javaEE 初阶 — TCP 流套接字编程

朱雀 2023-10-03 23:54 36阅读 0赞

#### 文章目录 ####

*  1. TCP 流套接字
 *   *  1.1 ServerSocket API
     *  1.2 Socket API
     *  1.3 TCP中的长短连接
 *  2. TCP 版本的回显服务器
 *  3. TCP 版本的回显客户端
 *  4. 如何给多个客户端提供服务

## 1. TCP 流套接字 ##

**TCP** 不需要一个类；来表示 “TCP” 数据报。  
**TCP** 不是以数据报为单位进行传输的，而是以字节流的方式进行传输的。

### 1.1 ServerSocket API ###

**ServerSocket** 是专门给服务器使用的 **Socket** 对象。  
  
ServerSocket 构造方法：

*  **ServerSocket(int port)** ：**创建一个服务端流套接字Socket，并绑定到指定端口**

ServerSocket 方法：  
  
![7e88693b17ae483798c97f7491a0152d.png_pic_center][]

### 1.2 Socket API ###

**Socket** 是既会给客户端使用，也会给服务器使用。

不管是客户端还是服务端 Socket，都是双方建立连接以后，保存的对端信息，即用来与对方收发数据的。

Socket 构造方法：  
  
![3beb91c38bb240549ec9a5ba5075e0b5.png_pic_center][]  
  
Socket 方法：

*  **InetAddress getInetAddress()**：**返回套接字所连接的地址**
 *  **InputStream getInputStream()**：**返回此套接字的输入流**
 *  **OutputStream getOutputStream()**：**返回此套接字的输出流**

进一步通过 socket 对象，获取到内部的 流对象，借助流对象来进行发送/接收。

在服务器这边，是由 **accept** 返回的。  
在客户端这边，是由代码构造的。构造的时候指定一个 ip 和 端口号。（此处指定的是服务器的 ip 和 端口）

### 1.3 TCP中的长短连接 ###

TCP发送数据时，需要先建立连接，**什么时候关闭连接就决定是短连接还是长连接：**

**短连接：** 每次接收到数据并返回响应后，都关闭连接，即是短连接。也就是说，短连接**只能一次收发数据**。

**长连接：** 不关闭连接，一直保持连接状态，双方不停的收发数据，即是长连接。也就是说，长连接**可以多次收发数据**。  
  
区别：

*  **建立与关闭的耗时**：短连接每次请求、响应都需要建立连接，关闭连接；而长连接只需要  
    第一次建立连接，之后的请求、响应都可以直接传输。相对来说建立连接，关闭连接也是要耗时  
    的，长连接效率更高。
 *  **主动发送请求不同**：短连接一般是客户端主动向服务端发送请求；而长连接可以是客户端主动发送  
    请求，也可以是服务端主动发。
 *  **两者的使用场景有不同**：短连接适用于客户端请求频率不高的场景，如浏览网页等。长连接适用于  
    客户端与服务端通信频繁的场景，如聊天室，实时游戏等。

## 2. TCP 版本的回显服务器 ##

1、先用 **ServerSocket** 创建一个对象。

private ServerSocket serverSocket = null;

指定一个构造方法来绑定一个**端口**

public TcpEchoServer(int port) throws IOException {
        
        serverSocket = new ServerSocket(port);
    }

创建一个 **start** 方法，通过创建的对象来调用 **accept** 方法（accept 是接收连接）

public void start() throws IOException{
        
        System.out.println("启动服务器！！！");
        while (true) {
        
            //使用 clientSocket 和具体的客户端进行交互
            Socket clientSocket = serverSocket.accept();
        }
    }

**accept** 方法的效果是 “接收连接”，前提是要有客户端来建立连接。

客户端在构造 Socket 对象的时候，就会指定服务器的 IP 和 端口号，如果没有客户端来连接，此时 accept 就会**阻塞**。  
  
  
accept 会返回一个 **Socket 对象**。

Socket clientSocket = serverSocket.accept();

TCP socket 里面涉及到两种 socket 对象  
  
此时的 **clientSocket** 是一个 socket 对象，**serverSocket** 也是一个 socket 对象。  
  
下面来举个例子说明。

比如张三去 4s 店买车，刚进店的时候，店员小王就来接待他，在了解了需求后就把张三汽车介绍的员工那里。  
这个时候小王就把张三带到李四那里，而李四是专门为顾客介绍汽车有哪些特点等等的。  
  
店员小王负责的是具体的买车服务，而李四负责的是引领顾客到指定位置。  
**店员小王**就相当于是 **serverSocket** 对象，**讲解员李四** 就相当于是 **clientSocket** 对象。  
  
  
2、接收到连接后，就可以写一个方法拿 **clientSocket** 与客户端进行交互了。

使用这个方法来处理一个链接，这一个连接对应到一个客户端，但是这里可能会涉及到多次交互。

private void processConnection(Socket cilentSocket) {
        
        System.out.printf("[%s:%d] 客户端上线!\n", cilentSocket.getInetAddress().toString(), cilentSocket.getPort());
     
    }

**cilentSocket.getInetAddress()** 是获取 ip 地址 ，**cilentSocket.getPort()** 是获取端口号。  
  
  
接下来就可以基于上述 socket 对象和客户端进行通信了。

先用 try catch 拿到 **InputStream** 和 **OutputStream**。

try (InputStream inputStream = cilentSocket.getInputStream();
             OutputStream outputStream = cilentSocket.getOutputStream()){
        
         
        } catch (IOException e) {
        
            e.printStackTrace();
        }

接下来读取请求。

Scanner scanner = new Scanner(inputStream);
    if (!scanner.hasNext()) {
        
       // 没有下个数据说明读完了（也就是客户端关闭连接）
       System.out.printf("[%s:%d] 客户端下线！\n", cilentSocket.getInetAddress().toString(),
               cilentSocket.getPort());
       break;
    }
    // 
    String request = scanner.next();

注意此处使用的 next 是一直读取到换行符/空格/其他空白符结束，但是最终返回结果里不包含上述空白符。  
  
  
根据请求构造响应  
  
调用 **process** 来构造请求，**response** 来接收返回的 request。

String response = process(request);

public String process(String request) {
        
         return request;
     }

返回响应结果  
  
**OutputStream** 没有 **write** 字符串这样的功能，可以把 字符串里的字节数组拿出来进行写入，也可以用字符流转换一下。

PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream);
    // 此时使用 println 来进行写入，让结果中带有一个 \n 换行，方便对端来进行接收解析
    printWriter.println(response);

要使用 **flush** 用来刷新缓冲区，保证当前写入的数据确实是发送出去了。

printWriter.flush();

打印一下日志

System.out.printf("[%s:%d] rep: %s; resp: %s \n", cilentSocket.getInetAddress().toString(),
            cilentSocket.getPort(), request, response);

这个代码中用到了一个 **cilentSocket** ，此时任意一个客户端连上来，都会返回/创建一个 **Socket** 对象。（ Socket 就是文件）

Socket clientSocket = serverSocket.accept();
     processConnection(clientSocket);

每次创建一个 cilentSocket 对象，就要占用一个文件描述符表的位置。  
因此在使用完毕之后，就需要进行释放。  
  
前面的 socket 都没有释放，一方面这些 socket 生命周期更长（跟随这个程序），另一方面这些 socket 也不多，数量是固定的。  
但是此处的 cilentSocket 数量多，每个客户端都有一个，生命周期也更短。  
  
  
调用 close 来关闭，并且将 close 放到 **finally** 里面，保证一定能执行到。

finally {
        
      try {
        
          // 将 close 放到 finally 里面，保证一定能执行到
          cilentSocket.close();
      }catch (IOException e) {
        
          e.printStackTrace();
      }
    }

完整代码

package network;
    
    import java.io.*;
    import java.net.ServerSocket;
    import java.net.Socket;
    import java.util.Scanner;
    
    public class TcpEchoServer {
        
    
        private ServerSocket serverSocket = null;
    
        public TcpEchoServer(int port) throws IOException {
        
            serverSocket = new ServerSocket(port);
        }
    
        public void start() throws IOException{
        
            System.out.println("启动服务器！！！");
            while (true) {
        
                //使用 clientSocket 和具体的客户端进行交互
                Socket clientSocket = serverSocket.accept();
                processConnection(clientSocket);
            }
        }
    
        // 使用这个方法来处理一个链接
        // 这一个连接对应到一个客户端，但是这里可能会涉及到多次交互
        private void processConnection(Socket cilentSocket) {
        
            System.out.printf("[%s:%d] 客户端上线!\n", cilentSocket.getInetAddress().toString(), cilentSocket.getPort());
            // 基于上述 socket 对象和客户端进行通信
            try (InputStream inputStream = cilentSocket.getInputStream();
                 OutputStream outputStream = cilentSocket.getOutputStream()){
        
                // 由于要处理多个请求和响应，也是使用循环来进行
                while (true) {
        
                    // 1.读取请求
                    Scanner scanner = new Scanner(inputStream);
                    if (!scanner.hasNext()) {
        
                        // 没有下个数据说明读完了（也就是客户端关闭连接）
                        System.out.printf("[%s:%d] 客户端下线！\n", cilentSocket.getInetAddress().toString(),
                                cilentSocket.getPort());
                        break;
                    }
                    // 注意此处使用的 next 是一直读取到换行符/空格/其他空白符结束，但是最终返回结果里不包含上述空白符
                    String request = scanner.next();
                    // 2.根据请求构造响应
                    String response = process(request);
                    // 3.返回响应结果
                    // OutputStream 没有 write String 这样的功能，可以把 String 里的字节数组拿出来进行写入，也可以用字符流转换一下
                    PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream);
                    // 此时使用 println 来进行写入，让结果中带有一个 \n 换行，方便对端来进行接收解析
                    printWriter.println(response);
                    // flush 用来刷新缓冲区，保证当前写入的数据确实是发送出去了
                    printWriter.flush();
                    System.out.printf("[%s:%d] rep: %s; resp: %s \n", cilentSocket.getInetAddress().toString(),
                            cilentSocket.getPort(), request, response);
                }
                cilentSocket.close();
            } catch (IOException e) {
        
                e.printStackTrace();
            } finally {
        
                try {
        
                    // 将 close 放到 finally 里面，保证一定能执行到
                    cilentSocket.close();
                }catch (IOException e) {
        
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    
        public String process(String request) {
        
            return request;
        }
    
        public static void main(String[] args) throws IOException{
        
            TcpEchoServer tcpEchoServer = new TcpEchoServer(9090);
            tcpEchoServer.start(); //启动
        }
    }

## 3. TCP 版本的回显客户端 ##

**创建一个 socket 对象**，客户端使用 Socket 来创建。

private Socket socket = null;

这个 socket 对象 和 服务器的 clientSocket 对象不是同一个对象，相当于是电话的两端。  
  
  
**指定一个构造方法来绑定 ip 和 端口**

public TcpEchoClient(String serverIp, int serverPort) throws IOException {
        
        // Socket 构造方法，能够识别点分十进制式的 ip 地址，比 DatagramPacket 更方便
        // new 这个对象的同时，就会进行 TCP 连接操作
        socket = new Socket(serverIp, serverPort);
    }

这里绑定的是服务器的 ip 和 端口。  
  
  
**写一个 start 方法来启动客户端**

1、先从键盘上获取用户输入的内容

Scanner scanner = new Scanner(System.in);
    String request = scanner.next();
    if (request.equals("exit")) {
        
       System.out.println("goodbye");
       break;
    }

2、把读到的内容构造成请求，发送给服务器

因为 **socket** 里面包含了一个**输入流**和一个**输出流**，借助 **输出流来发送**，借助**输入流来接收**。  
所以要把这两个流对象准备好，在 while 循环的外面套上一层 **try catch**。

try (InputStream inputStream = socket.getInputStream();
         OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()){
        
        while (true) {
        
                   
        }
    } catch (IOException e) {
        
        e.printStackTrace();
    }

由于 **OutputStream** 没有写字符串这样的功能，可以拿一个 **PrintWriter** 类来把它包装一下。

PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream);
     printWriter.println(request); //直接打印

刷新缓冲区，保证数据确实发送出去了。

printWriter.flush();

3、使用 inputStream 读取服务器的响应

Scanner respScanner = new Scanner(inputStream);
    String reaponse = respScanner.next();

4、把响应内容显示到界面上

System.out.println(reaponse);

客户端 和 服务器 用到的 API 差不多，只是执行的流程不太一样。  
服务器 是先接收再发送，客户端 是先发送再接收。  
  
完整代码

package network;
    
    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 {
        
        private Socket socket = null;
    
        public TcpEchoClient(String serverIp, int serverPort) throws IOException {
        
            // Socket 构造方法，能够识别点分十进制式的 ip 地址，比 DatagramPacket 更方便
            // new 这个对象的同时，就会进行 TCP 连接操作
            socket = new Socket(serverIp, serverPort);
        }
    
        public void start() {
        
            System.out.println("客户端启动！！！");
            Scanner scanner = new Scanner(System.in);
            try (InputStream inputStream = socket.getInputStream();
                 OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()){
        
                while (true) {
        
                    System.out.print("> ");
                    // 1.先从键盘上获取用户输入的内容
                    String request = scanner.next();
                    if (request.equals("exit")) {
        
                        System.out.println("goodbye");
                        break;
                    }
    
                    // 2.把读到的内容构造成请求，发送给服务器
                    // OutputStream 没有写字符串这样的功能，可以拿一个 PrintWriter 类来把它包装一下
                    PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream);
                    printWriter.println(request); //直接打印
                    printWriter.flush(); // 刷新缓冲区，保证数据确实发送出去了
    
                    // 3.读取服务器的响应
                    Scanner respScanner = new Scanner(inputStream);
                    String reaponse = respScanner.next();
    
                    // 4.把响应内容显示到界面上
                    System.out.println(reaponse);
                }
            } catch (IOException e) {
        
                e.printStackTrace();
            }
        }
    
        public static void main(String[] args) throws IOException{
        
            TcpEchoClient tcpEchoClient = new TcpEchoClient("127.0.0.1", 9090);
            tcpEchoClient.start();
        }
    }

运行结果  
  
先运行服务器  
  
![a8e25dbcb70143d8998152b8c2979f5d.png_pic_center][]  
  
再运行客户端。  
  
![22e72254fcbb4f7b828326c754e423f2.png_pic_center][]

printWriter.println(response);
     printWriter.println(request);

当前的代码里面使用的是 println 来进行发送数据的，而 println 会在发送的数据后面自动加上 \\n 换行。  
如果不使用 prinln 而是使用 print （不带换行的），这个代码是否可以正常运行？？？

当前的代码。没有 \\n 肯定是不行的！！！

**TCP 协议**是面向字节流的协议，（字节流的特性：一次读多少个字节随意）但是接收方如何知道这一次读了多少个字节呢？？？

这就需要在传输数据的时候进行明确的约定，此处的代码中隐式约定了使用 \\n 来作为当前的请求/响应分割约定。  
  
\\

## 4. 如何给多个客户端提供服务 ##

当前的服务器，同一时刻只能给一个客户端提供服务，显然这是不科学的。  
  
  
当前启动服务器后，先启动 客户端1，可以看到正常的上线提醒。  
  
![39aa044d2cd84e03a9df154564cf6ec6.png_pic_center][]  
  
![d0a1ba4712fa4a1292b56729a216c772.png_pic_center][]  
  
  
如果再启动 客户端2 就看不到任何提示了。  
  
![7f13c0eb00504653b81f31921ecf7a18.png_pic_center][]  
  
![7c8d1aa89ad6422cbb512575583a94c2.png_pic_center][]  
可以看到不仅没有提示 客户端2 上线，而且 客户端2 发送消息后也没有任何提示。  
  
  
当把 客户端1 退出后就一切正常了。  
  
![9f86036d734143c089d4f03e5adabd58.png_pic_center][]  
  
![b4b4e7376a2f46888dcbe2f887ae4d65.png_pic_center][]  
  
而且此时的 客户端2 可以发送消息了。  
  
![edc409c9bae949b18ef689ecd81b7f11.png_pic_center][]  
  
![0a623332cbb34e978231274c65e384e5.png_pic_center][]  
  
  
当有客户端脸上服务器之后，代码就执行到了这个 **processConnection** 方法里的循环中了。  
此时意味着，只要这个循环不结束，**processConnection** 方法就结束不了，进一步也就无法第二次调用到 **accept**方法。

也就不能给多个线程提供服务。  
  
解决办法就是：**使用多线程**。  
**主线程**负责进行 **accept**，每次收到一个连接，就创建新线程，有这个新线程负责处理这个新的客户端。  
  
每个线程都是独立的执行流，每个独立的执行流都是各自执行各自的逻辑，彼此之间是并发的关系。  
不会说这边阻塞，会影响到另一边的执行。

创建一个线程，在这个线程里面调用 **processConnection** 方法。

// 创建一个线程
    Thread thread = new Thread(() ->{
        
        processConnection(clientSocket);
    });

如果此时的客户端比较多，创建和销毁线程就会比较频繁，此时建议使用**线程池**

先创建一个 线程池，再将 **processConnection** 方法的调用放到线程池中。

// 此处使用 newCachedThreadPool 而不使用 FixedThreadPool，因为创建的线程数量不太应该是是固定的。
    ExecutorService threadPool = Executors.newCachedThreadPool();
    // 线程池版本
    threadPool.submit(() -> {
        
        processConnection(clientSocket);
    });

![f10bcf4066c24e4d9bdd9605cde3d2ad.png_pic_center][]  
  
根据代码的结果就可以看到此时就可以支持服务多个客户端了。

[7e88693b17ae483798c97f7491a0152d.png_pic_center]: https://img-blog.csdnimg.cn/7e88693b17ae483798c97f7491a0152d.png#pic_center
[3beb91c38bb240549ec9a5ba5075e0b5.png_pic_center]: https://img-blog.csdnimg.cn/3beb91c38bb240549ec9a5ba5075e0b5.png#pic_center
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[7f13c0eb00504653b81f31921ecf7a18.png_pic_center]: https://img-blog.csdnimg.cn/7f13c0eb00504653b81f31921ecf7a18.png#pic_center
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