Java回顾之网络通信
第一篇：Java回顾之I/O
在这篇文章里，我们主要讨论如何使用Java实现网络通信，包括TCP通信、UDP通信、多播以及NIO。
TCP连接
TCP的基础是Socket，在TCP连接中，我们会使用ServerSocket和Socket，当客户端和服务器建立连接以后，剩下的基本就是对I/O的控制了。
我们先来看一个简单的TCP通信，它分为客户端和服务器端。
客户端代码如下：
简单的TCP客户端
1 import java.net.*; 2 import java.io.*; 3 public class SimpleTcpClient { 4 5 public static void main(String[] args) throws IOException 6 { 7 Socket socket = null; 8 BufferedReader br = null; 9 PrintWriter pw = null; 10 BufferedReader brTemp = null; 11 try 12 { 13 socket = new Socket(InetAddress.getLocalHost(), 5678); 14 br = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream())); 15 pw = new PrintWriter(socket.getOutputStream()); 16 brTemp = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in)); 17 while(true) 18 { 19 String line = brTemp.readLine(); 20 pw.println(line); 21 pw.flush(); 22 if (line.equals("end")) break; 23 System.out.println(br.readLine()); 24 } 25 } 26 catch(Exception ex) 27 { 28 System.err.println(ex.getMessage()); 29 } 30 finally 31 { 32 if (socket != null) socket.close(); 33 if (br != null) br.close(); 34 if (brTemp != null) brTemp.close(); 35 if (pw != null) pw.close(); 36 } 37 } 38 }
服务器端代码如下：
简单版本TCP服务器端
1 import java.net.*; 2 import java.io.*; 3 public class SimpleTcpServer { 4 5 public static void main(String[] args) throws IOException 6 { 7 ServerSocket server = null; 8 Socket client = null; 9 BufferedReader br = null; 10 PrintWriter pw = null; 11 try 12 { 13 server = new ServerSocket(5678); 14 client = server.accept(); 15 br = new BufferedReader(new InputStreamReader(client.getInputStream())); 16 pw = new PrintWriter(client.getOutputStream()); 17 while(true) 18 { 19 String line = br.readLine(); 20 pw.println("Response:" + line); 21 pw.flush(); 22 if (line.equals("end")) break; 23 } 24 } 25 catch(Exception ex) 26 { 27 System.err.println(ex.getMessage()); 28 } 29 finally 30 { 31 if (server != null) server.close(); 32 if (client != null) client.close(); 33 if (br != null) br.close(); 34 if (pw != null) pw.close(); 35 } 36 } 37 }
这里的服务器的功能非常简单，它接收客户端发来的消息，然后将消息“原封不动”的返回给客户端。当客户端发送“end”时，通信结束。
上面的代码基本上勾勒了TCP通信过程中，客户端和服务器端的主要框架，我们可以发现，上述的代码中，服务器端在任何时刻，都只能处理来自客户端的一个请求，它是串行处理的，不能并行，这和我们印象里的服务器处理方式不太相同，我们可以为服务器添加多线程，当一个客户端的请求进入后，我们就创建一个线程，来处理对应的请求。
改善后的服务器端代码如下：
多线程版本的TCP服务器端
1 import java.net.*; 2 import java.io.*; 3 public class SmartTcpServer { 4 public static void main(String[] args) throws IOException 5 { 6 ServerSocket server = new ServerSocket(5678); 7 while(true) 8 { 9 Socket client = server.accept(); 10 Thread thread = new ServerThread(client); 11 thread.start(); 12 } 13 } 14 } 15 16 class ServerThread extends Thread 17 { 18 private Socket socket = null; 19 20 public ServerThread(Socket socket) 21 { 22 this.socket = socket; 23 } 24 25 public void run() { 26 BufferedReader br = null; 27 PrintWriter pw = null; 28 try 29 { 30 br = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream())); 31 pw = new PrintWriter(socket.getOutputStream()); 32 while(true) 33 { 34 String line = br.readLine(); 35 pw.println("Response:" + line); 36 pw.flush(); 37 if (line.equals("end")) break; 38 } 39 } 40 catch(Exception ex) 41 { 42 System.err.println(ex.getMessage()); 43 } 44 finally 45 { 46 if (socket != null) 47 try { 48 socket.close(); 49 } catch (IOException e1) { 50 e1.printStackTrace(); 51 } 52 if (br != null) 53 try { 54 br.close(); 55 } catch (IOException e) { 56 e.printStackTrace(); 57 } 58 if (pw != null) pw.close(); 59 } 60 } 61 }
修改后的服务器端，就可以同时处理来自客户端的多个请求了。
在编程的过程中，我们会有“资源”的概念，例如数据库连接就是一个典型的资源，为了提升性能，我们通常不会直接销毁数据库连接，而是使用数据库连接池的方式来对多个数据库连接进行管理，已实现重用的目的。对于Socket连接来说，它也是一种资源，当我们的程序需要大量的Socket连接时，如果每个连接都需要重新建立，那么将会是一件非常没有效率的做法。
和数据库连接池类似，我们也可以设计TCP连接池，这里的思路是我们用一个数组来维持多个Socket连接，另外一个状态数组来描述每个Socket连接是否正在使用，当程序需要Socket连接时，我们遍历状态数组，取出第一个没被使用的Socket连接，如果所有连接都在使用，抛出异常。这是一种很直观简单的“调度策略”，在很多开源或者商业的框架中（Apache/Tomcat），都会有类似的“资源池”。
TCP连接池的代码如下：
一个简单的TCP连接池
1 import java.net.*; 2 import java.io.*; 3 public class TcpConnectionPool { 4 5 private InetAddress address = null; 6 private int port; 7 private Socket[] arrSockets = null; 8 private boolean[] arrStatus = null; 9 private int count; 10 11 public TcpConnectionPool(InetAddress address, int port, int count) 12 { 13 this.address = address; 14 this.port = port; 15 this .count = count; 16 arrSockets = new Socket[count]; 17 arrStatus = new boolean[count]; 18 19 init(); 20 } 21 22 private void init() 23 { 24 try 25 { 26 for (int i = 0; i < count; i++) 27 { 28 arrSockets[i] = new Socket(address.getHostAddress(), port); 29 arrStatus[i] = false; 30 } 31 } 32 catch(Exception ex) 33 { 34 System.err.println(ex.getMessage()); 35 } 36 } 37 38 public Socket getConnection() 39 { 40 if (arrSockets == null) init(); 41 int i = 0; 42 for(i = 0; i < count; i++) 43 { 44 if (arrStatus[i] == false) 45 { 46 arrStatus[i] = true; 47 break; 48 } 49 } 50 if (i == count) throw new RuntimeException("have no connection availiable for now."); 51 52 return arrSockets[i]; 53 } 54 55 public void releaseConnection(Socket socket) 56 { 57 if (arrSockets == null) init(); 58 for (int i = 0; i < count; i++) 59 { 60 if (arrSockets[i] == socket) 61 { 62 arrStatus[i] = false; 63 break; 64 } 65 } 66 } 67 68 public void reBuild() 69 { 70 init(); 71 } 72 73 public void destory() 74 { 75 if (arrSockets == null) return; 76 77 for(int i = 0; i < count; i++) 78 { 79 try 80 { 81 arrSockets[i].close(); 82 } 83 catch(Exception ex) 84 { 85 System.err.println(ex.getMessage()); 86 continue; 87 } 88 } 89 } 90 }
UDP连接
UDP是一种和TCP不同的连接方式，它通常应用在对实时性要求很高，对准确定要求不高的场合，例如在线视频。UDP会有“丢包”的情况发生，在TCP中，如果Server没有启动，Client发消息时，会报出异常，但对UDP来说，不会产生任何异常。
UDP通信使用的两个类时DatagramSocket和DatagramPacket，后者存放了通信的内容。
下面是一个简单的UDP通信例子，同TCP一样，也分为Client和Server两部分，Client端代码如下：
UDP通信客户端
1 import java.net.*; 2 import java.io.*; 3 public class UdpClient { 4 5 public static void main(String[] args) 6 { 7 try 8 { 9 InetAddress host = InetAddress.getLocalHost(); 10 int port = 5678; 11 BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in)); 12 while(true) 13 { 14 String line = br.readLine(); 15 byte[] message = line.getBytes(); 16 DatagramPacket packet = new DatagramPacket(message, message.length, host, port); 17 DatagramSocket socket = new DatagramSocket(); 18 socket.send(packet); 19 socket.close(); 20 if (line.equals("end")) break; 21 } 22 br.close(); 23 } 24 catch(Exception ex) 25 { 26 System.err.println(ex.getMessage()); 27 } 28 } 29 }
Server端代码如下：
UDP通信服务器端
1 import java.net.*; 2 import java.io.*; 3 public class UdpServer { 4 5 public static void main(String[] args) 6 { 7 try 8 { 9 int port = 5678; 10 DatagramSocket dsSocket = new DatagramSocket(port); 11 byte[] buffer = new byte[1024]; 12 DatagramPacket packet = new DatagramPacket(buffer, buffer.length); 13 while(true) 14 { 15 dsSocket.receive(packet); 16 String message = new String(buffer, 0, packet.getLength()); 17 System.out.println(packet.getAddress().getHostName() + ":" + message); 18 if (message.equals("end")) break; 19 packet.setLength(buffer.length); 20 } 21 dsSocket.close(); 22 } 23 catch(Exception ex) 24 { 25 System.err.println(ex.getMessage()); 26 } 27 } 28 }
这里，我们也假设和TCP一样，当Client发出“end”消息时，认为通信结束，但其实这样的设计不是必要的，Client端可以随时断开，并不需要关心Server端状态。
多播（Multicast）
多播采用和UDP类似的方式，它会使用D类IP地址和标准的UDP端口号，D类IP地址是指224.0.0.0到239.255.255.255之间的地址，不包括224.0.0.0。
多播会使用到的类是MulticastSocket，它有两个方法需要关注：joinGroup和leaveGroup。
下面是一个多播的例子，Client端代码如下：
多播通信客户端
1 import java.net.*; 2 import java.io.*; 3 public class MulticastClient { 4 5 public static void main(String[] args) 6 { 7 BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in)); 8 try 9 { 10 InetAddress address = InetAddress.getByName("230.0.0.1"); 11 int port = 5678; 12 while(true) 13 { 14 String line = br.readLine(); 15 byte[] message = line.getBytes(); 16 DatagramPacket packet = new DatagramPacket(message, message.length, address, port); 17 MulticastSocket multicastSocket = new MulticastSocket(); 18 multicastSocket.send(packet); 19 if (line.equals("end")) break; 20 } 21 br.close(); 22 } 23 catch(Exception ex) 24 { 25 System.err.println(ex.getMessage()); 26 } 27 } 28 }
服务器端代码如下：
多播通信服务器端
1 import java.net.*; 2 import java.io.*; 3 public class MulticastServer { 4 5 public static void main(String[] args) 6 { 7 int port = 5678; 8 try 9 { 10 MulticastSocket multicastSocket = new MulticastSocket(port); 11 InetAddress address = InetAddress.getByName("230.0.0.1"); 12 multicastSocket.joinGroup(address); 13 byte[] buffer = new byte[1024]; 14 DatagramPacket packet = new DatagramPacket(buffer, buffer.length); 15 while(true) 16 { 17 multicastSocket.receive(packet); 18 String message = new String(buffer, packet.getLength()); 19 System.out.println(packet.getAddress().getHostName() + ":" + message); 20 if (message.equals("end")) break; 21 packet.setLength(buffer.length); 22 } 23 multicastSocket.close(); 24 } 25 catch(Exception ex) 26 { 27 System.err.println(ex.getMessage()); 28 } 29 } 30 }
NIO（New IO）
NIO是JDK1.4引入的一套新的IO API，它在缓冲区管理、网络通信、文件存取以及字符集操作方面有了新的设计。对于网络通信来说，NIO使用了缓冲区和通道的概念。
下面是一个NIO的例子，和我们上面提到的代码风格有很大的不同。
NIO例子
1 import java.io.*; 2 import java.nio.*; 3 import java.nio.channels.*; 4 import java.nio.charset.*; 5 import java.net.*; 6 public class NewIOSample { 7 8 public static void main(String[] args) 9 { 10 String host="127.0.0.1"; 11 int port = 5678; 12 SocketChannel channel = null; 13 try 14 { 15 InetSocketAddress address = new InetSocketAddress(host,port); 16 Charset charset = Charset.forName("UTF-8"); 17 CharsetDecoder decoder = charset.newDecoder(); 18 CharsetEncoder encoder = charset.newEncoder(); 19 20 ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024); 21 CharBuffer charBuffer = CharBuffer.allocate(1024); 22 23 channel = SocketChannel.open(); 24 channel.connect(address); 25 26 String request = "GET / \r\n\r\n"; 27 channel.write(encoder.encode(CharBuffer.wrap(request))); 28 29 while((channel.read(buffer)) != -1) 30 { 31 buffer.flip(); 32 decoder.decode(buffer, charBuffer, false); 33 charBuffer.flip(); 34 System.out.println(charBuffer); 35 buffer.clear(); 36 charBuffer.clear(); 37 } 38 } 39 catch(Exception ex) 40 { 41 System.err.println(ex.getMessage()); 42 } 43 finally 44 { 45 if (channel != null) 46 try { 47 channel.close(); 48 } catch (IOException e) { 49 // TODO Auto-generated catch block 50 e.printStackTrace(); 51 } 52 } 53 } 54 }
上述代码会试图访问一个本地的网址，然后将其内容打印出来。