javaUDP数据报套接字编程

偏执的太偏执、 2024-03-17 15:53 36阅读 0赞

## 0.前言 ##

对于UDP协议来说，具有无连接，面向数据报的特征，即每次都是没有建立连接，并且一次发送全部数  
据报，一次接收全部的数据报。  
java中使用UDP协议通信，主要基于 DatagramSocket 类来创建数据报套接字，并使用  
DatagramPacket 作为发送或接收的UDP数据报。对于一次发送及接收UDP数据报的流程如下：  
![在这里插入图片描述][27f88493e01b485f8af9eac7af642745.png]以上只是一次发送端的UDP数据报发送，及接收端的数据报接收，并没有返回的数据。也就是只有请  
求，没有响应。对于一个服务端来说，重要的是提供多个客户端的请求处理及响应，流程如下：  
![在这里插入图片描述][ac921d875253499e94f88625f8309bc5.png]

## 1. DatagramSocket API ##

`DatagramSocket` 是UDP Socket，用于发送和接收UDP数据报。

1.  使用这个类，表示一个socket对象，在操作系统中，就把这个socket对象也当做一个文件来处理，相当于是文件描述符表生的一项。
2.  普通的文件，对应的硬件设备是硬盘，socket文件对应的设备是网卡。
3.  一个socket对象只能标记一台主机，所以要和多个主机通信，则需要创建多个socket对象。

`DatagramSocket` 构造方法：  
![在这里插入图片描述][77a9fcf75c68412ea7dc4ec974e22db5.png]所以本质上来说，不是进程与端口建立了联系，而是进程中的socket对象与端口建立了联系。

`DatagramSocke`t 方法：  
![在这里插入图片描述][54fe7f34e0324d1090fcdef307fad851.png]

1.  `void receive(DatagramPacket P)`此处传入的相当于是一个空对象，recieve方法内部，会对参数的这个空对象进行内容填充。从而构造出一个结果数据，就类似与c里面加了&的形参，所以这里的参数也是一个“输出型参数”。
2.  `DatagramPacket P`是一个报文对象  
    本质上套接字也是文件，所以用完也需要关闭

## 2. DatagramPacket API ##

`DatagramPacket`是UDP Socket发送和接收的数据报。

`DatagramPacket` 构造方法  
![在这里插入图片描述][089ba3012f9847268c664a423b9b2416.png]  
\`DatagramPacket 方法：

![在这里插入图片描述][4c63000265b240edaab473e0797f36d0.png]构造UDP发送的数据报时，需要传入 SocketAddress，该对象可以使用 InetSocketAddress 来创建。

## 3. InetSocketAddress API ##

InetSocketAddress （ SocketAddress 的子类 ）构造方法：  
![在这里插入图片描述][36545530d421497a87330c28b2d889ce.png]

## 4.回显服务器 ##

编写一个最简单的UDP版本的客户端服务器程序  
一个最简单的UDP版本的客户端服务器程序，称之为回显服务器。

### 4.1服务器端代码 ###

package network;
    
    import java.io.IOException;
    import java.net.DatagramPacket;
    import java.net.DatagramSocket;
    import java.net.SocketException;
    
    
    public class UDPEchoClient {
        
        //网络编程，本质上是要操作网卡
        //但是网卡不方便直接操作，在操作系统内核中，使用一种特殊的叫做“socket"这样的文件来抽象表示网卡
        //因此，进行网络通信，必须要有socket对象
    
        private DatagramSocket socket = null;
    
        //对于服务器而言，创建socket对象的同时，需要绑定一个具体的端口号
        //服务器一定需要关联上一个具体的端口号，服务器是网络传输中被动的一方，如果是操作系统随机分配的端口号，那么客户端就不知道这个端口是啥，从而无法通信
    
        public UDPEchoClient(int port) throws SocketException {
        
            socket = new DatagramSocket(port);
        }
    
        public void start() throws IOException {
        
            System.out.println("服务器启动");
    
            while(true){
        
    
                //只要有客户端过来就会提供服务，所以用来while循环
           // 1.读取客户端发来的请求
                DatagramPacket  requestPacket = new DatagramPacket(new byte[4096], 4096);
                //receive方法的参数是一个输出型参数，需要先构造一个空包的DatagramPacket对象交给receive去填充。
                socket.receive(requestPacket);
                //此时这个DatagramPacket 是一个特殊的对象，并不方便直接进行处理，可以把这里包含的数据拿出来，构造成一个字符串
                //但是要注意这里getData返回的是一个byte数组，所以要调用String的带byte[]参数的构造方法
                //此外虽然这个数组设置4096个元素，但是实际传输中，4096个元素长度的字节数组不一定会全部占满，所以采用getlength()方法保证实际的有效部分构造成字符串即可
                String request = new String( requestPacket.getData(),0,requestPacket.getLength());
    
                //2.根据请求计算响应，由于此处是回显服务器，响应和请求相同
                String response = process(request);
    
                //3.把响应返回客户端，
                // send的参数也是DatagramPacket ,需要把这个packet对象构造好
                //此处构造的响应对象，不能用空的数组构造了，而是要用响应的结果来构造
                //参数1需要的是一个byte[]数组，那么就调用String里面的getBytes方法，将字符串以字节数组的形式取出
                //参数2需要是构建长度，这里要注意不能写response.length,因为这个求得是字符串长度，我们要的是字节长度，二者可能相同，可能不同，
                // 如果存的是ASCII码里面的字符当然没有用影响，但是如果存的是汉字等差距就很大了，一个汉字是一个字符但是是三个字节（UTF-8）
                //参数3还需要一个地址，一个响应结果的接收地址（也就是ip和端口号），这两个信息本来就在requestPacket中，所以直接调用requestPacket的getAdress方法即可。
                DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(response.getBytes(), response.getBytes().length,requestPacket.getSocketAddress());
                socket.send(responsePacket);
    
            }
        }
    
        //响应请求的具体操作，因为本例子中是回显服务器，所以直接返回就行了
        public String process(String request){
        
            return request;
        }
    }

说明一下

1.  首先`DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(new byte[4096], 4096);`这一句里面，为什么明明已经初始化了byte\[4096\]还有额外增加一个变量表示长度4096.其实是因为请求数据报里面不只有数据，还有其他的比如首部尾部等，我们这里为了方便，就将整个数据报报都作为数据部分，所以后面的长度是4.96，实际应该是小于4.96的
2.  while循环，每循环一次，就处理一次请求-响应，客户端啥时候发请求，服务器端是不知道的，有多少客户端发请求，服务器端也是不知道的。但是socket.recieve()本身就具有阻塞特性，在请求多的时候，会积极响应，但是没有请求的时候，那么recieve(）本身也会阻塞起来，不浪费系统资源。这个就和Scanner也是这样的。
3.  打印请求数据报的地址记得调佣toString方法
4.  对于服务器进程而言，whiel循环啥时候结束呢？答案是服务器程序就是死循环的，因为服务器要随时等待接受请求，都是7\*24小时运行的。

### 4.2客户端代码 ###

package network;
    import java.io.IOException;
    import java.net.*;
    import java.util.Scanner;
    public class UDPEchoClient {
        
        private DatagramSocket socket = null;
        String serverIp = null;
        int serverPort = 0;
        //注意：这里与服务器端的区别在于客户端在构建socket的时候不需要手动指定端口号，交给操作系统随机分配；（一个socket对象对应唯一一个端口号）
        //因为在本例子中，我们客户端和服务器端都在本机上，也是就是ip地址就是本地环回地址127.0.0.1
        public UDPEchoClient(String serverIp,int serverPort) throws SocketException {
        
            socket = new DatagramSocket();
            this.serverIp = serverIp;
            this.serverPort = serverPort;
        }
        public void start() throws IOException {
        
            System.out.println("客户端启动");
            Scanner scanner = new Scanner(System.in);
            while(true){
        
                //从控制台读取要发送的信息
                System.out.println("请输入信息:");
                String request = scanner.next();
                //简单判断一下
                if(request == "exit"){
        
                    System.out.println("请求结束！");
                    return;
                }
                //构造requestpack对象
                //参数1是一个byte类型的数组所以request调用Stringe类里面的getBytes方法，将字符串转变为字节数组
                //要构建字节数组的长度
                //InetAddress.getByName(serverIp)依据名字获取ip地址，ip地址实际上就是一个32位的二进制序列
                DatagramPacket requestPack = new DatagramPacket(request.getBytes(), request.getBytes().length, InetAddress.getByName(serverIp),serverPort);
                socket.send(requestPack);
                //读取服务器的UDP响应
                DatagramPacket responsePackte = new DatagramPacket(new byte[4096], 4096);
                socket.receive(requestPack);
                String response = new String(responsePackte.getData(), 0, responsePackte.getLength());
                //打印响应
                System.out.println(response);
    
            }
        }
        public static void main(String[] args) throws SocketException {
        
            UDPEchoClient client = new UDPEchoClient("127.0.0.1", 9090);
            client.start();
        }
    }

1.  一般来说客户端指定端口号可不可以呢？理论上也是可以的·但是不推荐，这是因为手动指定的端口号可能存在已经被用了造成冲突的情况。
2.  那么为什么服务端指定就不用担心冲突呢？这是因为服务器端大部分的内容都是程序员自己设定的，服务器上的程序都是可控的。但是客户端程序就非常繁杂了，千奇百怪。

### 4.3回显服务器的执行过程 ###

![在这里插入图片描述][3ca1774b17194d65b102ab7202740632.png]

说明一下：

1.  DatagramSocket中的receive究竟是如何阻塞呢？  
    实际上这个的阻塞不是由java实现的，而是由操作系统内核实现，系统对于IO操作本身就有这样的阻塞机制。这个是看java原码是看不来的

执行结果  
服务器端执行结果  
![在这里插入图片描述][85993dd7845b43f289f2053d6ccbcf16.png]  
客户端执行结果  
![在这里插入图片描述][6804686f94d9463abb4f04f9d08258e1.png]

注意：

1.  一定要先启动服务器，再启动客户端。
2.  我们如果在输入一次信息，实际是一个客户端发送了请求两次，并不是两个客户端，最直接的证据就是服务器端返回的信息ip地址和端口号是同一个。  
    ![在这里插入图片描述][698e2ce52fa14341b601aa5391cf373d.png]

![在这里插入图片描述][f04caca1b58845f580aa8caca16a29da.png]

1.  那么我们如何构造多个客户端同时对服务器端进行访问呢？可以使用构建多个线程的方法，一个线程代表一个客户端，这里为了操作方便我们可以直接构建多个进程，每个进程对应一个客户端来实现即可，具体方法如下：  
    在UDPEchoClient进程下点击编辑配置 ![在这里插入图片描述][4ed4ac5b6eb2453a9ba6e042c8150afa.png]点击允许多个实例，即可创建多个实例，也就是每点击一次允许，就会创建一个新的进程作为新的客户端  
    ![在这里插入图片描述][843ad57728894025bb8bb3abcd037ca2.png]**实际效果**  
    第一个客户端  
    ![在这里插入图片描述][79680b5d1a35447da532d4f8a19f14a4.png]

第二个客户端  
![在这里插入图片描述][897b0f6555c546deac58b9b4181e60f7.png]

服务器端  
![在这里插入图片描述][1e3832e68c044fa8b2b0f724e12cdbfc.png]

回显服务器只是用来演示的，并不具有实际的业务能力，那么我们在上述代码的基础上进行调整，增加一定的业务功能，实现一个“查字典”的服务器，具体功能是查一个英文单词的中文意思

## 5.“查字典服务器” ##

代码实例

package network;
    
    import java.io.IOException;
    import java.net.SocketException;
    import java.util.HashMap;
    import java.util.Map;
    
    
    //对于DicSever而言，与EchoSever相比，大部分东西是一样的，所以我们直接继承EchoSever
    
    public class UPDDicServer extends UDPEchoServer {
        
    
        //创建一个字典
        private Map<String,String> dict = new HashMap<>();
    
        //构造函数
        public UPDDicServer(int port) throws SocketException {
        
            super(port);//调用父类构造函数
            //初始化字典
            dict.put("cat","猫");
            dict.put("dog","狗");
            dict.put("hello","你好");
            dict.put("bye","再见");
        }
    
        //主要是“根据请求计算响应这个步骤是不一样的，所以我们直接重写
        @Override
        public String process(String request) {
        
            //查字典的过程
            return dict.getOrDefault(request, "当前单词没有查到结果");
        }
    
        public static void main(String[] args) throws IOException {
        
            UDPEchoServer server = new UPDDicServer(9090);
            server.start();
    
        }
    }

结果  
![在这里插入图片描述][3b8067cdb52849b69a4579efb5784f91.png]  
![在这里插入图片描述][b47761886f9c4b798d07957a667d67b3.png]  
![在这里插入图片描述][e5352a47b1234ab3b9d52d66b1267f1d.png]

不同的服务器，其业务是不同的，但是基本逻辑是一样的，一些更复杂的服务器，process里面可能要运行几万行和几十万行。

### 5.1Address already in use: Cannot bind异常 ###

一个端口号是只能被一个进程所使用的，那么如果端口冲突了会是什么样的情况呢？  
我们先启动UDPEchosever，然后再启动UDPDicsever,那么就出抛出这样的异常  
![在这里插入图片描述][bc66e7b7e01443acab0aa210d45964af.png]

Address already in use: Cannot bind

这个异常需要大家记住，这个异常无论是后续学习中，还是实际工作照片中都会反复出现。

五大类注解有什么关系  
![在这里插入图片描述][2a05c18251474af08841c35f8611a050.png]其实这些注解⾥⾯都有⼀个注解@Component，说明它们本身就是属于@Component 的“⼦类”。

方法注解@bean

[27f88493e01b485f8af9eac7af642745.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/15/fbe93cfab2334d8aad713faf603c2d35.png
[ac921d875253499e94f88625f8309bc5.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/15/f873b17ad94a4ba5962c3c2824cffa04.png
[77a9fcf75c68412ea7dc4ec974e22db5.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/15/7c13613f8c324011a7400c4e557c3bb4.png
[54fe7f34e0324d1090fcdef307fad851.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/15/38a1c686e73f4096b43d7735cde57352.png
[089ba3012f9847268c664a423b9b2416.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/15/42908cc9f53d48a29bd30d33987f969b.png
[4c63000265b240edaab473e0797f36d0.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/15/6b3ffcca6f1e4bcca5e0eb11794dc2d1.png
[36545530d421497a87330c28b2d889ce.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/15/06a059eb4a2241ec8dbff5df03b2a09c.png
[3ca1774b17194d65b102ab7202740632.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/15/e7cc5f93a76843f288846f4fa16e1eb4.png
[85993dd7845b43f289f2053d6ccbcf16.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/15/6043d20777f64f039fc14afed50cfde4.png
[6804686f94d9463abb4f04f9d08258e1.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/15/2e6509dba1be4da0b37a1c499b316733.png
[698e2ce52fa14341b601aa5391cf373d.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/15/c20913c963d74476b08c58236e573bcc.png
[f04caca1b58845f580aa8caca16a29da.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/15/5d69b937cd8c42aa971c17f6e0d9d6c7.png
[4ed4ac5b6eb2453a9ba6e042c8150afa.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/15/05db145e388247c3a171ce4c30237887.png
[843ad57728894025bb8bb3abcd037ca2.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/15/16bf2b86f5d04657bf2b394571432397.png
[79680b5d1a35447da532d4f8a19f14a4.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/15/47ce124aebd4467ea8c2c3a2e97b9c01.png
[897b0f6555c546deac58b9b4181e60f7.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/15/c61716a34c8e45e99cb52b6db17b3e76.png
[1e3832e68c044fa8b2b0f724e12cdbfc.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/15/0d2252ee1f4d4fe0809b0eddc2ffc0d1.png
[3b8067cdb52849b69a4579efb5784f91.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/15/dd01ef327bfd4305b792c00acff1cd2a.png
[b47761886f9c4b798d07957a667d67b3.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/15/85bfb13a80dd412f9cc2bdaaa170850f.png
[e5352a47b1234ab3b9d52d66b1267f1d.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/15/a86743334b90494597e8cf92a1c50577.png
[bc66e7b7e01443acab0aa210d45964af.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/15/070b25fae3d84085894c26f6d960c1e0.png
[2a05c18251474af08841c35f8611a050.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/15/1a882796806d4db5b91381c04a6279eb.png