【Java】網絡編程(Socket)

網絡編程

Socket

我們開發的網絡應用程序位于應用層，TCP和UDP屬于傳輸層協議，在應用層如何使用傳輸層的服務呢？在應用層和傳輸層之間，則使用套接字Socket來進行分離

套接字就像是傳輸層為應用層開的一個小口，應用程序通過這個小口向遠程發送數據，或者接收遠程發來的數據；而這個小口以內，也就是數據進入這個口之后，或者數據從這個口出來之前，是不知道也不需要知道的，也不會關心它如何傳輸，這屬于網絡其他層次工作

Socket實際是傳輸層供給應用層的編程接口。Socket就是應用層與傳輸層之間的橋梁。使用Socket變成可以開發客戶機和服務器的應用程序，可以在本地網絡上通信，也可以通過Internet在全球范圍內通信

Java網絡編程中的常用類

Java為了跨平臺，在網絡應用通信時是不允許直接調用操作系統接口的，而是由java.net包來提供網絡功能。

InetAddress的使用

作用：封裝計算機的IP地址和DNS（沒有端口信息）

特點：

這個類沒有構造方法，如果想要得到對象，只能通過靜態方法:getLocalHost() 、 getByName() 、 getALLByName() 、 getAddress() 、 getHostName()

獲取本機信息

獲取本機信息需要使用getLocalHost()方法創建InetAddress對象，這個對象包含了本機的IP地址，計算機名等信息

public class InetTest {public static void main(String[] args) {try {InetAddress localHost = InetAddress.getLocalHost();String hostAddress = localHost.getHostAddress();String hostName = localHost.getHostName();System.out.println(hostAddress);System.out.println(hostName);} catch (UnknownHostException e) {throw new RuntimeException(e);}}
}

根據域名獲取計算機的信息

根據域名獲取計算機信息時需要使用getByName(“域名”)方法創建InetAddress對象

public class InetTest2 {public static void main(String[] args) {try {InetAddress inetAddress = InetAddress.getByName("www.baidu.com");System.out.println(inetAddress.getHostAddress());System.out.println(inetAddress.getHostName());} catch (UnknownHostException e) {throw new RuntimeException(e);}}
}

根據IP地址獲取計算機的信息

根據IP地址獲取計算機的信息時需要使用getByName(“IP”)方法創建InetAddress對象

public class InetTest3 {public static void main(String[] args) {try {InetAddress inetAddress = InetAddress.getByName("110.242.68.4");System.out.println(inetAddress.getHostName());System.out.println(inetAddress.getHostAddress());} catch (UnknownHostException e) {throw new RuntimeException(e);}}
}

InetSocketAddress的使用

作用：包含IP和端口信息，常用于Socket通信。此類實現IP套接字地址（IP地址+端口號），不依賴任何協議

InetSocketAddress相比較InetAddress多了一個端口號，端口的作用：一臺擁有IP地址的主機可以提供許多服務，比如Web服務、FTP服務、SMTP服務等，這些服務完全可以通過1個IP地址來實現

public class InetSocketTest {public static void main(String[] args) {InetSocketAddress inetSocketAddress = new InetSocketAddress("www.baidu.com",80);System.out.println(inetSocketAddress.getAddress().getHostAddress());System.out.println(inetSocketAddress.getHostName());}
}

URL的使用

IP地址標識了Internet上唯一的計算機，而URL則標識了這些計算機上的資源。URL代表一個資源定位符，它是指向互聯網“資源”的指針。資源可以是簡單的文件或目錄，也可以是對更為復雜的對象的引用，例如對數據庫或者搜索引擎的查詢

為了方便程序員編程，JDK中提供了URL類，該類的全名是java.net.URL，有了這樣一個類，就可以使用它的各種方法來對URL對象進行分割、合并等處理

public class UrlTest {public static void main(String[] args) {try {URL url = new URL("http://www.edu2act.cn/task/list/finished/");System.out.println("獲取當前協議的默認端口:" + url.getDefaultPort());System.out.println("訪問資源:" + url.getFile());System.out.println("主機名" + url.getHost());System.out.println("訪問資源的路徑:" + url.getPath());System.out.println("協議" + url.getProtocol());System.out.println("參數部分" + url.getQuery());} catch (MalformedURLException e) {throw new RuntimeException(e);}}
}

通過URL實現最簡單的網絡爬蟲

public class UrlTest2{public static void main(String[] args)throws Exception {URL url = new URL("http://dbms.wangding.co/design/ch04-database-design-1/");try (BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(url.openStream()))) {StringBuilder sb = new StringBuilder();String temp;while ((temp = br.readLine()) != null) {sb.append(temp);}System.out.println(sb);} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}
}

TCP通信的實現和項目案例

TCP通信實現原理

前邊我們提到TCP協議是面向的連接的，在通信時客戶端與服務器端必須建立連接。在網絡通訊中，第一次主動發起通訊的程序被稱作客戶端(Client)程序，簡稱客戶端，而在第一次通訊中等待連接的程序被稱作服務器端(Server)程序，簡稱服務器。一旦通訊建立，則客戶端和服務器端完全一樣，沒有本質的區別。

請求-相應模式

Socket類：發送TCP信息
ServerSocket類：創建服務器

套接字Socket是一種進程間的數據交換機制。這些進程既可以在同一機器上，也可以在通過網絡連接的不同機器上。換句話說，套接字起到通信端點的作用。單個套接字是一個端點，而一對套接字則構成一個雙向通信信道，使非關聯進程可以在本地或通過網絡進行數據交換。一旦建立套接字連接，數據即可在相同或不同的系統中雙向或單向發送，直到其中一個端點關閉連接。套接字與主機地址和端口地址相關聯。主機地址就是客戶端或服務器程序所在的主機的IP地址。端口地址是指客戶端或服務器程序使用的主機的通信端口。

在客戶端和服務器中，分別創建獨立的Socket，并通過Socket的屬性，將兩個Socket進行連接，這樣，客戶端和服務器通過套接字所建立的連接使用輸入輸出流進行通信。

TCP/IP套接字是最可靠的雙向流協議，使用TCP/IP可以發送任意數量的數據。

實際上，套接字只是計算機上已編號的端口。如果發送方和接收方計算機確定好端口，他們就可以通信了。

客戶端與服務器端的通信關系圖：

在這里插入圖片描述

TCP/IP通信連接的簡單過程

位于A計算機上的TCP/IP軟件向B計算機發送包含端口號的消息，B計算機的TCP/IP軟件接收該消息，并進行檢查，查看是否有它知道的程序正在該端口上接收消息。如果有，他就將該消息交給這個程序。

通過Socket的編程順序

1、創建服務器ServerSocket，在創建時，定義ServerSocket的監聽端口（在這個端口接收客戶端發來的消息）
2、ServerSocket調用accept()方法，使之處于阻塞狀態。
3、創建客戶端Socket，并設置服務器的IP及端口。
4、客戶端發出連接請求，建立連接。
5、分別取得服務器和客戶端Socket的InputStream和OutputStream。
6、利用Socket和ServerSocket進行數據傳輸。
7、關閉流及Socket。

TCP通信入門案例

創建服務端

public class BasicSocketServer {public static void main(String[] args) throws IOException {System.out.println("服務器已啟動，等待監聽....");ServerSocket serverSocket = null;try {serverSocket = new ServerSocket(8888);Socket socket = serverSocket.accept();//連接成功后會得到與客戶端對應的Socket對象，并解除線程阻塞InputStream in = socket.getInputStream();BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(in));System.out.println(br.readLine());OutputStream out = socket.getOutputStream();} catch (IOException e) {throw new RuntimeException(e);}finally {serverSocket.close();}}
}

創建客戶端

public class BasicSocketClient {public static void main(String[] args) throws IOException {Socket socket = null;PrintWriter pw = null;try {socket = new Socket("127.0.0.1",8888);OutputStream out = socket.getOutputStream();pw = new PrintWriter(out);pw.write("服務端，你好！");pw.flush();} catch (IOException e) {throw new RuntimeException(e);}finally {pw.close();socket.close();}}
}

TCP單向通信

單向通信是指通信雙方中，一方固定為發送端，一方固定為接收端

創建服務端

public class OneWaySocketServer {public static void main(String[] args) {System.out.println("服務器啟動，開始監聽");try(ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8888);) {Socket socket = serverSocket.accept();BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));PrintWriter pw = new PrintWriter(socket.getOutputStream());System.out.println("連接成功");while (true){String str = br.readLine();System.out.println("客戶端說" + str);if ("exit".equals(str)){break;}pw.println(str);pw.flush();}} catch (IOException e) {System.out.println("服務器啟動失敗");throw new RuntimeException(e);}}
}

創建客戶端

public class OneWaySocketClient {public static void main(String[] args) {try(Socket socket = new Socket("127.0.0.1",8888)) {Scanner scanner = new Scanner(System.in);PrintWriter pw = new PrintWriter(socket.getOutputStream());BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));while (true){String s = scanner.nextLine();pw.println(s);pw.flush();if ("exit".equals(s)){break;}String serverInput = br.readLine();System.out.println("服務器返回的" + serverInput);}}catch (Exception e){e.printStackTrace();}}
}

TCP雙向通信

雙向通信是指通信雙方中，任何一方都可為發送端，任何一方都可為接收端

服務端

public class TwoWaySocketServer {public static void main(String[] args) {System.out.println("服務器啟動，監聽8888端口");try(ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8888);) {Socket socket = serverSocket.accept();//創建鍵盤輸入對象Scanner scanner = new Scanner(System.in);BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));PrintWriter pw = new PrintWriter(socket.getOutputStream());while (true){String str = br.readLine();System.out.println("客戶端說:" + str);String keyInput = scanner.nextLine();pw.println(keyInput);pw.flush();}}catch (Exception e){e.printStackTrace();}}
}

客戶端

public class TwoWaySocketClient {public static void main(String[] args) {try(Socket socket = new Socket("127.0.0.1",8888)) {Scanner scanner = new Scanner(System.in);BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));PrintWriter pw = new PrintWriter(socket.getOutputStream());while (true){String keyInput = scanner.nextLine();pw.println(keyInput);pw.flush();String str = br.readLine();System.out.println("服務端說:" + str);}}catch (Exception e){e.printStackTrace();}}
}

創建點對點的聊天應用

創建服務端

主線程

public class ChatSocketServer {public static void main(String[] args) {try(ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8888)) {System.out.println("服務端啟動，等待連接");Socket socket = serverSocket.accept();new Thread(new SendThread(socket)).start();new Thread(new ReceiveThread(socket)).start();}catch (Exception e){e.printStackTrace();}}
}

接收消息線程

public class ReceiveThread implements Runnable{private Socket socket;public ReceiveThread(Socket socket){this.socket = socket;}@Overridepublic void run() {this.receiveMsg();}private void receiveMsg(){try(BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));){while (true){String msg = br.readLine();System.out.println("客戶端說:" + msg);}}catch (Exception e){e.printStackTrace();}}
}

發送消息線程

public class SendThread implements Runnable{private Socket socket;public SendThread(Socket socket){this.socket = socket;}@Overridepublic void run() {this.sendMsg();}private void sendMsg(){try(Scanner scanner = new Scanner(System.in);PrintWriter pw = new PrintWriter(socket.getOutputStream());){while (true){String msg = scanner.nextLine();pw.println(msg);pw.flush();}}catch (Exception e){e.printStackTrace();}}
}

創建客戶端

主線程

public class ChatSocketClient {public static void main(String[] args) {try {Socket socket = new Socket("127.0.0.1",8888);System.out.println("連接成功");new Thread(new ClientSendThread(socket)).start();new Thread(new ClientReceiveThread(socket)).start();}catch (Exception e){e.printStackTrace();}}
}

接收消息線程被

public class ClientReceiveThread implements Runnable{private Socket socket;public ClientReceiveThread(Socket socket){this.socket = socket;}@Overridepublic void run() {receiveMsg();}private void receiveMsg() {try(BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()))) {while (true){String msg = br.readLine();System.out.println("服務端說：" + msg);}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}

發送消息線程

public class ClientSendThread implements Runnable{private Socket socket;public ClientSendThread(Socket socket){this.socket = socket;}@Overridepublic void run() {this.sendMsg();}private void sendMsg() {try(Scanner scanner = new Scanner(System.in);PrintWriter pw = new PrintWriter(socket.getOutputStream())){while (true){String msg = scanner.nextLine();pw.println(msg);pw.flush();}}catch (Exception e){e.printStackTrace();}}
}

優化點對點的聊天應用

public class GoodTCP {public static void main(String[] args) throws IOException {ServerSocket serverSocket = null;Socket socket = null;try {Scanner scanner = new Scanner(System.in);System.out.println("請輸入:server,<port> 獲取 <ip>,<port>");String str = scanner.nextLine();String[] arr = str.split(",");if("server".equals(arr[0])){System.out.println("TCP Server Listen at" + arr[1] + "......");serverSocket = new ServerSocket(Integer.parseInt(arr[1]));socket = serverSocket.accept();new Receive(socket);}else {socket = new Socket(arr[0],Integer.parseInt(arr[1]));System.out.println("連接成功");}new Thread(new Send(socket, scanner)).start();new Thread(new Receive(socket)).start();}catch (Exception e){e.printStackTrace();}finally {if(serverSocket != null){serverSocket.close();}}}
}

public class Send implements Runnable{private Socket socket;private Scanner scanner;public Send(Socket socket, Scanner scanner) {this.socket = socket;this.scanner = scanner;}@Overridepublic void run() {this.sendMsg();}private void sendMsg(){try(PrintWriter pw = new PrintWriter(socket.getOutputStream());){while (true){String msg = scanner.nextLine();pw.println(msg);pw.flush();}}catch (Exception e){e.printStackTrace();}}
}

public class Receive implements Runnable{private Socket socket;public Receive(Socket socket){this.socket = socket;}@Overridepublic void run() {sendMsg();}private void sendMsg(){try(BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));){while (true){String msg = br.readLine();System.out.println("客戶端說:" + msg);}}catch (Exception e){e.printStackTrace();}}
}

一對多應用

服務端應該將serverSocket.accept()放入while(true)循環中

一對多聊天服務器設計

難點在于解決線程同步

當沒有消息發送時，發送線程處于等待狀態，當接收線程接收到消息后，喚醒所有等待的發送線程

public class ChatRoomServer {public static String buf;public static void main(String[] args) {System.out.println("Chat Server Version 1.0");System.out.println("Listen at 8888......");try(ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8888)){while (true){Socket socket = serverSocket.accept();System.out.println("連接到" + socket.getInetAddress());new Thread(new ChatReceiveThread(socket)).start();new Thread(new ChatSendThread(socket)).start();}}catch (Exception e){e.printStackTrace();}}
}

public class ChatReceiveThread implements Runnable {private Socket socket;public ChatReceiveThread(Socket socket) {this.socket = socket;}@Overridepublic void run() {receiveMsg();}private void receiveMsg() {try(BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));){while (true){String msg = br.readLine();synchronized ("abc"){ChatRoomServer.buf = "[" + this.socket.getInetAddress() + "]" + msg;"abc".notifyAll();}}}catch (Exception e){e.printStackTrace();}}
}

public class ChatSendThread implements Runnable{Socket socket;public ChatSendThread(Socket socket) {this.socket = socket;}@Overridepublic void run() {sendMsg();}private void sendMsg() {try(PrintWriter pw = new PrintWriter(socket.getOutputStream());){while (true){synchronized ("abc"){//先讓發送消息的線程處于等待狀態"abc".wait();//將公共數據區的數據發送給客戶端pw.println(ChatRoomServer.buf);pw.flush();}}}catch (Exception e){e.printStackTrace();}}
}

UDP通信實現原理

UDP協議與之前講到的TCP協議不同，是面向無連接的，雙方不需要建立連接便可通信。UDP通信所發送的數據需要進行封包操作（使用DatagramPacket類），然后才能接收或發送（使用DatagramSocket類）。

DatagramPacket：數據容器（封包）的作用

此類表示數據報包。數據報包用來實現封包的功能。

常用方法

方法名	使用說明
DatagramPacket(byte[] buf, int length)	構造數據報包，用來接收長度為 length 的數據包
DatagramPacket(byte[] buf, int length, InetAddress address, int port)	構造數據報包，用來將長度為 length 的包發送到指定主機上的指定端口號
getAddress()	獲取發送或接收方計算機的IP地址，此數據報將要發往該機器或者是從該機器接收到的
getData()	獲取發送或接收的數據
setData(byte[] buf)	設置發送的數據

DatagramSocket：用于發送或接收數據報包

當服務器要向客戶端發送數據時，需要在服務器端產生一個DatagramSocket對象，在客戶端產生一個DatagramSocket對象。服務器端的DatagramSocket將DatagramPacket發送到網絡上，然后被客戶端的DatagramSocket接收。

DatagramSocket有兩種常用的構造函數。一種是無需任何參數的，常用于客戶端；另一種需要指定端口，常用于服務器端。如下所示：

DatagramSocket() ：構造數據報套接字并將其綁定到本地主機上任何可用的端口。
DatagramSocket(int port) ：創建數據報套接字并將其綁定到本地主機上的指定端口。

常用方法

方法名	使用說明
send(DatagramPacket p)	從此套接字發送數據報包
receive(DatagramPacket p)	從此套接字接收數據報包
close()	關閉此數據報套接字

UDP通信編程基本步驟：

1、創建客戶端的DatagramSocket，創建時，定義客戶端的監聽端口。
2、創建服務器端的DatagramSocket，創建時，定義服務器端的監聽端口。
3、在服務器端定義DatagramPacket對象，封裝待發送的數據包。
4、客戶端將數據報包發送出去。
5、服務器端接收數據報包。

UDP通信入門案例

服務端

public class UDPServer {public static void main(String[] args) {//創建服務端接收數據的DatagramSocket對象try(DatagramSocket datagramSocket = new DatagramSocket(9999)){//創建數據緩沖區byte[] b = new byte[1024];//創建數據報包對象DatagramPacket datagramPacket = new DatagramPacket(b,b.length);//等待接收客戶端所發送的數據datagramSocket.receive(datagramPacket);//取出數據String str = new String(datagramPacket.getData(),0,datagramPacket.getLength());System.out.println(str);}catch (Exception e){e.printStackTrace();}}
}

客戶端

public class UDPClient {public static void main(String[] args) {try(DatagramSocket datagramSocket = new DatagramSocket(8888);) {byte[] bytes = "Triticale".getBytes();DatagramPacket datagramPacket = new DatagramPacket(bytes,bytes.length,new InetSocketAddress("127.0.0.1",9999));datagramSocket.send(datagramPacket);}catch (Exception e){e.printStackTrace();}}
}

基本數據類型通信

服務端

try(DataInputStream dis = new DataInputStream(new ByteArrayInputStream(datagramPacket.getData()));){System.out.println(dis.readLong());
}

客戶端

long n = 2000l;
try(ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();DataOutputStream dos = new DataOutputStream(bos);){dos.writeLong(n);byte[] arr = bos.toByteArray();DatagramPacket datagramPacket1 = new DatagramPacket(arr,arr.length,new InetSocketAddress("127.0.0.1",9999));
}

傳遞自定義數據類型

創建服務端

public class ObjectTypeUDPServer {public static void main(String[] args) {try(DatagramSocket datagramSocket = new DatagramSocket(9999)){byte[] bytes = new byte[1024];DatagramPacket datagramPacket = new DatagramPacket(bytes,bytes.length);datagramSocket.receive(datagramPacket);try(ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new ByteArrayInputStream(datagramPacket.getData()))){Person person = (Person) ois.readObject();System.out.println(person.toString());}}catch (Exception e){e.printStackTrace();}}
}

創建客戶端

public class ObjectTypeUDPClient {public static void main(String[] args) {try(DatagramSocket datagramSocket = new DatagramSocket(8888);ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(bos)){Person person = new Person();person.setName("張三");person.setAge(18);oos.writeObject(person);byte[] byteArray = bos.toByteArray();DatagramPacket datagramPacket = new DatagramPacket(byteArray,byteArray.length,new InetSocketAddress("127.0.0.1",9999));datagramSocket.send(datagramPacket);}catch (Exception e){e.printStackTrace();}}
}