网络编程——套接字

一、Socket套接字

（一）概念

（二）分类

1.流套接字：

2.数据报套接字

3.原始套接字

二、TCP协议VSUDP协议

（一）有连接VS无连接

（二）可靠传输VS不可靠传输

（三）面向字节流VS面向数据报

（四）全双工VS半双工

三、UDP协议中的socket api

（一）DatagramSocket类

（二）DatagramPacket类

（三）InetSocketAddress类

四、UDP协议的回显服务器

（一）UdpEchoServer回显服务器

（二）UdpEchoClient客户端

（三）拓展：英译汉服务器

五、TCP协议中的socket api

（一）ServerSocket类

（二）Socket类

六、TCP协议的回显服务器

（一）TcpEchoServer回显服务器

（二）TcpEchoClient客户端

一、Socket套接字

（一）概念

Socket套接字，是有系统提供用于网络通信的技术，是基于TCP/IP协议的网络通信的基本操作单元。基于Socket套接字的网络程序开发就是网络编程。

（二）分类

1.流套接字：

使用传输层TCP协议，是以字节流的格式来通信的。对于字节流来说，可以简单的理解为传输数据是基于IO流，流失数据的特征就是在IO流没有关闭的情况下，是无边界的数据，可以多次发送，也可以分开多次发送。

2.数据报套接字

使用传输层UDP协议，是以数据报的格式来通信的。对于数据报来说，可以简单的理解为，传输数据是一块一块的，发送一块数据假如100个字节，必须一次发送，接收也必须一次接收100个字节，而不能分100次，每次接收1个字节。

3.原始套接字

原始套接字用于自定义传输层协议，用于读写内核没有处理的IP协议数据。

二、TCP协议VSUDP协议

TCP的特点：

有连接
可靠传输
面向字节流
全双工

UDP的特点：

无连接
不可靠传输
面向数据报
全双工

（一）有连接VS无连接

这是抽象的概念，指的是虚拟的/逻辑上的连接。

对于TCP来说，TCP协议中，就保存了对端的信息： A和B通信，A和B先建立连接，让A保存B的信息，B保存A的信息（彼此之间知道要连接的是哪个）。
对于UDP来说，UDP协议本身，不保存对方的信息，就是无连接。

（二）可靠传输VS不可靠传输

在网络上，数据是非常容易出现丢失的情况的（丢包），光信号/电信号都可能受到外界的干扰。

在进行通信时，不能指望一个数据包100%地到达对方。

可靠传输指的是，虽然不能保证数据包100%到达，但是能尽可能提高传输成功的概率。
不可靠传输只是把数据发了，就不管了。

（三）面向字节流VS面向数据报

面向字节流指的是在读写数据时，以字节为单位。
面向数据报指的是读写数据时，以数据报为单位。

（四）全双工VS半双工

全双工指的是一个通信链路中，支持双向通信（能读也能写）。
半双工指的是一个通信链路中，只支持单向通信（要么读，要么写）。

三、UDP协议中的socket api

计算机中的“文件”，是一个广义的概念，文件还能代指一些硬件设备（操作系统管理硬件设备，也是抽象成文件，统一管理的）。

UDP协议是用来操作网卡的，将网卡抽象成socket文件，操作网卡的时候，流程和操作普通文件差不多。

（一）DatagramSocket类

DatagramSocket类是用来操作socket文件，发送和接收数据报的。

构造方法：

方法签名	方法说明
DatagramSocket()	创建一个UDP数据报套接字的Socket，绑定到主机的任意一个随机端口号（一般用于客户端）。
DatagramSocket(int port)	创建一个UDP数据报套接字的Socket，绑定到主机的一个指定的端口号（一般用于服务端）。

成员方法：

方法签名	方法说明
void receive(DatagramPacket p)	从此套接字接收数据报（如果没有接受到数据报，该方法会阻塞等待）。
void send(DatagramPacket p)	从此套接字发送数据报（不会阻塞等待，直接发送）。
void close()	关闭此数据报套接字。

（二）DatagramPacket类

DatagramPacket就是UDP发送和接收的数据报。

构造方法：

方法签名	方法说明
DatagramPacket(byte[]buf,int length)	构造一个DatagramPacket用来接收数据报，接收的数据报保存在字节数组中（第一个参数buf），接收的指定长度（第二个参数length）。
DatagramPacket(byte[]buf,int offset,int length,SocketAddress address)	构造一个DatagramPacket用来接收数据报，接收的数据报保存在字节数组中（第一个参数buf），指定起点（第二个参数offset），接收的指定长度（第三个参数length）。address指定目的主机的IP和端口号。

成员方法：

方法签名	方法说明
InetAddress getAddress()	从接收的数据报中，获取发送端的主机IP地址；或从发送的数据报中，获取接收端的主机IP地址。
int getPort()	从接收的数据报中，获取发送端的主机的端口号；或从发送的数据报中，获取接收端的主机的端口号。
byte[] getData()	获取数据报中的数据。

（三）InetSocketAddress类

构造UDP发送的数据报时，需要传入SocketAddress（父类），该对象可以使用InetSocketAddress（子类）来创建。

InetSocketAddress的构造方法：

方法签名	方法说明
InetSocketAddress(InetAddress addr,int port)	创建一个Socket地址，包含IP地址和端口号

四、UDP协议的回显服务器

Java数据报套接字通信模型：

（一）UdpEchoServer回显服务器

package NetWork;import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.SocketException;//UDP协议的回显服务器
//服务器端
public class UdpEchoServer {private DatagramSocket socket=null;//指定了一个固定端口号, 让服务器来使用.public UdpEchoServer(int port) throws SocketException {socket=new DatagramSocket(port);}//启动服务器public void start() throws IOException {System.out.println("服务器启动");while(true){//循环一次，就相当于处理一次请求。//1.读取请求并解析//创建请求数据报DatagramPacket RequestPacket=new DatagramPacket(new byte[4096],4096);//开始接收,并更新数据报socket.receive(RequestPacket);//2.根据请求, 计算响应. (服务器最关键的逻辑)//把读取到的二进制数据, 转成字符串. 只是构造有效的部分.String request=new String(RequestPacket.getData(),0, RequestPacket.getLength());String response=process(request);//3.把响应返回给客户端//根据 response 构造 DatagramPacket, 发送给客户端.//此处不能使用 response.length(),因为这是String的长度而不是byte数组的长度DatagramPacket ResponsePacket=new DatagramPacket(response.getBytes(),response.getBytes().length,RequestPacket.getSocketAddress());//发送构建好的数据报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);}}//服务器根据请求，处理业务public String process(String request){return request;}public static void main(String[] args) throws IOException {UdpEchoServer server=new UdpEchoServer(9090);server.start();}}

（二）UdpEchoClient客户端

package NetWork;import java.io.IOException;
import java.net.*;
import java.util.Scanner;//UDP协议的回显服务器
//客户端
public class UdpEchoClient {DatagramSocket socket=null;// 客户端要给服务器发送数据报，首先得知道服务器的IP和端口号private String ServerIp;//目的IPprivate int ServerPort;//目的端口号// 和服务器不同, 此处的构造方法是要指定访问的服务器的地址.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.读取用户输入的内容System.out.println("请输入要发送的内容：");if(!sc.hasNext()){break;}String request=sc.next();// 2. 把请求发送给服务器, 需要构造 DatagramPacket 对象.// 构造过程中, 不光要构造载荷, 还要设置服务器的 IP 和端口号DatagramPacket RequestPacket=new DatagramPacket(request.getBytes(),request.getBytes().length, InetAddress.getByName(ServerIp),ServerPort);// 3. 发送数据报socket.send(RequestPacket);// 4. 接收服务器的响应DatagramPacket ResponsePacket = new DatagramPacket(new byte[4096], 4096);socket.receive(ResponsePacket);// 5. 从服务器读取的数据进行解析, 打印出来.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：英译汉服务器

当我们需要实现另外一个简单的服务器时，例如英译汉服务器，只需要继承然后重写process方法就可以了。

package NetWork;import java.io.IOException;
import java.net.SocketException;
import java.util.HashMap;//英译汉服务器
public class UdpDictServer extends UdpEchoServer{private HashMap<String,String> dict=new HashMap<>();//要在子类的构造方法中调用父类的构造方法//构造方法初始化字典public UdpDictServer(int port) throws SocketException {super(port);dict.put("apple","苹果");dict.put("boy","男孩");dict.put("cat","小猫");dict.put("dog","小狗");}//重写process方法public String process(String request){return dict.getOrDefault(request,"没有找到该词汇");}public static void main(String[] args) throws IOException {UdpDictServer DictServer=new UdpDictServer(9090);DictServer.start();}
}

五、TCP协议中的socket api

（一）ServerSocket类

ServerSocket是创建TCP服务器端Socket的API。

构造方法：

方法签名	方法说明
ServerSocket(int port)	创建一个服务器端套接字Socket，并绑定到指定端口。

成员方法：

方法签名	方法说明
Socket accept()	开始监听指定端口（创建时绑定的端口），有客户端连接后，返回一个服务器端Socket对象，并基于该Socket建立与客户端的连接，否则阻塞等待。
void close()	关闭此套接字

（二）Socket类

Socket类是客户端socket，或服务器端中接收到客户端建立连接（accept方法）的请求后，返回的服务端Socket。

不管是客户端还是服务器端Socket，都是双方建立连接以后，保存的对端信息，及用来与对方收发数据的。

构造方法：

方法签名	方法说明
Socket(String host,int port)	创建一个客户端套接字Socket，并对应IP的主机上对应端口的进程进行连接。

成员方法：

方法签名	方法说明
InetAddress getInetAddress()	返回套接字所连接的地址
InputStream getInputStream()	返回此套接字的输入流
OutputStream getOutPutStream()	返回此套接字的输出流

六、TCP协议的回显服务器

Java流套接字通信模型：

（一）TcpEchoServer回显服务器

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("启动服务器");// 这种情况一般不会使用 fixedThreadPool, 意味着同时处理的客户端连接数目就固定了.ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();while (true) {// tcp 来说, 需要先处理客户端发来的连接.// 通过读写 clientSocket, 和客户端进行通信.// 如果没有客户端发起连接, 此时 accept 就会阻塞.// 主线程负责进行 accept, 每次 accept 到一个客户端, 就创建一个线程, 由新线程负责处理客户端的请求.Socket clientSocket = serverSocket.accept();// 使用多线程的方式来调整// Thread t = new Thread(() -> {// processConnection(clientSocket);// });// t.start();// 使用线程池来调整executorService.submit(() -> {processConnection(clientSocket);});}}private void processConnection(Socket clientSocket){//对clientSocket进行读写操作System.out.printf("[%s:%d] 客户端上线!\n", clientSocket.getInetAddress(), clientSocket.getPort());try(InputStream inputStream=clientSocket.getInputStream();OutputStream outputStream=clientSocket.getOutputStream()){// 针对 InputStream 套了一层Scanner scanner = new Scanner(inputStream);// 针对 OutputStream 套了一层PrintWriter writer = new PrintWriter(outputStream);while(true){//因为输入流中的数据是持续读取的，要加上循环// 1. 读取请求并解析. 可以直接 read, 也可以借助 Scanner 来辅助完成.if (!scanner.hasNext()) {//scanner.hasNext()：判断输入流中是否还有 “下一个令牌”（默认以空白字符分割，如空格、换行等）。// 连接断开了System.out.printf("[%s:%d] 客户端下线!\n", clientSocket.getInetAddress(), clientSocket.getPort());break;}// 2. 根据请求计算响应String request=scanner.next();String response=process(request);// 3. 返回响应到客户端// outputStream.write(response.getBytes());writer.println(response);//将缓存区中的数据都发送出去，避免残留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 {//服务器连接一个客户端就要创建一个clientSocket，使用完就要关闭.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客户端

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, 设置进来.// 127.0.0.1 这种字符串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()){//给inPutStream套一层Scanner scannerNet= new Scanner(inputStream);//给outPutStream套一层PrintWriter writer=new PrintWriter(outputStream);while (true){//1.读取用户输入String request=scanner.next();//2.发送请求并刷新缓存区数据writer.println(request);writer.flush();//3.接收服务器的响应String response=scannerNet.next();//4.打印出响应System.out.println(response);}}}public static void main(String[] args) throws IOException {TcpEchoClient client = new TcpEchoClient("127.0.0.1", 9090);client.start();}
}

注意点：

在服务器中，采用多线程的方式来处理客户端的请求（使用线程池）。因为如果是单线程有多个客户端连接，当程序处理processConnection请求时，就可能阻塞在processConnection，而不能accpet。
因为服务器中有scanner.hasNext来判断发来的请求，所以客户端发送的请求要以换行符/空白符号结束，因此发送时用writer.println。
发送请求后记得使用flush刷新缓冲区的数据。