200 OK");
ps.println("Content-Type:text/html;charset=UTF-8");
ps.println(); // 必须换行
ps.println("66666666666");
// 访问完就要关闭
ps.close();
socket.close();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
效果
随便打开一个浏览器，输入网址 127.0.0.1:8080 回车即可，其中 127.0.0.1 代表本机IP，8080 是我们在服务端指定的端口
改进
在上面的程序中，客户端的每次请求都会开一个新的线程，这样做好不好呢？
其实是不好的，当访问人数特别多时，也就是高并发时，就会很容易宕机
很明显，我们都知道要使用线程池来进行优化
优化后的代码
Server.java
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
/**
* 目标：完成TCP通信快速入门-服务端开发：要求实现与多个客户端同时通信。
*/
public class Server {
public static void main(String[] args) throws Exception {
System.out.println("-----服务端启动成功-------");
// 1、创建ServerSocket的对象，同时为服务端注册端口
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080);
// 创建出一个线程池，负责处理通信管道的任务
ThreadPoolExecutor pool = new ThreadPoolExecutor(16 * 2, 16 * 2, 0, TimeUnit.SECONDS,
new ArrayBlockingQueue<>(8), Executors.defaultThreadFactory(),
new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy());
while (true) {
// 2、使用serverSocket对象，调用一个accept方法，等待客户端的连接请求
Socket socket = serverSocket.accept();
// 3、把这个客户端对应的socket通信管道，交给一个独立的线程负责处理
pool.execute(new ServerReaderRunnable(socket));
}
}
}
ServerReaderRunnable.java
import java.io.OutputStream;
import java.io.PrintStream;
import java.net.Socket;
public class ServerReaderRunnable implements Runnable{
private Socket socket;
public ServerReaderRunnable(Socket socket){
this.socket = socket;
}
@Override
public void run() {
// 立即响应一个网页内容给浏览器展示
try {
OutputStream os = socket.getOutputStream();
PrintStream ps = new PrintStream(os);
ps.println("HTTP/1.1 200 OK");
ps.println("Content-Type:text/html;charset=UTF-8");
ps.println(); // 必须换行
ps.println("88888");
ps.close();
socket.close();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
