【JavaEE初阶】 TCP服务器与客户端的搭建

忘是亡心i 2024-04-17 10:34 26阅读 0赞

#### 文章目录 ####

*  ?前言
 *  ?ServerSocket API
 *  ?Socket API
 *  ?TCP中的长短连接
 *  ?建立TCP回显客户端与服务器
 *   *  ?TCP搭建服务器
     *  ?TCP搭建客户端
     *  ?通信过程展示：
 *  ?多个客户端对一个服务器
 *   *  ?拓展（IO多路复用/IO多路转接）
 *  ⭕总结

## ?前言 ##

TCP服务器与客户端的搭建需要借助以下API

TCP之间通信通过流进行传输，无论是服务器还是客户端：读取内容用输入流，写入内容用输出流

## ?ServerSocket API ##

ServerSocket 是创建TCP服务端Socket的API。

***ServerSocket 构造方法***：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>方法签名</th> 
   <th>方法说明</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>ServerSocket(int port)</td> 
   <td>创建一个服务端流套接字Socket，并绑定到指定端口</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

***ServerSocket 方法***：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>方法签名</th> 
   <th>方法说明</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>Socket accept()</td> 
   <td>开始监听指定端口（创建时绑定的端口），有客户端连接后，返回一个服务端Socket对象，并基于该Socket建立与客户端的连接，否则阻塞等待</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>void close()</td> 
   <td>关闭此套接字</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

## ?Socket API ##

Socket 是客户端Socket，或服务端中接收到客户端建立连接（accept方法）的请求后，返回的服务端Socket。

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，及用来与对方收发数据的。

***Socket 构造方法***：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>方法签名</th> 
   <th>方法说明</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>Socket(String host, intport)</td> 
   <td>创建一个客户端流套接字Socket，并与对应IP的主机上，对应端口的进程建立连接</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

***Socket 方法***：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>方法签名</th> 
   <th>方法说明</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>InetAddress getInetAddress()</td> 
   <td>返回套接字所连接的地址</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>InputStream getInputStream()</td> 
   <td>返回此套接字的输入流</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>OutputStream getOutputStream()</td> 
   <td>返回此套接字的输出流</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

## ?TCP中的长短连接 ##

博主在前面的博文里面说到，TCP是面向连接的通信方式，TCP发送数据时，需要先建立连接，而这个连接又分为长短连接：

*  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

对比以上长短连接，两者区别如下：

*  建立连接、关闭连接的耗时：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

***拓展***：

*  基于BIO（同步阻塞IO）的长连接会一直占用系统资源。对于并发要求很高的服务端系统来说，这样的消耗是不能承受的。
 *  由于每个连接都需要不停的阻塞等待接收数据，所以每个连接都会在一个线程中运行。一次阻塞等待对应着一次请求、响应，不停处理也就是长连接的特性：一直不关闭连接，不停的处理请求
 *  实际应用时，服务端一般是基于NIO（即同步非阻塞IO）来实现长连接，性能可以极大的提升。

博主下面实现的TCP服务器与客户端属于长连接

## ?建立TCP回显客户端与服务器 ##

什么叫回显客户端与与服务器呢？

其实就是：客户端向服务端发送请求，一般来说我们的服务端会对我们发送的请求进行处理，我们这里为了简单，就省略里面的处理过程，只实现将请求重新发回客户端，不做任何处理。

### ?TCP搭建服务器 ###

我们分为以下几步来实现：

1.  创建TcpEchoServer类来表示我们的服务器，并创建ServerSocket对象，初始值为null
2.  在TcpEchoServer的构造方法里进行ServerSocket对象的实例化
3.  用一个start()方法表示启动程序
4.  在该方法内我们首先要使用accept()进行连接，并用Socket对象进行接收
5.  我们再用一个processConnection(Socket clientSocket)方法处理我们的连接

由于我们的TCP传输是以流的形式传播的，所以我们这里用到了读写数据流的方法来进行书写，不会这一部分的小伙伴，可以去看看博主所写[《【JavaEE初阶】 文件内容的读写 —— 数据流》][JavaEE_ _ _]进行查看学习

接下来我们书写这个processConnection(Socket clientSocket)方法

1.  读取请求，构造输入流的Scanner，并判断后面如果没有数据就关闭连接
2.  然后我们将读取的数据交给我们的 response()构造响应
3.  响应后的数据写入该套接字的输出流中，最后flush()，进行刷新，确保写入

为了释放资源，我们每一次交互完毕都需要对我们的套接字进行关闭，这里我们使用fially来进行处理

代码实现如下：

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 {
        
        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");
            Socket socket = serverSocket.accept();
    
            processConnection(socket);
        }
    
        // 使用这个方法来处理一个连接.
        // 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 clientSocket) {
        
            System.out.printf("[%s:%d] 客户端上线!\n", clientSocket.getInetAddress().toString(), clientSocket.getPort());
            // 基于上述 socket 对象和客户端进行通信
            try (InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream();
                 OutputStream outputStream = clientSocket.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. (客户端关闭了连接)
                        System.out.printf("[%s:%d] 客户端下线! \n", clientSocket.getInetAddress().toString(), clientSocket.getPort());
                        break;
                    }
                    // 注意!! 此处使用 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;
                    //    也可以用字符流来转换一下.
                    PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream);
                    // 此处使用 println 来写入. 让结果中带有一个 \n 换行. 方便对端来接收解析.
                    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] req: %s; resp: %s \n", clientSocket.getInetAddress().toString(), clientSocket.getPort(),
                            request, response);
                }
            } catch (IOException e) {
        
                e.printStackTrace();
            } finally {
        
                // 更合适的做法, 是把 close 放到 finally 里面, 保证一定能够执行到!!
                try {
        
                	clientSocket.close();
                    clientSocket.close();
                } catch (IOException e) {
        
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    
        public String process(String request) {
        
            return request;
        }
    
        public static void main(String[] args) throws IOException {
        
            TcpEchoServer server = new TcpEchoServer(9090);
            server.start();
        }
    }

服务端启动展示  
![在这里插入图片描述][75a2c2d525fa4d7290fb7324c84d78e1.png]

### ?TCP搭建客户端 ###

搭建客户端我们也可以分为以下几步：

1.  创建TcpEchoClient类表示我们的客户端，创建Soket对象用于与客户端通信·
2.  再TcpEchoClient构造方法里进行实例化Socket的对象
3.  创建start()方法用于我们的操作
4.  读取键盘所要输入的数据
5.  将所读的数据通过输出流进行写入
6.  读取响应的输入流，进行打印
7.  main函数中进行启动

代码实现如下：

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 点分十进制格式的 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) {
        
                    // 1. 先从键盘上读取用户输入的内容
                    System.out.print("> ");
                    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.
                    PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream);
                    printWriter.println(request);
                    // 此处加上 flush 保证数据确实发送出去了.
                    printWriter.flush();
                    // 3. 读取服务器的响应
                    Scanner respScanner = new Scanner(inputStream);
                    String response = respScanner.next();
                    // 4. 把响应内容显示到界面上
                    System.out.println(response);
                }
            } catch (IOException e) {
        
                e.printStackTrace();
            }
        }
    
        public static void main(String[] args) throws IOException {
        
            TcpEchoClient client = new TcpEchoClient("127.0.0.1", 9090);
            client.start();
        }
    }

客户端启动展示：  
![在这里插入图片描述][765c3b9a121c44cd81ee078683cb4a86.png]

### ?通信过程展示： ###

![在这里插入图片描述][0f75b0f8de9a4cbc9abe8aebd2ee2d7b.png]  
![在这里插入图片描述][0dbe7e03374247c99bca284c52704989.png]

## ?多个客户端对一个服务器 ##

在博主写的[【JavaEE初阶】 UDP服务器与客户端的搭建][JavaEE_ UDP]中多个客户端面对一个服务器的时候，我们只需要进行设置以下即可，但是了，在我们上述写的TCP代码中是不可行的，就算可以启动，但是后续的客户端会出现阻塞，并不会执行相应响应

这是因为这里是可连接的，当一个客户端与服务器进行建立后，后面的线程就只能等待。

> 就相当于你正在和你的女朋友打电话，这时候你兄弟打电话来了，你就只能让你兄弟先等着，等你和你女朋友打完电话后，才可以接你兄弟的电话

那我们的解决方法是什么呢？

这里用的解决方法是对服务器用多线程进行处理，使得服务器可以和多台客户端进行通信。由于我们在实际开发环境中客户端非常的多，而我们频繁创建销毁线程会增加开销，所以我们这里有用了一个线程池来实现

对上述服务器修改的代码如下：

public void start() throws IOException {
        
            System.out.println("启动服务器");
            // 此处使用 CachedThreadPool, 使用 FixedThreadPool 不太合适 (线程数不太应该是有固定的....)
            ExecutorService threadPool = Executors.newCachedThreadPool();
            while (true) {
        
                // 使用这个 clientSocket 和具体的客户端进行交流.
                Socket clientSocket = serverSocket.accept();
                // 此处使用多线程来处理.
                // 这里的多线程版本的程序, 最大的问题就是可能会涉及到频繁申请释放线程.
    //            Thread t = new Thread(() -> {
        
    //                processConnection(clientSocket);
    //            });
    //            t.start();
    
                // 使用线程池.
                threadPool.submit(() -> {
        
                    processConnection(clientSocket);
                });
            }
        }

### ?拓展（IO多路复用/IO多路转接） ###

上述代码解决了多个客户端与一个服务器通信的问题，但是呢，在实际应用中，要是客户端太多，且客户端都不退出通信，这时候服务器被占满了，后续就无法处理个更多客户端

这时候呢，有两种解决方法：

1.  增加服务器的数量

但是呢，这种方法虽然好，但是缺点是需要钱来购买服务器

1.  所以我们一般采用另一种更省钱的做法，这时候操作系统就提供了一种API，也就是IO多路复用/IO多路转接

简单理解就是客户端在进行IO操作时可能有很多的空闲时间，这时候该线程处于空闲的状态，这时候就可以让该线程去做一些其他的操作，等空闲时间一过，又立即回来继续执行

这样即省钱，又可以容纳更多的客户端进行通信。这里博主只是扩展一下哎，所以就不做过多赘述了。

## ⭕总结 ##

关于《【JavaEE初阶】 TCP服务器与客户端的搭建》就讲解到这儿，感谢大家的支持，欢迎各位留言交流以及批评指正，如果文章对您有帮助或者觉得作者写的还不错可以点一下关注，点赞，收藏支持一下！

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