【網絡編程】理解客戶端和服務器并使用Java提供的api實現回顯服務器

一、網絡編程

二、客戶端和服務器

三、客戶端和服務器的交互模式

四、TCP 和 UDP

UDP socket api 的使用

1、DatagramSoket

2、DatagramPacket

TCP socket api 的使用

1、ServerSocket

2、Socket?

一、網絡編程

本質上就是學習傳輸層給應用層提供的 api，通過 api 把數據交給傳輸層，進一步地層層封裝將數據通過網卡發送出去，這也是網絡程序的基本工作流程。

掌握了基礎 api 就能更好的理解實際開發中使用的框架（spring，dubbo）的工作過程，也提供了魔改/自己實現框架的能力。

二、客戶端和服務器

在網絡中，主動發起通信的一方稱為“客戶端”，被動接受的一方稱為“服務器”。同一個程序在不同的場景中，可能是客戶端也可能是服務器。

客戶端給服務器發送的數據，稱為“請求”（request）；

服務器給客戶端返回的數據，稱為“響應”（response）；

三、客戶端和服務器的交互模式

1、“一問一答”

一個請求對于一個響應，這是交互模式是最常見的，后續進行的“網站開發”（web開發）都是這種模式。

2、“一問多答”

主要在“下載”場景中涉及

3、“多問一答”

主要在“上傳”場景中涉及

4、“多問多答”

主要在“遠程控制/遠程桌面”場景中涉及

四、TCP 和 UDP

進行網絡編程，需要使用系統的 API，【本質上是傳輸層提供的協議】。

傳輸層主要涉及到兩個協議：TCP 和 UDP。

	連接性	可靠性	面向	數據傳輸方式
TCP	面向連接	可靠傳輸	面向字節流	全雙工
UDP	無連接	不可靠傳輸	面向數據報	全雙工

連接：此處說的“連接”不是物理意義的連接，是抽象虛擬的“連接”。所謂計算機中的“網絡連接”是指通信雙方各自保存對方的信息。客戶端的數據結構中記錄了誰是它的服務器；服務器的數據結構中記錄了誰是它的客戶端；本質上就是記錄對方的信息。
可靠傳輸/不可靠傳輸：無論如何都不能保證100%的信息傳輸。可靠傳輸主要是指發送方能夠感知數據有沒有傳輸給接收方，如果沒接收到，可以采取相應的措施補救，例如重傳機制。
面向字節流：與文件中的字節流完全一致，網絡中傳輸數據的基本單位就是字節。
面向數據報：每次傳輸的基本單位是一個數據報（有一系列字節構成）。
全雙工：一個信道，可以雙向通信，就叫全雙工。可以理解成馬路的多車道，就是全雙工。
半雙工：可以理解為吸管，同一時刻只能吸或者呼。

UDP socket api 的使用

Java 把系統原生 api 封裝了，UDP socket 提供的兩個核心的類：

1、DatagramSoket

操作系統中有一類文件，就叫 socket 文件，這類文件抽象地表示了“網卡”這樣的硬件設備。而進行網絡通信最核心的硬件設備就是網卡。

DatagramSocket 類就是負責對 socket 文件進行讀寫，從而借助網卡發送接收數據。

2、DatagramPacket

UDP 面向數據報，每次發送接收數據的基本單位是一個 UDP 數據報。

DatagramPacket 類就表示了一個 UDP 數據報。

UdpEchoServer 實例

public class UdpEchoServer {private DatagramSocket socket = null;public UdpEchoServer(int port) throws SocketException {socket = new DatagramSocket(port);}public void start() throws IOException {System.out.println("服務器啟動");while (true) {//每次循環，都是一次處理請求，進行響應的過程//1. 讀取請求并解析DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(new byte[4096], 4096);socket.receive(requestPacket);// 將讀到的字節數組轉換成 String 方便后續操作String request = new String(requestPacket.getData(),0,requestPacket.getLength());//2. 根據請求計算響應String response = process(request);//3. 把響應返回到客戶端// 與請求數據報創建不同，請求數據報是使用空白字節數組，而此處直接把 String 里包含的字節數組作為參數創建，DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(response.getBytes(), response.getBytes().length,requestPacket.getSocketAddress());  // 因為 UDP 無連接，因此必須從【請求數據報】中獲取對應客戶端的 ip 和端口socket.send(responsePacket);//打印日志System.out.printf("[%s:%d] req: %s, resp: %s\n",requestPacket.getAddress().toString(),requestPacket.getPort(), request, response);}}private String process(String request) {return request;}public static void main(String[] args) throws IOException {UdpEchoServer server = new UdpEchoServer(9090);server.start();}
}

?上述代碼中：

1、可以看到 23 行需要從【請求數據報】中獲取對應客戶端 ip 和端口號才能完成發送響應，證明了 UDP socket 自身不保存對端的 ip 和端口號，體現了無連接。

2、不可靠傳輸，代碼中沒有體現。

3、receive 和 socket 都是以DatagramPacket 為單位，體現了面向數據報。

4、一個 socket 既能發送（send）有能接收（receive），體現了全雙工。

UdpEchoClient 示例?

public class UdpEchoClient {private DatagramSocket socket = null;private String serverIp;private int serverPort;public UdpEchoClient(String serverIp, int serverPort) throws SocketException {// 客戶端，正常情況下不需要指定端口socket = new DatagramSocket();this.serverIp = serverIp;this.serverPort = serverPort;  // 客戶端對應的服務器端口號}public void start() throws IOException {System.out.println("客戶端啟動");Scanner sc = new Scanner(System.in);while (true) {//1. 從控制臺讀取要發送的數據System.out.print("-> "); //表示提示用戶輸入if (!sc.hasNext()) {   //hasNext 具有阻塞功能break;}String request = sc.next();//2. 構造請求并發送DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(request.getBytes(), request.getBytes().length,InetAddress.getByName(serverIp), serverPort);socket.send(requestPacket);//3. 讀取服務器的響應DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(new byte[4096],4096);// 阻塞等待響應數據返回socket.receive(responsePacket);//4. 把響應顯示到控制臺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();}
}

TCP socket api 的使用

由于 TCP 是面向字節流的，傳輸的基本單位是字節，因此沒有像 UDP 中 DatagramPacket 這樣的類。
Java 把系統原生 api 封裝了，TCP socket 提供的兩個核心的類：

1、ServerSocket

這是Socket 類，同樣抽象地表示了“網卡”但是這個類與 UDP 中使用的 DatagramSocket 不同，這個類只能給服務器進行使用。只負責處理對客戶端的連接，主要 api 是 accept()。

2、Socket?

對應到“網卡”，既能給服務器使用，又能給客戶端使用。相當于電話的兩個聽筒，通過 Socket 完成對端之間的通信。主要的 api 是 getInputStream 和 getOutputStream。
需要注意：由于服務器端的 Socket 對象與客戶端時一一對應的，為了避免無限占用文件描述符表，使用完畢后需要 close 關閉。

TcpEchoServer 示例

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("服務器啟動！");while (true) {// 當客戶端創建出 socket 后（new socket），就會和對應的服務器進行 tcp 連接建立流程// 此時通過 accept 方法來“接聽電話”，然后才能進行通信Socket clientSocket = serverSocket.accept();Thread t = new Thread(() -> {processConnection(clientSocket);});t.start();}}private void processConnection(Socket clientSocket) {System.out.printf("[%s:%d] 客戶端上線！\n", clientSocket.getInetAddress(), clientSocket.getPort());// 循環讀取客戶端的請求并返回響應try (InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream();OutputStream outputStream = clientSocket.getOutputStream()){// 可以使用 inputStream 原本的 read 方法進行讀取// 但是比較繁瑣，為了【方便讀入】，這里使用 Scanner 對輸入流進行輸入Scanner sc = new Scanner(inputStream);while (true) {   // 長連接if (!sc.hasNext()) {// 讀取完畢，客戶端斷開連接System.out.printf("[%s:%d] 客戶端下線！\n", clientSocket.getInetAddress(), clientSocket.getPort());break;}//1. 讀取請求并解析，此處使用 next ，需要注意 next 的讀入規則String request = sc.next();//2. 根據請求計算響應String response = process(request);//3. 把響應返回給客戶端/*  通過這種方式也可以寫回，但是這種方式不方便添加 \noutputStream.write(response.getBytes(),0,response.getBytes().length);*/// 因此為了【方便寫入】，給 outputStream 也套一層，即使用 printWriter// 此處的 printWriter 就類似于 Scanner 將輸入流包裝了一下，而 printWriter 對輸出流包裝了一下PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream);// 通過 println 在末尾添加了 \n，與客戶端的 scNetwork.next 呼應printWriter.println(response);// 刷新緩沖區，確保數據能夠發送出去printWriter.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 {clientSocket.close();}} private String process(String request) {return request;}public static void main(String[] args) throws IOException {TcpEchoServer server = new TcpEchoServer(9090);server.start();}
}

需要注意的是：
1、理解ServerSocket 和Socket 的不同作用，Socket作為接收對象。
2、只有當客戶端 new Socket 時，ServerSocket 才能通過 accept 完成連接。
3、Scanner 和 PrintWriter 。
4、flush 刷新緩沖區。
5、finaly{ clientSocket.close(); }?每個客戶端對應一個Socket，因此每個客戶端完成任務后，需要關閉文件，從而銷毀文件描述符表。而 try（）自動關閉的是流對象，而沒有釋放文件本體。

TcpEchoClient 示例

public class TcpEchoClient {private Socket socket = null;public TcpEchoClient(String serverIp, int serverPort) throws IOException {// 這里直接將 ip 和 port 傳入，是由于 tcp 是有連接的，socket 里能夠保存 ip 和 portsocket = new Socket(serverIp,serverPort);// 因此也不需要額外創建【類成員對象】來保存 ip 和 port}public void start() {System.out.println("客戶端啟動！");try (InputStream inputStream = socket.getInputStream();OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()){// 此處的 scanner 用于控制臺讀取數據Scanner scConsole = new Scanner(System.in);// 此處的 scanner 用于讀取服務器響應回來的數據Scanner scNetwork = new Scanner(inputStream);// 此處 printWriter 用于向服務器寫入請求數據PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream);while (true) {// 這里流程和 UDP 的客戶端類似//1. 從控制臺讀取輸入的字符串System.out.print("-> ");if (!scConsole.hasNext()) {break;}String request = scConsole.next();//2. 把請求發送給服務器，// 使用 printWriter 是為了使發送的請求末尾帶有 \n，與服務器的 sc.next 呼應printWriter.println(request);// 刷新緩沖區，確保數據能夠發送出去printWriter.flush();//3. 從服務器讀取響應String response = scNetwork.next();//4. 打印響應System.out.println(response);}} catch (IOException e) {throw new RuntimeException(e);}}public static void main(String[] args) throws IOException {TcpEchoClient client = new TcpEchoClient("127.0.0.1", 9090);client.start();}
}

需要注意的是：
1、TCP 是有連接的，因此 Socket 能夠直接保存 ip 和 port。
2、flush 刷新緩沖區。

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