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Java 网络编程

作者:微学网发布时间:2019-09-16 09:00:00

什么是网络编程

网络编程是指编写运行在多个设备(计算机)的程序,这些设备都通过网络连接起来。

java.net 包中 J2SEAPI 包含有类和接口,它们提供低层次的通信细节。

你可以直接使用这些类和接口,来专注于解决问题,而不用关注通信细节。

java.net 包中提供了两种常见的网络协议的支持:

  • TCP:TCP 是传输控制协议的缩写,它保障了两个应用程序之间的可靠通信。通常用于互联网协议,被称 TCP / IP。

  • UDP:UDP 是用户数据报协议的缩写,一个无连接的协议。提供了应用程序之间要发送的数据的数据包。

本教程主要讲解以下两个主题。

  • Socket 编程:这是使用最广泛的网络概念,它已被解释地非常详细。

  • URL 处理:这部分会在另外的篇幅里讲,点击这里更详细地了解在 Java 语言中的 URL 处理

Socket 编程

套接字使用TCP提供了两台计算机之间的通信机制。 客户端程序创建一个套接字,并尝试连接服务器的套接字。

当连接建立时,服务器会创建一个 Socket 对象。客户端和服务器现在可以通过对 Socket 对象的写入和读取来进行通信。

java.net.Socket 类代表一个套接字,并且 java.net.ServerSocket 类为服务器程序提供了一种来监听客户端,并与他们建立连接的机制。

以下步骤在两台计算机之间使用套接字建立TCP连接时会出现:

  • 服务器实例化一个 ServerSocket 对象,表示通过服务器上的端口通信。

  • 服务器调用 ServerSocket 类的 accept() 方法,该方法将一直等待,直到客户端连接到服务器上给定的端口。

  • 服务器正在等待时,一个客户端实例化一个 Socket 对象,指定服务器名称和端口号来请求连接。

  • Socket 类的构造函数试图将客户端连接到指定的服务器和端口号。如果通信被建立,则在客户端创建一个 Socket 对象能够与服务器进行通信。

  • 在服务器端,accept() 方法返回服务器上一个新的 socket 引用,该 socket 连接到客户端的 socket。

连接建立后,通过使用 I/O 流在进行通信,每一个socket都有一个输出流和一个输入流,客户端的输出流连接到服务器端的输入流,而客户端的输入流连接到服务器端的输出流。

TCP 是一个双向的通信协议,因此数据可以通过两个数据流在同一时间发送.以下是一些类提供的一套完整的有用的方法来实现 socket。

ServerSocket 类的方法

服务器应用程序通过使用 java.net.ServerSocket 类以获取一个端口,并且侦听客户端请求。

ServerSocket 类有四个构造方法:

序号 方法描述
1 public ServerSocket(int port) throws IOException创建绑定到特定端口的服务器套接字。
2 public ServerSocket(int port, int backlog) throws IOException利用指定的 backlog 创建服务器套接字并将其绑定到指定的本地端口号。
3 public ServerSocket(int port, int backlog, InetAddress address) throws IOException使用指定的端口、侦听 backlog 和要绑定到的本地 IP 地址创建服务器。
4 public ServerSocket() throws IOException创建非绑定服务器套接字。

创建非绑定服务器套接字。 如果 ServerSocket 构造方法没有抛出异常,就意味着你的应用程序已经成功绑定到指定的端口,并且侦听客户端请求。

这里有一些 ServerSocket 类的常用方法:

序号 方法描述
1 public int getLocalPort() 返回此套接字在其上侦听的端口。
2 public Socket accept() throws IOException侦听并接受到此套接字的连接。
3 public void setSoTimeout(int timeout) 通过指定超时值启用/禁用 SO_TIMEOUT,以毫秒为单位。
4 public void bind(SocketAddress host, int backlog)将 ServerSocket 绑定到特定地址(IP 地址和端口号)。

Socket 类的方法

java.net.Socket 类代表客户端和服务器都用来互相沟通的套接字。客户端要获取一个 Socket 对象通过实例化 ,而 服务器获得一个 Socket 对象则通过 accept() 方法的返回值。

Socket 类有五个构造方法.

序号 方法描述
1 public Socket(String host, int port) throws UnknownHostException, IOException.创建一个流套接字并将其连接到指定主机上的指定端口号。
2 public Socket(InetAddress host, int port) throws IOException创建一个流套接字并将其连接到指定 IP 地址的指定端口号。
3 public Socket(String host, int port, InetAddress localAddress, int localPort) throws IOException.创建一个套接字并将其连接到指定远程主机上的指定远程端口。
4 public Socket(InetAddress host, int port, InetAddress localAddress, int localPort) throws IOException.创建一个套接字并将其连接到指定远程地址上的指定远程端口。
5 public Socket()通过系统默认类型的 SocketImpl 创建未连接套接字

当 Socket 构造方法返回,并没有简单的实例化了一个 Socket 对象,它实际上会尝试连接到指定的服务器和端口。

下面列出了一些感兴趣的方法,注意客户端和服务器端都有一个 Socket 对象,所以无论客户端还是服务端都能够调用这些方法。

序号 方法描述
1 public void connect(SocketAddress host, int timeout) throws IOException
将此套接字连接到服务器,并指定一个超时值。
2 public InetAddress getInetAddress()
返回套接字连接的地址。
3 public int getPort()
返回此套接字连接到的远程端口。
4 public int getLocalPort()
返回此套接字绑定到的本地端口。
5 public SocketAddress getRemoteSocketAddress()
返回此套接字连接的端点的地址,如果未连接则返回 null。
6 public InputStream getInputStream() throws IOException
返回此套接字的输入流。
7 public OutputStream getOutputStream() throws IOException
返回此套接字的输出流。
8 public void close() throws IOException
关闭此套接字。

InetAddress 类的方法

这个类表示互联网协议(IP)地址。下面列出了 Socket 编程时比较有用的方法:

序号 方法描述
1 static InetAddress getByAddress(byte[] addr)在给定原始 IP 地址的情况下,返回 InetAddress 对象。
2 static InetAddress getByAddress(String host, byte[] addr)根据提供的主机名和 IP 地址创建 InetAddress。
3 static InetAddress getByName(String host)在给定主机名的情况下确定主机的 IP 地址。
4 String getHostAddress() 返回 IP 地址字符串(以文本表现形式)。
5 String getHostName() 获取此 IP 地址的主机名。
6 static InetAddress getLocalHost()返回本地主机。
7 String toString()将此 IP 地址转换为 String。

Socket 客户端实例

如下的 GreetingClient 是一个客户端程序,该程序通过 socket 连接到服务器并发送一个请求,然后等待一个响应。

GreetingClient.java 文件代码:

// 文件名 GreetingClient.java

import java.net.*;
import java.io.*;

public class GreetingClient
{
   public static void main(String [] args)
   {
      String serverName = args[0];
      int port = Integer.parseInt(args[1]);
      try
      {
         System.out.println("连接到主机:" + serverName + " ,端口号:" + port);
         Socket client = new Socket(serverName, port);
         System.out.println("远程主机地址:" + client.getRemoteSocketAddress());
         OutputStream outToServer = client.getOutputStream();
         DataOutputStream out = new DataOutputStream(outToServer);

         out.writeUTF("Hello from " + client.getLocalSocketAddress());
         InputStream inFromServer = client.getInputStream();
         DataInputStream in = new DataInputStream(inFromServer);
         System.out.println("服务器响应: " + in.readUTF());
         client.close();
      }catch(IOException e)
      {
         e.printStackTrace();
      }
   }
}

Socket 服务端实例

如下的GreetingServer 程序是一个服务器端应用程序,使用 Socket 来监听一个指定的端口。

GreetingServer.java 文件代码:

// 文件名 GreetingServer.java

import java.net.*;
import java.io.*;

public class GreetingServer extends Thread
{
   private ServerSocket serverSocket;

   public GreetingServer(int port) throws IOException
   {
      serverSocket = new ServerSocket(port);
      serverSocket.setSoTimeout(10000);
   }

   public void run()
   {
      while(true)
      {
         try
         {
            System.out.println("等待远程连接,端口号为:" + serverSocket.getLocalPort() + "...");
            Socket server = serverSocket.accept();
            System.out.println("远程主机地址:" + server.getRemoteSocketAddress());
            DataInputStream in = new DataInputStream(server.getInputStream());
            System.out.println(in.readUTF());
            DataOutputStream out = new DataOutputStream(server.getOutputStream());
            out.writeUTF("谢谢连接我:" + server.getLocalSocketAddress() + "\nGoodbye!");
            server.close();
         }catch(SocketTimeoutException s)
         {
            System.out.println("Socket timed out!");
            break;
         }catch(IOException e)
         {
            e.printStackTrace();
            break;
         }
      }
   }
   public static void main(String [] args)
   {
      int port = Integer.parseInt(args[0]);
      try
      {
         Thread t = new GreetingServer(port);
         t.run();
      }catch(IOException e)
      {
         e.printStackTrace();
      }
   }
}

编译以上两个 java 文件代码,并执行以下命令来启动服务,使用端口号为 6066:

$ javac GreetingServer.java 
$ java GreetingServer 6066
等待远程连接,端口号为:6066...

新开一个命令窗口,执行以上命令来开启客户端:

$ javac GreetingClient.java 
$ java GreetingClient localhost 6066
连接到主机:localhost ,端口号:6066
远程主机地址:localhost/127.0.0.1:6066
服务器响应: 谢谢连接我:/127.0.0.1:6066
Goodbye!

其他网络编程概念

  • 同步和异步:同步和异步是针对应用程序和内核的交互而言的,同步指的是用户进程触发IO 操作并等待或者轮询的去查看IO 操作是否就绪,而异步是指用户进程触发IO 操作以后便开始做自己的事情,而当IO 操作已经完成的时候会得到IO 完成的通知。

以银行取款为例:

  • 同步 : 自己亲自出马持银行卡到银行取钱(使用同步 IO 时,Java 自己处理IO 读写);

  • 异步 : 委托一小弟拿银行卡到银行取钱,然后给你(使用异步IO 时,Java 将 IO 读写委托给OS 处理,需要将数据缓冲区地址和大小传给OS(银行卡和密码),OS 需要支持异步IO操作API);

  • 阻塞和非阻塞:阻塞和非阻塞是针对于进程在访问数据的时候,根据IO操作的就绪状态来采取的不同方式,说白了是一种读取或者写入操作方法的实现方式,阻塞方式下读取或者写入函数将一直等待,而非阻塞方式下,读取或者写入方法会立即返回一个状态值。

以银行取款为例:

  • 阻塞 : ATM排队取款,你只能等待(使用阻塞IO时,Java调用会一直阻塞到读写完成才返回);

  • 非阻塞 : 柜台取款,取个号,然后坐在椅子上做其它事,等号广播会通知你办理,没到号你就不能去,你可以不断问大堂经理排到了没有,大堂经理如果说还没到你就不能去(使用非阻塞IO时,如果不能读写Java调用会马上返回,当IO事件分发器通知可读写时再继续进行读写,不断循环直到读写完成)

  • BIO 编程

Blocking IO: 同步阻塞的编程方式。

BIO编程方式通常是在JDK1.4版本之前常用的编程方式。编程实现过程为:首先在服务端启动一个ServerSocket来监听网络请求,客户端启动Socket发起网络请求,默认情况下ServerSocket回建立一个线程来处理此请求,如果服务端没有线程可用,客户端则会阻塞等待或遭到拒绝。

且建立好的连接,在通讯过程中,是同步的。在并发处理效率上比较低。大致结构如下:

同步并阻塞,服务器实现模式为一个连接一个线程,即客户端有连接请求时服务器端就需要启动一个线程进行处理,如果这个连接不做任何事情会造成不必要的线程开销,当然可以通过线程池机制改善。

BIO方式适用于连接数目比较小且固定的架构,这种方式对服务器资源要求比较高,并发局限于应用中,JDK1.4以前的唯一选择,但程序直观简单易理解。

使用线程池机制改善后的BIO模型图如下:

  • NIO 编程:Unblocking IO(New IO): 同步非阻塞的编程方式。

NIO本身是基于事件驱动思想来完成的,其主要想解决的是BIO的大并发问题,NIO基于Reactor,当socket有流可读或可写入socket时,操作系统会相应的通知引用程序进行处理,应用再将流读取到缓冲区或写入操作系统。也就是说,这个时候,已经不是一个连接就要对应一个处理线程了,而是有效的请求,对应一个线程,当连接没有数据时,是没有工作线程来处理的。

NIO的最重要的地方是当一个连接创建后,不需要对应一个线程,这个连接会被注册到多路复用器上面,所以所有的连接只需要一个线程就可以搞定,当这个线程中的多路复用器进行轮询的时候,发现连接上有请求的话,才开启一个线程进行处理,也就是一个请求一个线程模式。

在NIO的处理方式中,当一个请求来的话,开启线程进行处理,可能会等待后端应用的资源(JDBC连接等),其实这个线程就被阻塞了,当并发上来的话,还是会有BIO一样的问题

  • AIO编程:Asynchronous IO: 异步非阻塞的编程方式。

与NIO不同,当进行读写操作时,只须直接调用API的read或write方法即可。这两种方法均为异步的,对于读操作而言,当有流可读取时,操作系统会将可读的流传入read方法的缓冲区,并通知应用程序;对于写操作而言,当操作系统将write方法传递的流写入完毕时,操作系统主动通知应用程序。即可以理解为,read/write方法都是异步的,完成后会主动调用回调函数。在JDK1.7中,这部分内容被称作NIO.2,主要在java.nio.channels包下增加了下面四个异步通道:AsynchronousSocketChannel、AsynchronousServerSocketChannel、AsynchronousFileChannel、AsynchronousDatagramChannel

bio示例

server示例:

public class Server {

    public static void main(String[] args) {
        int port = genPort(args);

        ServerSocket server = null;
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(50);

        try{
            server = new ServerSocket(port);
            System.out.println("server started!");
            while(true){
                Socket socket = server.accept();

                service.execute(new Handler(socket));
            }
        }catch(Exception e){
            e.printStackTrace();
        }finally{
            if(server != null){
                try {
                    server.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            server = null;
        }
    }

    static class Handler implements Runnable{
        Socket socket = null;
        public Handler(Socket socket){
            this.socket = socket;
        }
        @Override
        public void run() {
            BufferedReader reader = null;
            PrintWriter writer = null;
            try{

                reader = new BufferedReader(
                        new InputStreamReader(socket.getInputStream(), "UTF-8"));
                writer = new PrintWriter(
                        new OutputStreamWriter(socket.getOutputStream(), "UTF-8"));
                String readMessage = null;
                while(true){
                    System.out.println("server reading... ");
                    if((readMessage = reader.readLine()) == null){
                        break;
                    }
                    System.out.println(readMessage);
                    writer.println("server recive : " + readMessage);
                    writer.flush();
                }
            }catch(Exception e){
                e.printStackTrace();
            }finally{
                if(socket != null){
                    try {
                        socket.close();
                    } catch (IOException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                socket = null;
                if(reader != null){
                    try {
                        reader.close();
                    } catch (IOException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                reader = null;
                if(writer != null){
                    writer.close();
                }
                writer = null;
            }
        }

    }

    private static int genPort(String[] args){
        if(args.length > 0){
            try{
                return Integer.parseInt(args[0]);
            }catch(NumberFormatException e){
                return 9999;
            }
        }else{
            return 9999;
        }
    }
}

client示例:

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        String host = null;
        int port = 0;
        if(args.length > 2){
            host = args[0];
            port = Integer.parseInt(args[1]);
        }else{
            host = "127.0.0.1";
            port = 9999;
        }

        Socket socket = null;
        BufferedReader reader = null;
        PrintWriter writer = null;
        Scanner s = new Scanner(System.in);
        try{
            socket = new Socket(host, port);
            String message = null;

            reader = new BufferedReader(
                    new InputStreamReader(socket.getInputStream(), "UTF-8"));
            writer = new PrintWriter(
                    socket.getOutputStream(), true);
            while(true){
                message = s.nextLine();
                if(message.equals("exit")){
                    break;
                }
                writer.println(message);
                writer.flush();
                System.out.println(reader.readLine());
            }
        }catch(Exception e){
            e.printStackTrace();
        }finally{
            if(socket != null){
                try {
                    socket.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            socket = null;
            if(reader != null){
                try {
                    reader.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            reader = null;
            if(writer != null){
                writer.close();
            }
            writer = null;
        }
    }
}

以上只是简单示例,仅供参考!

DatagramSocket(UDP)简单示例

服务端:

public class Server {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            DatagramSocket server = new DatagramSocket(5060);
            DatagramPacket packet = new DatagramPacket(new byte[1024], 1024);
            server.receive(packet);
            System.out.println(packet.getAddress().getHostName() + "(" + packet.getPort() + "):" + new String(packet.getData()));
            packet.setData("Hello Client".getBytes());
            packet.setPort(5070);
            packet.setAddress(InetAddress.getLocalHost());
            server.send(packet);
            server.close();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

客户端:

public class Client {
    public static void main(String[] args){
        try {
            DatagramSocket client = new DatagramSocket(5070);
            DatagramPacket packet = new DatagramPacket(new byte[1024],1024);
            packet.setPort(5060);
            packet.setAddress(InetAddress.getLocalHost());
            packet.setData("Hello Server".getBytes());
            client.send(packet);
            client.receive(packet);
            System.out.println(packet.getAddress().getHostName() + "(" + packet.getPort() + "):" + new String(packet.getData()));
            client.close();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}