網絡編程——套接字

一、Socket套接字

（一）概念

（二）分類

1.流套接字：

2.數據報套接字

3.原始套接字

二、TCP協議VSUDP協議

（一）有連接VS無連接

（二）可靠傳輸VS不可靠傳輸

（三）面向字節流VS面向數據報

（四）全雙工VS半雙工

三、UDP協議中的socket api

（一）DatagramSocket類

（二）DatagramPacket類

（三）InetSocketAddress類

四、UDP協議的回顯服務器

（一）UdpEchoServer回顯服務器

（二）UdpEchoClient客戶端?

（三）拓展：英譯漢服務器?

五、TCP協議中的socket api

（一）ServerSocket類

（二）Socket類

六、TCP協議的回顯服務器

（一）TcpEchoServer回顯服務器

（二）TcpEchoClient客戶端

一、Socket套接字

（一）概念

Socket套接字，是有系統提供用于網絡通信的技術，是基于TCP/IP協議的網絡通信的基本操作單元。基于Socket套接字的網絡程序開發就是網絡編程。

（二）分類

1.流套接字：

使用傳輸層TCP協議，是以字節流的格式來通信的。對于字節流來說，可以簡單的理解為傳輸數據是基于IO流，流失數據的特征就是在IO流沒有關閉的情況下，是無邊界的數據，可以多次發送，也可以分開多次發送。

2.數據報套接字

使用傳輸層UDP協議，是以數據報的格式來通信的。對于數據報來說，可以簡單的理解為，傳輸數據是一塊一塊的，發送一塊數據假如100個字節，必須一次發送，接收也必須一次接收100個字節，而不能分100次，每次接收1個字節。

3.原始套接字

原始套接字用于自定義傳輸層協議，用于讀寫內核沒有處理的IP協議數據。

二、TCP協議VSUDP協議

TCP的特點：

有連接
可靠傳輸
面向字節流
全雙工

UDP的特點：

無連接
不可靠傳輸
面向數據報
全雙工

（一）有連接VS無連接

這是抽象的概念，指的是虛擬的/邏輯上的連接。

對于TCP來說，TCP協議中，就保存了對端的信息：?A和B通信，A和B先建立連接，讓A保存B的信息，B保存A的信息（彼此之間知道要連接的是哪個）。
對于UDP來說，UDP協議本身，不保存對方的信息，就是無連接。

（二）可靠傳輸VS不可靠傳輸

在網絡上，數據是非常容易出現丟失的情況的（丟包），光信號/電信號都可能受到外界的干擾。

在進行通信時，不能指望一個數據包100%地到達對方。

可靠傳輸指的是，雖然不能保證數據包100%到達，但是能盡可能提高傳輸成功的概率。
不可靠傳輸只是把數據發了，就不管了。

（三）面向字節流VS面向數據報

面向字節流指的是在讀寫數據時，以字節為單位。
面向數據報指的是讀寫數據時，以數據報為單位。

（四）全雙工VS半雙工

全雙工指的是一個通信鏈路中，支持雙向通信（能讀也能寫）。
半雙工指的是一個通信鏈路中，只支持單向通信（要么讀，要么寫）。

三、UDP協議中的socket api

計算機中的“文件”，是一個廣義的概念，文件還能代指一些硬件設備（操作系統管理硬件設備，也是抽象成文件，統一管理的）。

UDP協議是用來操作網卡的，將網卡抽象成socket文件，操作網卡的時候，流程和操作普通文件差不多。

（一）DatagramSocket類

DatagramSocket類是用來操作socket文件，發送和接收數據報的。

構造方法：

方法簽名	方法說明
DatagramSocket()	創建一個UDP數據報套接字的Socket，綁定到主機的任意一個隨機端口號（一般用于客戶端）。
DatagramSocket(int port)	創建一個UDP數據報套接字的Socket，綁定到主機的一個指定的端口號（一般用于服務端）。

成員方法：?

方法簽名	方法說明
void receive(DatagramPacket p)	從此套接字接收數據報（如果沒有接受到數據報，該方法會阻塞等待）。
void send(DatagramPacket p)	從此套接字發送數據報（不會阻塞等待，直接發送）。
void close()	關閉此數據報套接字。

（二）DatagramPacket類

DatagramPacket就是UDP發送和接收的數據報。

構造方法：

方法簽名	方法說明
DatagramPacket(byte[]buf,int length)	構造一個DatagramPacket用來接收數據報，接收的數據報保存在字節數組中（第一個參數buf），接收的指定長度（第二個參數length）。
DatagramPacket(byte[]buf,int offset,int length,SocketAddress address)	構造一個DatagramPacket用來接收數據報，接收的數據報保存在字節數組中（第一個參數buf），指定起點（第二個參數offset），接收的指定長度（第三個參數length）。address指定目的主機的IP和端口號。

成員方法：

方法簽名	方法說明
InetAddress getAddress()	從接收的數據報中，獲取發送端的主機IP地址；或從發送的數據報中，獲取接收端的主機IP地址。
int getPort()	從接收的數據報中，獲取發送端的主機的端口號；或從發送的數據報中，獲取接收端的主機的端口號。
byte[] getData()	獲取數據報中的數據。

（三）InetSocketAddress類

構造UDP發送的數據報時，需要傳入SocketAddress（父類），該對象可以使用InetSocketAddress（子類）來創建。

InetSocketAddress的構造方法：

方法簽名	方法說明
InetSocketAddress(InetAddress addr,int port)	創建一個Socket地址，包含IP地址和端口號

四、UDP協議的回顯服務器

Java數據報套接字通信模型：

（一）UdpEchoServer回顯服務器

package NetWork;import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.SocketException;//UDP協議的回顯服務器
//服務器端
public class UdpEchoServer {private DatagramSocket socket=null;//指定了一個固定端口號, 讓服務器來使用.public UdpEchoServer(int port) throws SocketException {socket=new DatagramSocket(port);}//啟動服務器public void start() throws IOException {System.out.println("服務器啟動");while(true){//循環一次，就相當于處理一次請求。//1.讀取請求并解析//創建請求數據報DatagramPacket RequestPacket=new DatagramPacket(new byte[4096],4096);//開始接收,并更新數據報socket.receive(RequestPacket);//2.根據請求, 計算響應. (服務器最關鍵的邏輯)//把讀取到的二進制數據, 轉成字符串. 只是構造有效的部分.String request=new String(RequestPacket.getData(),0, RequestPacket.getLength());String response=process(request);//3.把響應返回給客戶端//根據 response 構造 DatagramPacket, 發送給客戶端.//此處不能使用 response.length(),因為這是String的長度而不是byte數組的長度DatagramPacket ResponsePacket=new DatagramPacket(response.getBytes(),response.getBytes().length,RequestPacket.getSocketAddress());//發送構建好的數據報socket.send(ResponsePacket);//4.打印日志System.out.printf("[%s:%d] req: %s, resp: %s\n", RequestPacket.getAddress().toString(), RequestPacket.getPort(), request, response);}}//服務器根據請求，處理業務public String process(String request){return request;}public static void main(String[] args) throws IOException {UdpEchoServer server=new UdpEchoServer(9090);server.start();}}

（二）UdpEchoClient客戶端?

package NetWork;import java.io.IOException;
import java.net.*;
import java.util.Scanner;//UDP協議的回顯服務器
//客戶端
public class UdpEchoClient {DatagramSocket socket=null;// 客戶端要給服務器發送數據報，首先得知道服務器的IP和端口號private String ServerIp;//目的IPprivate int ServerPort;//目的端口號// 和服務器不同, 此處的構造方法是要指定訪問的服務器的地址.public UdpEchoClient(String serverIp, int serverPort) throws SocketException {this.ServerIp = serverIp;this.ServerPort = serverPort;socket = new DatagramSocket();}public void start() throws IOException {Scanner sc=new Scanner(System.in);while(true){// 1.讀取用戶輸入的內容System.out.println("請輸入要發送的內容：");if(!sc.hasNext()){break;}String request=sc.next();// 2. 把請求發送給服務器, 需要構造 DatagramPacket 對象.// 構造過程中, 不光要構造載荷, 還要設置服務器的 IP 和端口號DatagramPacket RequestPacket=new DatagramPacket(request.getBytes(),request.getBytes().length, InetAddress.getByName(ServerIp),ServerPort);// 3. 發送數據報socket.send(RequestPacket);// 4. 接收服務器的響應DatagramPacket ResponsePacket = new DatagramPacket(new byte[4096], 4096);socket.receive(ResponsePacket);// 5. 從服務器讀取的數據進行解析, 打印出來.String response = new String(ResponsePacket.getData(), 0, ResponsePacket.getLength());System.out.println(response);}}public static void main(String[] args) throws IOException {UdpEchoClient client = new UdpEchoClient("127.0.0.1", 9090);client.start();}
}

（三）拓展：英譯漢服務器?

當我們需要實現另外一個簡單的服務器時，例如英譯漢服務器，只需要繼承然后重寫process方法就可以了。

package NetWork;import java.io.IOException;
import java.net.SocketException;
import java.util.HashMap;//英譯漢服務器
public class UdpDictServer extends UdpEchoServer{private HashMap<String,String> dict=new HashMap<>();//要在子類的構造方法中調用父類的構造方法//構造方法初始化字典public UdpDictServer(int port) throws SocketException {super(port);dict.put("apple","蘋果");dict.put("boy","男孩");dict.put("cat","小貓");dict.put("dog","小狗");}//重寫process方法public String process(String request){return dict.getOrDefault(request,"沒有找到該詞匯");}public static void main(String[] args) throws IOException {UdpDictServer DictServer=new UdpDictServer(9090);DictServer.start();}
}

五、TCP協議中的socket api

（一）ServerSocket類

ServerSocket是創建TCP服務器端Socket的API。

構造方法：

方法簽名	方法說明
ServerSocket(int port)	創建一個服務器端套接字Socket，并綁定到指定端口。

成員方法：

方法簽名	方法說明
Socket accept()	開始監聽指定端口（創建時綁定的端口），有客戶端連接后，返回一個服務器端Socket對象，并基于該Socket建立與客戶端的連接，否則阻塞等待。
void close()	關閉此套接字

（二）Socket類

Socket類是客戶端socket，或服務器端中接收到客戶端建立連接（accept方法）的請求后，返回的服務端Socket。

不管是客戶端還是服務器端Socket，都是雙方建立連接以后，保存的對端信息，及用來與對方收發數據的。

構造方法：

方法簽名	方法說明
Socket(String host,int port)	創建一個客戶端套接字Socket，并對應IP的主機上對應端口的進程進行連接。

成員方法：

方法簽名	方法說明
InetAddress getInetAddress()	返回套接字所連接的地址
InputStream getInputStream()	返回此套接字的輸入流
OutputStream getOutPutStream()	返回此套接字的輸出流

六、TCP協議的回顯服務器

Java流套接字通信模型：

（一）TcpEchoServer回顯服務器

package NetWork;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;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;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("啟動服務器");// 這種情況一般不會使用 fixedThreadPool, 意味著同時處理的客戶端連接數目就固定了.ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();while (true) {// tcp 來說, 需要先處理客戶端發來的連接.// 通過讀寫 clientSocket, 和客戶端進行通信.// 如果沒有客戶端發起連接, 此時 accept 就會阻塞.// 主線程負責進行 accept, 每次 accept 到一個客戶端, 就創建一個線程, 由新線程負責處理客戶端的請求.Socket clientSocket = serverSocket.accept();// 使用多線程的方式來調整// Thread t = new Thread(() -> {// processConnection(clientSocket);// });// t.start();// 使用線程池來調整executorService.submit(() -> {processConnection(clientSocket);});}}private void processConnection(Socket clientSocket){//對clientSocket進行讀寫操作System.out.printf("[%s:%d] 客戶端上線!\n", clientSocket.getInetAddress(), clientSocket.getPort());try(InputStream inputStream=clientSocket.getInputStream();OutputStream outputStream=clientSocket.getOutputStream()){// 針對 InputStream 套了一層Scanner scanner = new Scanner(inputStream);// 針對 OutputStream 套了一層PrintWriter writer = new PrintWriter(outputStream);while(true){//因為輸入流中的數據是持續讀取的，要加上循環// 1. 讀取請求并解析. 可以直接 read, 也可以借助 Scanner 來輔助完成.if (!scanner.hasNext()) {//scanner.hasNext()：判斷輸入流中是否還有 “下一個令牌”（默認以空白字符分割，如空格、換行等）。// 連接斷開了System.out.printf("[%s:%d] 客戶端下線!\n", clientSocket.getInetAddress(), clientSocket.getPort());break;}// 2. 根據請求計算響應String request=scanner.next();String response=process(request);// 3. 返回響應到客戶端// outputStream.write(response.getBytes());writer.println(response);//將緩存區中的數據都發送出去，避免殘留writer.flush();// 打印日志System.out.printf("[%s:%d] req: %s, resp: %s\n", clientSocket.getInetAddress(), clientSocket.getPort(),request, response);}} catch (IOException e) {throw new RuntimeException(e);} finally {try {//服務器連接一個客戶端就要創建一個clientSocket，使用完就要關閉.clientSocket.close();} catch (IOException e) {throw new RuntimeException(e);}}}private String process(String request){return request;}public static void main(String[] args) throws IOException {TcpEchoServer tcpEchoServer=new TcpEchoServer(9090);tcpEchoServer.start();}
}

（二）TcpEchoClient客戶端

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 {// 直接把字符串的 IP 地址, 設置進來.// 127.0.0.1 這種字符串socket = new Socket(serverIp, serverPort);}public void start()throws IOException{Scanner scanner=new Scanner(System.in);try(InputStream inputStream=socket.getInputStream();OutputStream outputStream=socket.getOutputStream()){//給inPutStream套一層Scanner scannerNet= new Scanner(inputStream);//給outPutStream套一層PrintWriter writer=new PrintWriter(outputStream);while (true){//1.讀取用戶輸入String request=scanner.next();//2.發送請求并刷新緩存區數據writer.println(request);writer.flush();//3.接收服務器的響應String response=scannerNet.next();//4.打印出響應System.out.println(response);}}}public static void main(String[] args) throws IOException {TcpEchoClient client = new TcpEchoClient("127.0.0.1", 9090);client.start();}
}

注意點：

在服務器中，采用多線程的方式來處理客戶端的請求（使用線程池）。因為如果是單線程有多個客戶端連接，當程序處理processConnection請求時，就可能阻塞在processConnection，而不能accpet。
因為服務器中有scanner.hasNext來判斷發來的請求，所以客戶端發送的請求要以換行符/空白符號結束，因此發送時用writer.println。
發送請求后記得使用flush刷新緩沖區的數據。