Java网络编程(二)Socket 套接字(TCP和UDP),以及TCP的回显

Socket 套接字(TCP和UDP),以及TCP的回显

Socket 套接字

我们软件工作者,着重编写的是应用层的代码,但是发送这个数据,我们就需要将应用层传输到传输层,也就意味着我们需要调用应用层的API,统称为 Socket API。

套接字的分类:

  1. 流套接字:使用传输层TCP协议
    特点:
    • 有连接:使用 TCP 通信的双方,需要时刻保存对方的相关消息
    • 可靠传输:尽可能的将数据传输过去,如果没有传输过去,自己也知道没有传输,然后通过设定可以重新传输
    • 面向字节流:以字节为传输的基本单位,读写方式更为灵活
    • 全双工:一条路径,双向通信
  2. 数据报套接字:使用传输层UDP协议
    特点:
    • 有连接:使用 UDP 通信的双方,不需要时刻保存对方的相关消息
    • 不可靠传输:只关注是否传输了数据,至于是否传输成功,并不专注
    • 面向数据报:以一个UDP数据报为基本单位
    • 全双工:一条路径,双向通信
  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。
    所有特点自己定义

什么是全双工和半双工?

全双工:一条路径,双向通信

半双工:一条路径,单向通信

网络传输数据的基本单位:报(Datagram)、包(Packet)、段(Segment)、帧(Frame)

Socket 对象,相当于系统中Socket文件,这个文件并非对应到硬盘上的某个数据存储区域,而是对应到网卡这个硬件设备

  • 往这个Socket·对象中写数据,相当于通过网卡发送消息
  • 从这个Socket·对象中读数据,相当于通过网卡接收消息

这个图不是我画,摘抄了网上现有的)

数据报套接字UDP

java中使用UDP协议通信,主要基于 DatagramSocket 类来创建数据报套接字,并使用DatagramPacket 作为发送或接收的UDP数据报 。DatagramSocket 是UDP Socket,用于发送和接收UDP数据报。

DatagramSocket API:

  1. DatagramSocket 构造方法
  1. DatagramSocket 方法:

DatagramPacket API:(DatagramPacket是UDP Socket发送和接收的数据报)

  1. DatagramPacket 构造方法:

  2. DatagramPacket 方法:

    构造UDP发送的数据报时,需要传入 SocketAddress ,该对象可以使用 InetSocketAddress 来创

InetSocketAddress API:

  1. InetSocketAddress ( SocketAddress 的子类 )构造方法:

UDP服务器:

注意:

  • 服务器的端口必须不变,客户端这边则不需要手动指定,系统自动分配
  • socket是文件,也需要关闭
java 复制代码
public class UdpServer { 
    //服务器socket要绑定固定的端口 
    private static final int PORT = 8888; 
    public static void main(String[] args) throws IOException { 
        // 1.创建服务端DatagramSocket,指定端口,可以发送及接收UDP数据报 
        DatagramSocket socket = new DatagramSocket(PORT); 
        //不停的接收客户端udp数据报 
        while (true){ 
            // 2.创建数据报,用于接收客户端发送的数据 
            byte[] bytes = new byte[1024];//1m=1024kb, 1kb=1024byte, UDP最多64k(包含UDP首部8byte) 
            DatagramPacket packet = new DatagramPacket(bytes, bytes.length); 
            System.out.println("---------------------------------------------------"); 
            System.out.println("等待接收UDP数据报..."); 
            // 3.等待接收客户端发送的UDP数据报,该方法在接收到数据报之前会一直阻塞,接收到数据报以后,DatagramPacket对象,包含数据(bytes)和客户端ip、端口号 
            socket.receive(packet); 
            System.out.printf("客户端IP:%s%n",  
			packet.getAddress().getHostAddress()); 
            System.out.printf("客户端端口号:%s%n", packet.getPort()); 
            System.out.printf("客户端发送的原生数据为:%s%n",  
			Arrays.toString(packet.getData())); 
            System.out.printf("客户端发送的文本数据为:%s%n", new 
			String(packet.getData())); 
       } 
   } 
}

一旦服务器一起动,调用start方法,就会立即执行到,receive这里,但是如果此时还有没有客户端发来的数据,receive就会阻塞等待,一直持续到有数据发过来。

细节:网卡这里收到数据,就会进行分用,解析UDP这一层 看到端口号,然后将数据放入接收缓冲区,然后将数据到了参数中的DatagramSocket 对象中

UDP客户端:

java 复制代码
public class UdpClient { 
    // 服务端socket地址,包含域名或IP,及端口号 
    private static final SocketAddress ADDRESS = new 
	InetSocketAddress("localhost", 8888); 
    public static void main(String[] args) throws IOException { 
        // 4.创建客户端DatagramSocket,开启随机端口就行,可以发送及接收UDP数据报 
        DatagramSocket socket = new DatagramSocket(); 
        // 5-1.准备要发送的数据 
        byte[] bytes = "hello world!".getBytes(); 
        // 5-2.组装要发送的UDP数据报,包含数据,及发送的服务端信息(服务器IP+端口号) 
        DatagramPacket packet = new DatagramPacket(bytes, bytes.length, ADDRESS); 
        // 6.发送UDP数据报 
        socket.send(packet); 
   } 
}

TCP流套接字编程

ServerSocket API:

ServerSocket 是创建TCP服务端Socket的API。

  1. ServerSocket 构造方法:
  2. ServerSocket 方法:

    accept:意思就是接受,本质上是三次握手后面的文章会说。

Socket API:

Socket 是客户端 Socket,或服务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。

  1. Socket 构造方法:
  • host 表示服务器的 IP 地址
  • port 表示服务器的端口
  1. Socket 方法:
  • 从InputStream这里读数据,就相当于从网卡接收
  • 往OutputStream这里写数据,就相当于从网卡发送

TCP的长短连接

TCP发送数据时,需要先建立连接,而什么时候关闭连接就决定是短连接还是长连接。

短连接:每次接收数据并返回响应后,都关闭连接。也就是说,短连接只能一次收发。

  • 连接客户端和服务器
  • 对于客户端来说。要发送一个请求,然后接收一个响应
  • 对于服务器来说。会收到一个请求,然后返回一个响应
  • 然后关闭连接

长连接:不关闭连接,一直保持连接状态,双方不停的收发数据,即是长连接。也就是说,长连接可以

多次收发数据

  • 连接客户端和服务器
  • 可以客户端一直发送请求,并获取服务器的响应
  • 可以服务器一直发送请求,并获取客户端的响应
  • 没有一方主动停止,不关闭

长连接和短连接的区别:

  • 建立连接、关闭连接的耗时:短连接每次请求、响应都需要建立连接,关闭连接;而长连接只需要第一次建立连接,之后的请求、响应都可以直接传输。相对来说建立连接,关闭连接也是要耗时的,长连接效率更高。
  • 主动发送请求不同:短连接一般是客户端主动向服务端发送请求;而长连接可以是客户端主动发送请求,也可以是服务端主动发。
  • 两者的使用场景有不同:短连接适用于客户端请求频率不高的场景,如浏览网页等。长连接适用于客户端与服务端通信频繁的场景,如聊天室,实时游戏等。

实现一个简单回显服务器

java 复制代码
public class TcpEchoServer {
    //serverSocket 就是外场拉客的小哥(类似集合),只有一个

    //clientSocket 内场服务的人(),会给每个客服分配一个
    private ServerSocket serverSocket=null;
    //1

    public TcpEchoServer(int port) throws IOException {
        serverSocket=new ServerSocket(port);
    }
    public void start() throws IOException {
        ExecutorService executorService= Executors.newCachedThreadPool();
        System.out.println("服务器启动");
        while (true){
            Socket clientSocket=serverSocket.accept();
            //如果直接调用,该方法会影响这个循环的二次执行.导致accept不及时了
            //创建新的线程,用新的线程来调用processConnetion
            //每次来一个新的客户端都搞一个新的线程即可
/*            Thread t=new Thread(()->{
                try {
                    processConnection(clientSocket);
                } catch (IOException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            });
            t.start();*/
            //创建一个线程池,从池子中拿取线程
            executorService.submit(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        processConnection(clientSocket);
                    } catch (IOException e) {
                        throw new RuntimeException(e);
                    }
                }
            });
        }
    }
    //通过这个方法处理一个链接
    //读取请求
    //根据请求计算响应
    //把响应返回给客户端
    private void processConnection(Socket clientSocket) throws IOException {
        System.out.printf("[%s:%d] 客户端上线!\n",clientSocket.getInetAddress().toString(),clientSocket.getPort());
        try(InputStream inputStream=clientSocket.getInputStream();
            OutputStream outputStream=clientSocket.getOutputStream()) {
            //没有这两个也可以,但是代价就是得一个字节一个字节的处理,找到那个是结束符
            //将字节流包装成了字符流
            Scanner scanner=new Scanner(inputStream);
            PrintWriter printWriter=new PrintWriter(outputStream);
            while (true){
                //3
                //读取请求
                if (!scanner.hasNext()){
                    //读取的流到了结尾了
                    System.out.printf("[%s:%d] 客户端下线",clientSocket.getInetAddress().toString(),clientSocket.getPort());
                    break;
                }
                //直接使用scanner读取一段字符串
                String request=scanner.next();//往后读,一直读到空白符,空格,换行,翻页符....都算空白符

                //5
                //根据请求计算响应
                String response=process(request);
                //把响应返回给客户端
                printWriter.println(response);
                //刷新缓冲区
                printWriter.flush();
                System.out.printf("[%s:%d] req:%s; resp:%s\n",clientSocket.getInetAddress().toString()
                ,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 tcpEchoServer=new TcpEchoServer(9090);
        tcpEchoServer.start();
    }

}

补充一点:

硬件的读写速度:

  • 内存 > 硬盘 > 网卡

读写硬盘和网卡口可以视为 IO 操作。

  • printWriter.println(response);----》写网卡

因为网卡读写速度慢,如果平凡的写入,读出对于效率太慢了。为了提高IO操作的效率,此时就需要引入一个内存构成的缓冲区。等缓冲区达到一定数量,就统一写入网卡中。

缓存(cache)!=缓冲区(buffer)

  • 缓存:只能读
  • 缓冲区:可以读也可以写。
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