Java核心API-网络编程

网络编程

网络应用模型

• C/S：这里的C是指Client，即客户端，而S是指Server，即服务端，网络上的的应用本质上就是两台计算机上的软件进行交互，而客户端和服务端就是对应的两个应用程序，即客户端应用程序和服务端应用程序
• B/S：这里的B是Browser，即浏览器，而S是指Server，浏览器是一个通用的客户端，可以与不同的服务端进行交互，但是本质上B/S还是C/S结构，只不过浏览器是一个通用的客户端而已

可靠传输与不可靠传输

TCP协议与UDP协议都是传输协议，客户端程序与服务端程序基于这些协议完成网络间的数据交互

• TCP是可靠传输协议，是面向连接的协议，保证数据传输中的可靠性和完整性
  TCP保证可靠传输，但是传输效率低，占用带宽高
• UDP是不可靠传输协议，不保证数据传输的完整性
  UDP不保证可靠传输，但是传输速度块，占用带宽小

Socket与ServerSocket

• java.net.Socket
  Socket(套接字)封装了TCP协议的通讯细节，我们使用它可以与服务端建立网络链接，并通过它获取两个流(一个输入一个输出)，然后使用这两个流的读写操作完成与服务端的数据交互
• java.net.ServerSocket
  • ServerSocket运行在服务端，作用有两个:
    • 向系统申请服务端口，客户端的Socket就是通过这个端口与服务端建立连接的
    • 监听服务端口，一旦一个客户端通过该端口建立连接则会自动创建一个Socket，并通过该Socket与客户端进行数据交互
      

与服务端建立连接案例（聊天室）

客户端：

package socket;import java.io.IOException;
import java.net.Socket;/*** 聊天室客户端*/
public class Client {/** java.net.Socket 套接字* Socket 封装了 TCP 协议的通讯细节，我们通过它可以与远端计算机建立链接，* 并通过它获取两个流(一个输入，一个输出)，然后对两个流的数据读写完成* 与远端计算机的数据交互工作。* 我们可以把 Socket 想象成是一个电话，电话有一个听筒(输入流)，一个麦克* 风(输出流)，通过它们就可以与对方交流了。*/private Socket socket;/*** 构造方法，用来初始化客户端*/public Client() {try {System.out.println("正在链接服务端...");/** 实例化 Socket 时要传入两个参数* 参数 1:服务端的地址信息* 可以是 IP 地址，如果链接本机可以写"localhost"* 参数 2:服务端开启的服务端口* 我们通过 IP 找到网络上的服务端计算机，通过端口链接运行在该机器上* 的服务端应用程序。* 实例化的过程就是链接的过程，如果链接失败会抛出异常:* java.net.ConnectException: Connection refused: connect*/socket = new Socket("localhost", 8088);System.out.println("与服务端建立链接!");} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}/*** 客户端开始工作的方法*/public void start() {}public static void main(String[] args) {Client client = new Client();client.start();}
}

服务端：

package socket;import java.io.IOException;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;/*** 聊天室服务端*/
public class Server {/*** 运行在服务端的 ServerSocket 主要完成两个工作:* 1: 向服务端操作系统申请服务端口，客户端就是通过这个端口与 ServerSocket 建立链接* 2: 监听端口，一旦一个客户端建立链接，会立即返回一个 Socket。通过这个 Socket*    就可以和该客户端交互了* * 我们可以把 ServerSocket 想象成某客服的"总机"。用户打电话到总机，总机分配一个* 电话使得服务端与你沟通。*/private ServerSocket serverSocket;/*** 服务端构造方法，用来初始化*/public Server() {try {System.out.println("正在启动服务端...");/** 实例化 ServerSocket 时要指定服务端口，该端口不能与操作系统其他* 应用程序占用的端口相同，否则会抛出异常:* java.net.BindException: address already in use* 端口是一个数字，取值范围: 0 - 65535 之间。* 6000 之前的端口不要使用，密集绑定系统应用和流行应用程序。*/serverSocket = new ServerSocket(8088);System.out.println("服务端启动完毕!");} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}/*** 服务端开始工作的方法*/public void start() {try {System.out.println("等待客户端链接...");/** ServerSocket 提供了接受客户端链接的方法:* Socket accept()* 这个方法是一个阻塞方法，调用后方法"卡住"，此时开始等待客户端* 的链接，直到一个客户端链接，此时该方法会立即返回一个 Socket 实例* 通过这个 Socket 就可以与客户端进行交互了。* 可以理解为此操作是接电话，电话没响时就一直等。*/Socket socket = serverSocket.accept();System.out.println("一个客户端链接了！");} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}public static void main(String[] args) {Server server = new Server();server.start();}
}

客户端与服务端完成第一次通讯(发送一行字符串)

Socket提供了两个重要的方法：

• OutputStream getOutputStream()
  该方法会获取一个字节输出流，通过这个输出流写出的字节数据会通过网络发送给对方
• InputStream getInputStream()
  通过该方法获取的字节输入流读取的是远端计算机发送过来的数据

客户端：

package socket;import java.io.*;
import java.net.Socket;/*** 聊天室客户端*/
public class Client {/** java.net.Socket 套接字* Socket 封装了 TCP 协议的通讯细节，我们通过它可以与远端计算机建立链接，* 并通过它获取两个流(一个输入，一个输出)，然后对两个流的数据读写完成* 与远端计算机的数据交互工作。* 我们可以把 Socket 想象成是一个电话，电话有一个听筒(输入流)，一个麦克风(输出流)，* 通过它们就可以与对方交流了。*/private Socket socket;/*** 构造方法，用来初始化客户端*/public Client() {try {System.out.println("正在链接服务端...");/** 实例化 Socket 时要传入两个参数* 参数 1: 服务端的地址信息* 可以是 IP 地址，如果链接本机可以写 "localhost"* 参数 2: 服务端开启的服务端口* 我们通过 IP 找到网络上的服务端计算机，通过端口链接运行在该机器上* 的服务端应用程序。* 实例化的过程就是链接的过程，如果链接失败会抛出异常:* java.net.ConnectException: Connection refused: connect*/socket = new Socket("localhost", 8088);System.out.println("与服务端建立链接!");} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}/*** 客户端开始工作的方法*/public void start() {try {/** Socket 提供了一个方法:* OutputStream getOutputStream()* 该方法获取的字节输出流写出的字节会通过网络发送给对方计算机。*/// 低级流，将字节通过网络发送给对方OutputStream out = socket.getOutputStream();String line = "你好服务端!";byte[] data = line.getBytes(StandardCharsets.UTF_8);out.write(data.length); // 单独发送一个字节,表示后面字符串转换的字节数组的长度out.write(data); // 然后再将字符串转换的所有字节发送给服务端} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}public static void main(String[] args) {Client client = new Client();client.start();}
}

服务端：

package socket;import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.InputStreamReader;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;/*** 聊天室服务端*/
public class Server {/*** 运行在服务端的 ServerSocket 主要完成两个工作:* 1: 向服务端操作系统申请服务端口，客户端就是通过这个端口与 ServerSocket 建立链接* 2: 监听端口，一旦一个客户端建立链接，会立即返回一个 Socket。通过这个 Socket*    就可以和该客户端交互了** 我们可以把 ServerSocket 想象成某客服的"总机"。用户打电话到总机，总机分配一个* 电话使得服务端与你沟通。*/private ServerSocket serverSocket;/*** 服务端构造方法，用来初始化*/public Server() {try {System.out.println("正在启动服务端...");/** 实例化 ServerSocket 时要指定服务端口，该端口不能与操作系统其他* 应用程序占用的端口相同，否则会抛出异常:* java.net.BindException: address already in use* 端口是一个数字，取值范围: 0 - 65535 之间。* 6000 之前的端口不要使用，密集绑定系统应用和流行应用程序。*/serverSocket = new ServerSocket(8088);System.out.println("服务端启动完毕!");} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}/*** 服务端开始工作的方法*/public void start() {try {System.out.println("等待客户端链接...");/** ServerSocket 提供了接受客户端链接的方法:* Socket accept()* 这个方法是一个阻塞方法，调用后方法"卡住"，此时开始等待客户端* 的链接，直到一个客户端链接，此时该方法会立即返回一个 Socket 实例* 通过这个 Socket 就可以与客户端进行交互了。* 可以理解为此操作是接电话，电话没响时就一直等。*/Socket socket = serverSocket.accept();System.out.println("一个客户端链接了！");// 需求:读取客户端发送过来的一个字符串/** Socket 提供的一个重要方法:* InputStream getInputStream()* 实现客户端循环发消息给服务端* 通过 Socket 获取一个字节输入流,读取的是来自对方送过来的字节数据*/InputStream in = socket.getInputStream();// 首先单独读取 1 个字节,接收客户端发送过来的数据的长度int len = in.read();byte[] data = new byte[len];in.read(data);String line = new String(data, StandardCharsets.UTF_8);System.out.println("客户端说:" + line);} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}public static void main(String[] args) {Server server = new Server();server.start();}
}

实现客户端循环发消息给服务端

客户端：

package socket;import java.io.*;
import java.net.Socket;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
import java.util.Scanner;/*** 聊天室客户端*/
public class Client {/** java.net.Socket 套接字* Socket 封装了 TCP 协议的通讯细节，我们通过它可以与远端计算机建立链接，* 并通过它获取两个流(一个输入，一个输出)，然后对两个流的数据读写完成* 与远端计算机的数据交互工作。* 我们可以把 Socket 想象成是一个电话，电话有一个听筒(输入流)，一个麦克风(输出流)，* 通过它们就可以与对方交流了。*/private Socket socket;/*** 构造方法，用来初始化客户端*/public Client() {try {System.out.println("正在链接服务端...");/** 实例化 Socket 时要传入两个参数* 参数 1: 服务端的地址信息* 可以是 IP 地址，如果链接本机可以写 "localhost"* 参数 2: 服务端开启的服务端口* 我们通过 IP 找到网络上的服务端计算机，通过端口链接运行在该机器上* 的服务端应用程序。* 实例化的过程就是链接的过程，如果链接失败会抛出异常:* java.net.ConnectException: Connection refused: connect*/socket = new Socket("localhost", 8088);System.out.println("与服务端建立链接!");} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}/*** 客户端开始工作的方法*/public void start() {try {/** Socket 提供了一个方法:* OutputStream getOutputStream()* 该方法获取的字节输出流写出的字节会通过网络发送给对方计算机。*/// 低级流，将字节通过网络发送给对方OutputStream out = socket.getOutputStream();// 实现:循环操作,将控制台输入的每一行字符串陆续发送给服务端Scanner scanner = new Scanner(System.in);System.out.println("开始聊天吧!");while (true) {String line = scanner.nextLine();byte[] data = line.getBytes(StandardCharsets.UTF_8);out.write(data.length); // 单独发送一个字节,表示后面字符串转换的字节数组的长度out.write(data); // 然后再将字符串转换的所有字节发送给服务端}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();} finally {try {/** 通讯完毕后调用 socket 的 close 方法。* 该方法会给对方发送断开信号。*/socket.close();} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}}public static void main(String[] args) {Client client = new Client();client.start();}
}

服务端：

package socket;import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.InputStreamReader;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;/*** 聊天室服务端*/
public class Server {/*** 运行在服务端的 ServerSocket 主要完成两个工作:* 1: 向服务端操作系统申请服务端口，客户端就是通过这个端口与 ServerSocket 建立链接* 2: 监听端口，一旦一个客户端建立链接，会立即返回一个 Socket。通过这个 Socket*    就可以和该客户端交互了** 我们可以把 ServerSocket 想象成某客服的"总机"。用户打电话到总机，总机分配一个* 电话使得服务端与你沟通。*/private ServerSocket serverSocket;/*** 服务端构造方法，用来初始化*/public Server() {try {System.out.println("正在启动服务端...");/** 实例化 ServerSocket 时要指定服务端口，该端口不能与操作系统其他* 应用程序占用的端口相同，否则会抛出异常:* java.net.BindException: address already in use* 端口是一个数字，取值范围: 0 - 65535 之间。* 6000 之前的端口不要使用，密集绑定系统应用和流行应用程序。*/serverSocket = new ServerSocket(8088);System.out.println("服务端启动完毕!");} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}/*** 服务端开始工作的方法* 需要注意的几个点:* 当客户端不再与服务端通讯时，需要调用 socket.close() 断开链接，此时会发送断开链接的信号给服务端。这* 时服务端的 br.readLine() 方法会返回 null，表示客户端断开了链接。* 当客户端链接后不输入信息发送给服务端时，服务端的 br.readLine() 方法是出于阻塞状态的，直到读取了一行* 来自客户端发送的字符串。*/public void start() {try {System.out.println("等待客户端链接...");/** ServerSocket 提供了接受客户端链接的方法:* Socket accept()* 这个方法是一个阻塞方法，调用后方法"卡住"，此时开始等待客户端* 的链接，直到一个客户端链接，此时该方法会立即返回一个 Socket 实例* 通过这个 Socket 就可以与客户端进行交互了。* 可以理解为此操作是接电话，电话没响时就一直等。*/Socket socket = serverSocket.accept();System.out.println("一个客户端链接了！");/** Socket 提供的方法:* InputStream getInputStream()* 获取的字节输入流读取的是对方计算机发送过来的字节*/InputStream in = socket.getInputStream();int len;/** 首先单独读取 1 个字节,接收客户端发送过来的数据的长度* 如果读取一个字节返回值为 -1,则说明流读取到了末尾,对于这里来讲就是客户端* 与我们断开连接,我们才无法再从流中读取字节*/while ((len = in.read()) != -1) {byte[] data = new byte[len];in.read(data);String line = new String(data, StandardCharsets.UTF_8);System.out.println("客户端说:" + line);}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}public static void main(String[] args) {Server server = new Server();server.start();}
}

需要注意的几个点：

• 当客户端不再与服务端通讯时，需要调用socket.close()断开链接，此时会发送断开链接的信号给服务端，这时服务端的br.readLine()方法会返回null，表示客户端断开了连接
• 当客户端链接后不输入信息发送给服务端时，服务端的br.readLine()方法是处于阻塞状态的，直到读取了一行来自客户端发送的字符串

TCP进行连接时的三次握手

TCP断开连接时的四次挥手

多客户端链接

只有第一个连接的客户端可以与服务端说话

原因:
服务端只调用过一次accept方法，因此只有第一个客户端链接时服务端接受了连接并返回了Socket，此时可以与其交互，而第二个客户端建立连接时，由于服务端没有再次调用accept，因此无法与其交互

服务器端：

package socket;import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.InputStreamReader;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;/*** 聊天室服务端*/
public class Server {/*** 运行在服务端的 ServerSocket 主要完成两个工作:* 1: 向服务端操作系统申请服务端口，客户端就是通过这个端口与 ServerSocket 建立链接* 2: 监听端口，一旦一个客户端建立链接，会立即返回一个 Socket。通过这个 Socket*    就可以和该客户端交互了** 我们可以把 ServerSocket 想象成某客服的"总机"。用户打电话到总机，总机分配一个* 电话使得服务端与你沟通。*/private ServerSocket serverSocket;/*** 服务端构造方法，用来初始化*/public Server() {try {System.out.println("正在启动服务端...");/** 实例化 ServerSocket 时要指定服务端口，该端口不能与操作系统其他* 应用程序占用的端口相同，否则会抛出异常:* java.net.BindException: address already in use* 端口是一个数字，取值范围: 0 - 65535 之间。* 6000 之前的端口不要使用，密集绑定系统应用和流行应用程序。*/serverSocket = new ServerSocket(8088);System.out.println("服务端启动完毕!");} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}/*** 服务端开始工作的方法*/public void start() {try {while (true) {System.out.println("等待客户端链接...");/** ServerSocket 提供了接受客户端链接的方法:* Socket accept()* 这个方法是一个阻塞方法，调用后方法"卡住"，此时开始等待客户端* 的链接，直到一个客户端链接，此时该方法会立即返回一个 Socket 实例* 通过这个 Socket 就可以与客户端进行交互了。* 可以理解为此操作是接电话，电话没响时就一直等。*/Socket socket = serverSocket.accept();System.out.println("一个客户端链接了！");/** Socket 提供的方法:* InputStream getInputStream()* 获取的字节输入流读取的是对方计算机发送过来的字节*/InputStream in = socket.getInputStream();int len;/** 首先单独读取 1 个字节,接收客户端发送过来的数据的长度* 如果读取一个字节返回值为 -1,则说明流读取到了末尾,对于这里来讲就是客户端* 与我们断开连接,我们才无法再从流中读取字节*/while ((len = in.read()) != -1) {byte[] data = new byte[len];in.read(data);String line = new String(data, StandardCharsets.UTF_8);System.out.println("客户端说:" + line);}}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}public static void main(String[] args) {Server server = new Server();server.start();}
}

添加循环操作后，发现依然无法实现

原因在于：
外层的while循环里面嵌套了一个内层循环(循环读取客户端发送消息)，而循环执行机制决定了里层循环不结束，外层循环则无法进入第二次操作

使用多线程实现多客户端连接服务端

若想使一个服务端可以支持多客户端连接，我们需要解决以下问题

• 循环调用accept方法侦听客户端的连接
• 使用线程来处理单一客户端的数据交互

因为需要处理多客户端，所以服务端要循环调用accept方法，但该方法会产生阻塞，且读取客户端的消息也是依靠一个循环完成的，这会导致它接近是一个死循环，不结束的话也会影响服务端再次调用accept方法，所以与某个客户端的交互就需要使用线程来并发处理

服务端代码改造：

package socket;import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.InputStreamReader;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.nio.charset.StandardCharsets;/*** 聊天室服务端*/
public class Server {private ServerSocket serverSocket;public Server() {try {/** 运行在服务端的ServerSocket可以理解为是电话的"总机"，可以同时接受多个* 客户端的链接。* ServerSocket创建时要向系统申请服务端口，客户端就是通过这个端口与服务端* 建立链接的，并且ServerSocket要监听服务端口，这样一旦一个客户端链接ServerSocket* 会立即创建一个Socket与开客户端交互* 需要注意，实例化ServerSocket指定的服务端口不能与当前系统其他应用程序* 开启的服务端口冲突，否则会抛出异常:* java.net.BindException:address already in use*/System.out.println("正在启动服务端...");serverSocket = new ServerSocket(8088);System.out.println("服务端启动完毕!");} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}public void start() {try {/** ServerSocket提供的重要方法:* Socket accept()* 该方法用于等待并接收客户端的链接，一旦一个客户端链接accept方法会立即* 返回一个Socket实例，通过这个Socket就可以与刚建立链接的客户端交互。* 如果没有客户端链接，那么accept方法会处于阻塞状态进行等待.*/while (true) {System.out.println("等待客户端链接...");Socket socket = serverSocket.accept();System.out.println("一个客户端链接了!");// 启动一条线程来处理与该客户端的交互ClientHandler handler = new ClientHandler(socket);Thread t = new Thread(handler);t.start();}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}public static void main(String[] args) {Server server = new Server();server.start();}/*** 线程任务,负责与指定客户端进行交互*/private class ClientHandler implements Runnable {private Socket socket;private String host; // 记录该客户端的IP地址信息public ClientHandler(Socket socket) {this.socket = socket;// 通过socket获取远端计算机IP地址host = socket.getInetAddress().getHostAddress();}@Overridepublic void run() {try {InputStream in = socket.getInputStream();int len;/** 首先单独读取1个字节,接收客户端发送过来的数据的长度* 如果读取一个字节返回值为-1,则说明流读取到了末尾,对于这里来讲就是客户端* 与我们断开连接,我们才无法再从流中读取字节*/while ((len = in.read()) != -1) {byte[] data = new byte[len];in.read(data);String line = new String(data, StandardCharsets.UTF_8);System.out.println("客户端说:" + line);}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}}
}