一篇文章带你了解和使用-网络编程套接字

r囧r小猫 2024-04-23 12:56 61阅读 0赞

**网络编程基础**

为什么需要网络编程? 因为网络上有丰富的网络资源

⽤⼾在浏览器中，打开在线视频⽹站，如优酷看视频，实质是通过⽹络，获取到⽹络上的⼀个视频资源。

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与本地打开视频⽂件类似，只是视频⽂件这个资源的来源是⽹络。  
相⽐本地资源来说，⽹络提供了更为丰富的⽹络资源：

![f46331097a7846cb9b4e3ae66de2a386.png][]

所谓的⽹络资源，其实就是在⽹络中可以获取的各种数据资源。  
⽽所有的⽹络资源，都是通过⽹络编程来进⾏数据传输的。

## 网络编程 ##

什么是网络编程?

⽹络编程，指⽹络上的主机，通过不同的进程，以编程的⽅式实现⽹络通信（或称为⽹络数据传  
输）。

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当然，我们只要满⾜进程不同就⾏；所以即便是同⼀个主机，只要是不同进程，基于⽹络来传输数  
据，也属于⽹络编程。

特殊的，对于开发来说，在条件有限的情况下，⼀般也都是在⼀个主机中运⾏多个进程来完成⽹络编程。

但是，我们⼀定要明确，我们的⽬的是提供⽹络上不同主机，基于⽹络来传输数据资源：  
• 进程A：编程来获取⽹络资源  
• 进程B：编程来提供⽹络资源

### ⽹络编程中的基本概念 ###

**发送端和接收端**  
在⼀次⽹络数据传输时：  
发送端：数据的发送⽅进程，称为发送端。发送端主机即⽹络通信中的源主机。  
接收端：数据的接收⽅进程，称为接收端。接收端主机即⽹络通信中的⽬的主机。  
收发端：发送端和接收端两端，也简称为收发端.

注意：发送端和接收端只是相对的，只是⼀次⽹络数据传输产⽣数据流向后的概念.

**请求和响应**  
⼀般来说，获取⼀个⽹络资源，涉及到两次⽹络数据传输：  
• 第⼀次：请求数据的发送  
• 第⼆次：响应数据的发送。  
好⽐在快餐店点⼀份炒饭：  
先要发起请求：点⼀份炒饭，再有快餐店提供的对应响应：提供⼀份炒饭

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**客⼾端和服务端**

服务端：在常⻅的⽹络数据传输场景下，把提供服务的⼀⽅进程，称为服务端，可以提供对外服务。  
客⼾端：获取服务的⼀⽅进程，称为客⼾端。  
对于服务来说，⼀般是提供:

• 客⼾端获取服务资源

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• 客⼾端保存资源在服务端

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好⽐在银⾏办事：  
• 银⾏提供存款服务：⽤⼾（客⼾端）保存资源（现⾦）在银⾏（服务端）  
• 银⾏提供取款服务：⽤⼾（客⼾端）获取服务端资源（银⾏替⽤⼾保管的现⾦）

**常⻅的客⼾端服务端模型**

最常⻅的场景，客⼾端是指给⽤⼾使⽤的程序，服务端是提供⽤⼾服务的程序：  
1. 客⼾端先发送请求到服务端  
2. 服务端根据请求数据，执⾏相应的业务处理  
3. 服务端返回响应：发送业务处理结果  
4. 客⼾端根据响应数据，展⽰处理结果（展⽰获取的资源，或提⽰保存资源的处理结果）

下面就需要我们的套接字了.

## Scock套接字 ##

**概念**  
Socket套接字，是由系统提供⽤于⽹络通信的技术，是基于TCP/IP协议的⽹络通信的基本操作单元。  
基于Socket套接字的⽹络程序开发就是⽹络编程。

**分类**  
Socket套接字主要针对传输层协议划分为如下三类：  
**流套接字：使⽤传输层TCP协议**  
TCP，即TransmissionControl Protocol（传输控制协议），传输层协议。  
以下为TCP的特点：  
• 有连接  
• 可靠传输  
• ⾯向字节流  
• 有接收缓冲区，也有发送缓冲区  
• ⼤⼩不限  
对于字节流来说，可以简单的理解为，传输数据是基于IO流，流式数据的特征就是在IO流没有关闭的情况下，是⽆边界的数据，可以多次发送，也可以分开多次接收。  
**数据报套接字：使⽤传输层UDP协议**  
UDP，即User Datagram Protocol（⽤⼾数据报协议），传输层协议。  
以下为UDP的特点：  
• ⽆连接  
• 不可靠传输  
• ⾯向数据报  
• 有接收缓冲区，⽆发送缓冲区  
• ⼤⼩受限：⼀次最多传输64k  
对于数据报来说，可以简单的理解为，传输数据是⼀块⼀块的，发送⼀块数据假如100个字节，必须⼀次发送，接收也必须⼀次接收100个字节，⽽不能分100次，每次接收1个字节。

原始套接字

原始套接字⽤于⾃定义传输层协议，⽤于读写内核没有处理的IP协议数据。  
我们不学习原始套接字，简单了解即可

**Java数据报套接字通信模型**

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Java数据报套接字通信模型  
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DatagramPacket 作为发送或接收的UDP数据报。

**Java流套接字通信模型**

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**Socket编程注意事项**

1. 客⼾端和服务端：开发时，经常是基于⼀个主机开启两个进程作为客⼾端和服务端，但真实的场  
景，⼀般都是不同主机。  
2. 注意⽬的IP和⽬的端⼝号，标识了⼀次数据传输时要发送数据的终点主机和进程  
3. Socket编程我们是使⽤流套接字和数据报套接字，基于传输层的TCP或UDP协议，但应⽤层协议，也需要考虑，这块我们在后续来说明如何设计应⽤层协议。  
4. 关于端⼝被占⽤的问题  
5. 如果⼀个进程A已经绑定了⼀个端⼝，再启动⼀个进程B绑定该端⼝，就会报错，这种情况也叫端⼝被占⽤。

(此时需要检查进程B绑定的是哪个端⼝，再查看该端⼝被哪个进程占⽤。以下为通过端⼝号查进程的⽅式：  
◦ 在cmd输⼊netstat -ano | findstr 端⼝号 ，则可以显⽰对应进程的pid。

在任务管理器中，通过pid查找进程

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)

**解决端⼝被占⽤的问题：**  
◦ 如果占⽤端⼝的进程A不需要运⾏，就可以关闭A后，再启动需要绑定该端⼝的进程B  
◦ 如果需要运⾏A进程，则可以修改进程B的绑定端⼝，换为其他没有使⽤的端⼝。

### **UDP数据报套接字编程** ###

**API介绍**  
DatagramSocket  
DatagramSocket 是UDPSocket，⽤于发送和接收UDP数据报。  
DatagramSocket 构造⽅法：

> ⽅法签名 ⽅法说明  
> DatagramSocket() 创建⼀个UDP数据报套接字的Socket，绑定到本机任意⼀个随机端⼝（⼀般⽤于客⼾端）  
> DatagramSocket(int port) 创建⼀个UDP数据报套接字的Socket，绑定到本机指定的端⼝（⼀般⽤于服务端)

DatagramSocket ⽅法：

> ⽅法签名 ⽅法说明  
> void receive(DatagramPacket p) 从此套接字接收数据报（如果没有接收到数据报，该  
> ⽅法会阻塞等待）  
> void send(DatagramPacket p) 从此套接字发送数据报包（不会阻塞等待，直接发  
> 送）  
> void close() 关闭此数据报套接字

**DatagramPacket**

DatagramPacket是UDP Socket发送和接收的数据报。  
DatagramPacket 构造⽅法：

> ⽅法签名 ⽅法说明  
> DatagramPacket(byte\[\] buf,int length) 构造⼀个DatagramPacket以⽤来接收数据报，接收的数据保存在字节数组（第⼀个参数buf中，接收指定⻓度（第⼆个参数length）--接收
> 
>   
> DatagramPacket(byte\[\] buf,int offset,int length,SocketAddress address) 构造⼀个DatagramPacket以⽤来发送数据报，发送的数据为字节数组（第⼀个参数buf）中，从0到指定⻓度（第⼆个参数length）。address指定⽬的主机的IP和端⼝号 --发送

DatagramPacket ⽅法：

> ⽅法签名 ⽅法说明  
> InetAddress getAddress() 从接收的数据报中，获取发送端主机IP地址；或从发送的数据报中，获取接收端主机IP地址  
> int getPort() 从接收的数据报中，获取发送端主机的端⼝号；或从发送的数据报中，获取接收端主机端⼝号  
> byte\[\] getData() 获取数据报中的数据

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.

**InetSocketAddress**  
InetSocketAddress （ SocketAddress 的⼦类）构造⽅法

> ⽅法签名 ⽅法说明  
> InetSocketAddress(InetAddress addr,int port) 创建⼀个Socket地址，包含IP地址和端⼝号

**代码示例:**

UDP Echo Server

public class UdpEchoServer {
    private DatagramSocket socket = null;
    // 参数是服务器要绑定的端⼝
    public UdpEchoServer(int port) throws SocketException {
    socket = new DatagramSocket(port);
    }
    // 使⽤这个⽅法启动服务器.
    public void start() throws IOException {
    System.out.println("服务器启动!");
    while (true) {
    // 反复的, ⻓期的执⾏针对客⼾端请求处理的逻辑.
    // ⼀个服务器, 运⾏过程中, 要做的事情, 主要是三个核⼼环节.
    // 1. 读取请求, 并解析
    DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(new byte[4096], 4096);
    socket.receive(requestPacket);
    // 这样的转字符串的前提是, 后续客⼾端发的数据就是⼀个⽂本的字符串.
    String request = new String(requestPacket.getData(), 0, requestPacke
    // 2. 根据请求, 计算出响应
    String response = process(request);
    // 3. 把响应写回给客⼾端
    // 此时需要告知⽹卡, 要发的内容是啥, 要发给谁.
    DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(response.getBytes(),response.getBytes().length,requestPacket.getSocketAddress());
    requestPacket.getSocketAddress());
    socket.send(responsePacket);
    // 记录⽇志, ⽅便观察程序执⾏效果.
    }
    }
    // 根据请求计算响应. 由于是回显程序, 响应内容和请求完全⼀样.
    public String process(String request) {
    return request;
    }
    public static void main(String[] args) throws IOException {
    UdpEchoServer server = new UdpEchoServer(9090);
    server.start();
    }
    }

UDP Echo Client

public class UdpEchoClient {
    private DatagramSocket socket = null;
    private String serverIp;
    private int serverPort;
    // 服务器的 ip 和 服务器的端⼝.
    public UdpEchoClient(String ip, int port) throws SocketException {
    serverIp = ip;
    serverPort = port;
    // 这个 new 操作, 就不再指定端⼝了. 让系统⾃动分配⼀个空闲端⼝.
    socket = new DatagramSocket();
    }
    // 让这个客⼾端反复的从控制台读取⽤⼾输⼊的内容. 把这个内容构造成 UDP 请求, 发给服务器
    // 最终再显⽰在客⼾端的屏幕上.
    public void start() throws IOException {
    Scanner scanner = new Scanner(System.in);
    System.out.println("客⼾端启动!");
    while (true) {
    // 1. 从控制台读取⽤⼾输⼊的内容
    System.out.print("-> "); // 命令提⽰符, 提⽰⽤⼾要输⼊字符串.
    String request = scanner.next();
    // 2. 构造请求对象, 并发给服务器.
    DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(request.getBytes(),request.getBytes().length,
    InetAddress.getByName(serverIp), serverPort);
     socket.send(requestPacket);
    // 3. 读取服务器的响应, 并解析出响应内容.
    DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(new byte[4096], 4096);
    socket.receive(responsePacket);
    String response = new String(responsePacket.getData(), 0, responsePacket.getlength());
    // 4. 显⽰到屏幕上.
    System.out.println(response);
    }
    }
    public static void main(String[] args) throws IOException {
    UdpEchoClient client = new UdpEchoClient("127.0.0.1", 9090);
    // UdpEchoClient client = new UdpEchoClient("42.192.83.143", 9090);
    client.start();
    }
    }

UDP Dict Server  
编写⼀个英译汉的服务器.只需要重写process(process继承server,用多肽的方法)

public class UdpDictServer extends UdpEchoServer {
    private Map<String, String> dict = new HashMap<>();
    public UdpDictServer(int port) throws SocketException {
    super(port);
    dict.put("cat", "⼩猫");
    dict.put("dog", "⼩狗");
    dict.put("fuck", "卧槽");
    // 可以在这⾥继续添加千千万万个单词. 使每个单词都有⼀个对应的翻译.
    }
    // 是要复⽤之前的代码, 但是⼜要做出调整.
    @Override
    public String process(String request) {
    // 把请求对应单词的翻译, 给返回回去.
    return dict.getOrDefault(request, "该词没有查询到!");
    }
    public static void main(String[] args) throws IOException {
    UdpDictServer server = new UdpDictServer(9090);
    // start 不需要重新再写⼀遍了. 直接就复⽤了之前的 start !
    server.start();
     }
    }

### 由于操作系统的原因,我们需要调用flush,不然数据太少了,系统会积攒多了才发 ###

### TCP流套接字编程 ###

和刚才UDP类似.实现⼀个简单的英译汉的功能

**API介绍**

**ServerSocket**  
ServerSocket 是创建TCP服务端Socket的API。  
ServerSocket 构造⽅法：

> ⽅法签名 ⽅法说明  
> 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：**

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

**Socket**  
Socket 是客⼾端Socket，或服务端中接收到客⼾端建⽴连接（accept⽅法）的请求后，返回的服  
务端Socket。  
不管是客⼾端还是服务端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：**

> ⽅法签名 ⽅法说明  
> Socket(String host,int port) 创建⼀个客⼾端流套接字Socket，并与对应IP的主机  
> 上，对应端⼝的进程建⽴连接

**Socket ⽅法：**

> ⽅法签名 ⽅法说明  
> 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

**代码⽰例**  
TCP Echo Server

public class TcpEchoServer {
    private ServerSocket serverSocket = null;
    // 这个操作就会绑定端⼝号
    public TcpEchoServer(int port) throws IOException {
    serverSocket = new ServerSocket(port);
    }
    // 启动服务器
    public void start() throws IOException {
    System.out.println("服务器启动!");
    while (true) {
    Socket clientSocket = serverSocket.accept();
    processConnection(clientSocket);
    }
    }
    // 通过这个⽅法来处理⼀个连接的逻辑.
    private void processConnection(Socket clientSocket) {
    System.out.printf("[%s:%d] 客⼾端上线!\n", clientSocket.getInetAddress().t
    // 接下来就可以读取请求, 根据请求计算响应, 返回响应三步⾛了.
    // Socket 对象内部包含了两个字节流对象, 可以把这俩字节流对象获取到, 完成后续的读写
    try (InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream();
    OutputStream outputStream = clientSocket.getOutputStream()) {
    // ⼀次连接中, 可能会涉及到多次请求/响应
    while (true) {
    // 1. 读取请求并解析. 为了读取⽅便, 直接使⽤ Scanner.
     Scanner scanner = new Scanner(inputStream);
    if (!scanner.hasNext()) {
    // 读取完毕, 客⼾端下线.
    System.out.printf("[%s:%d] 客⼾端下线!\n", clientSocket.getIne
    break;
    }
    // 这个代码暗含⼀个约定, 客⼾端发过来的请求, 得是⽂本数据, 同时, 还得带有
    String request = scanner.next();
    // 2. 根据请求计算响应
    String response = process(request);
    // 3. 把响应写回给客⼾端. 把 OutputStream 使⽤ PrinterWriter 包裹⼀下
    PrintWriter writer = new PrintWriter(outputStream);
    // 使⽤ PrintWriter 的 println ⽅法, 把响应返回给客⼾端.
    // 此处⽤ println, ⽽不是 print 就是为了在结尾加上 \n . ⽅便客⼾端
    writer.println(response);
    // 这⾥还需要加⼀个 "刷新缓冲区" 操作.
    writer.flush();
    // ⽇志, 打印当前的请求详情.
    System.out.printf("[%s:%d] req: %s, resp: %s\n", clientSocket.ge
    request, response);
    }
    } catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
    } finally {
    // 在 finally 中加上 close 操作, 确保当前 socket 被及时关闭!!
    try {
    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();
    }
    }

TCP Echo Client

public class TcpEchoClient {
    private Socket socket = null;
    // 要和服务器通信, 就需要先知道, 服务器所在的位置.
    public TcpEchoClient(String serverIp, int serverPort) throws IOException {
    // 这个 new 操作完成之后, 就完成了 tcp 连接的建⽴.
    socket = new Socket(serverIp, serverPort);
    }
    public void start() {
    System.out.println("客⼾端启动");
    Scanner scannerConsole = new Scanner(System.in);
    try (InputStream inputStream = socket.getInputStream();
    OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()) {
    while (true) {
    // 1. 从控制台输⼊字符串.
    System.out.print("-> ");
    String request = scannerConsole.next();
    // 2. 把请求发送给服务器
    PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream);
    // 使⽤ println 带上换⾏. 后续服务器读取请求, 就可以使⽤ scanner.n
    printWriter.println(request);
    // 不要忘记 flush, 确保数据是真的发送出去了!!
    printWriter.flush();
    // 3. 从服务器读取响应.
    Scanner scannerNetwork = new Scanner(inputStream);
    String response = scannerNetwork.next();
    // 4. 把响应打印出来
    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();
    }
    }

由于操作系统的原因,我们需要调用flush,不然数据太少了,系统会积攒多了才发送,但是调用了flush以后,就可以及时发送

**服务器引⼊多线程(udp不需要)**  
如果只是单个线程,⽆法同时响应多个客⼾端.  
此处给每个客⼾端都分配⼀个线程.

// 启动服务器
    public void start() throws IOException {
    System.out.println("服务器启动!");
    while (true) {
    Socket clientSocket = serverSocket.accept();
    Thread t = new Thread(() -> {
    processConnection(clientSocket);
    });
    t.start();

**⻓短连接**

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⻓连接：  
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。  
⻓连接：不关闭连接，⼀直保持连接状态，双⽅不停的收发数据，即是⻓连接。也就是说，⻓连接可以多次收发数据。  
对⽐以上⻓短连接，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；⽽⻓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，⻓连接效率更⾼。  
• 主动发送请求不同：短连接⼀般是客⼾端主动向服务端发送请求；⽽⻓连接可以是客⼾端主动发送请求，也可以是服务端主动发。  
• 两者的使⽤场景有不同：短连接适⽤于客⼾端请求频率不⾼的场景，如浏览⽹⻚等。⻓连接适⽤于客⼾端与服务端通信频繁的场景，如聊天室，实时游戏等。  
扩展了解：

基于BIO（同步阻塞IO）的⻓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，不停处理也就是⻓连接的特性：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）来实现⻓连接，性能可以极⼤的提升。

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[5f1bf3143493415284bd06d223ce039d.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/23/6adc78b671b9443bb2444830952a9ab4.png
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