【JavaEE网络】TCP套接字编程详解：从概念到实现

Hsu琛君珩2024-04-28 17:03

目录

TCP流套接字编程

TCP用的协议比UDP更多，可靠性

提供的api主要有两个类ServerSocket（给服务器使用的socket），Socket（既会给服务器使用也会给客户端使用）

字节流：一个字节一个字节进行传输的

一个tcp数据报，就是一个字节数组byte[]

ServerSocket API

ServerSocket 是创建TCP服务端Socket的API。

ServerSocket 构造方法：

方法签名 方法说明
ServerSocket(int port) 创建一个服务端流套接字Socket，并绑定到指定端口

ServerSocket 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

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。

Socket 构造方法：

方法签名 方法说明
Socket(String host, int port) 创建一个客户端流套接字Socket，并与对应IP的主机上，对应端口的进程建立连接

Socket 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

TCP回显客户端服务器

TCP版本的回显服务器，进入循环之后要做的事情不是读取客户端的请求，而是先处理客户端的"连接"

服务器代码流程：

  1. 读取请求并分析
  2. 根据请求计算响应
  3. 把响应写回客户端
java 复制代码 
//处理连接的过程=>此时可能客户端还没来，accept就阻塞等待了
Socket clientSocket = serverSocket.accept();
//把内核中的连接获取到应用程序中了=>这个过程类似于"生产者消费者模型"

accept 是把内核中已经建立好的连接，给拿到应用程序中。

但是这里的返回值并非是一个"Connection"这样的对象，而只是一个 Socket 对象，这个 Socket 对象就像一个耳麦一样，就可以说话，也能听到对方的声音

通过 Socket 对象和对方进行网络通信

一次0,主要是经历两个部分

  1. 等（阻塞）
  2. 拷贝数据

此处是先握手吗？

不是！握手是系统内核负责的.写代码过程感知不到握手的过程

此处主要是处理连接,也就是握手之后得到的东西

一个服务器,要对应很多客户端，服务器内核里有很多客户端的连接。虽然内核中连接很多，但是在应用程序中，还是得一个一个的处理的。

内核中的"连接"就像一个一个"待办事项"。这些待办事项在一个 队列 的数据结构中。应用程序就需要一个一个完成这些任务

而要完成任务,就需要先取任务

TCP中涉及到两种socket

  1. serverSocket
  2. clientSocket
java 复制代码 
Socket clientSocket = serverSocket.accept();
//TCP通信能实现两台计算机之间的数据交互，通信的两端要严格区分为客户端（Client）与服务端（Server）

通过processConnection这个方法（自己实现）来处理一个连接的逻辑

java 复制代码 
try (InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream();//相当于耳麦（clientSocket）的耳机（inputStream）
     OutputStream outputStream = clientSocket.getOutputStream()) {//相当于耳麦（clientSocket）的麦克风（outputStream）
java 复制代码 
public class TcpEchoServer {
    private ServerSocket serverSocket = null;
    //此处不应该创建一个固定线程数目的线程池，不然就有上限了
    private ExecutorService service= Executors.newCachedThreadPool();

    //这个操作就会绑定端口号
    public TcpEchoServer(int port) throws IOException {
        serverSocket = new ServerSocket(port);
    }

    //启动服务器
    public void start() throws IOException {
        System.out.println("服务器启动");
        while (true) {
            //处理连接的过程=>此时可能客户端还没来，accept就阻塞等待了
            Socket clientSocket = serverSocket.accept();
            //把内核中的连接获取到应用程序中了

            processConnection(clientSocket);

        }
    }

    //通过这个方法来处理一个连接的逻辑
    private void processConnection(Socket clientSocket) {
        System.out.printf("[%s:%d] 客户端上线\n", clientSocket.getInetAddress().toString(), clientSocket.getPort());
        //接下来就可以 读取请求，根据请求计算响应，返回响应 三步走了
        // Socket 对象内部包含了两个字节流对象，可以把这两字节流对象，完成后续的读写工作
        try (InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream();
             OutputStream outputStream = clientSocket.getOutputStream()) {
            //一次连接中，可能会涉及到多次请求/响应
            while (true) {
                //1、读取请求并解析，为了读取方便，直接使用Scanner
                Scanner sc = new Scanner(inputStream);
                if (!sc.hasNext()) {
                    //读取完毕，客户端下线了
                    System.out.printf("[%s:%d] 客户端下线\n", clientSocket.getInetAddress().toString(), clientSocket.getPort());
                    break;
                }
                //这个代码暗含一个约定，客户端发过来的请求得是文本数据，同时还得带有空白符作为分割，（比如换行这种）
                String request = sc.next();
                //2、根据请求计算响应
                String response = process(request);
                //3、把响应写回客户端，把OutputStream使用PrinterWriter包裹一下，方便进行发数据
                PrintWriter writer = new PrintWriter(outputStream);
                //  使用PrintWriter的println方法把响应返回给客户端
                //  此处用println而不是print就是为了在结尾加上\n，方便客户端读取响应，使用Scanner.next读取
                writer.println(response);
                //  还需要加入一个"刷新缓冲区"操作

                //网络程序讲究的就是客户端和服务器能"配合"

                writer.flush();//"上完厕所冲一下"。
                //这里加上 flush 更稳妥，不加也不一定就出错!!缓冲区内置了一定的刷新策略
                //比如缓冲区满了，就会触发刷新; 再比如，程序退出，也会触发刷新......推荐大家把 flush 刷新给加上

                /*
                IO操作是比较有开销的，相比于访问内存。进入IO操作次数越多，程序的速度越慢。
                方法：使用一块内存作为缓冲区，写数据的时候，先写到缓冲区，攒一波数据，统一进入IO。
                PrintWriter内置了缓冲区，手动刷新，确保这里的数据是真的通过网卡发出去了，而不是残留在内存缓冲区中
                 */

                //日志，打印当前的请求详情
                System.out.printf("[%s:%d] req: %s, resp: %s\n", clientSocket.getInetAddress().toString(), clientSocket.getPort(),
                        request, response);
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public String process(String request) {
        return request;
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        TcpEchoServer server = new TcpEchoServer(9090);
        server.start();
    }
}

以上代码有两个问题：

但没有线程安全问题，因为没有多线程

1、关闭

在这个程序中，设计到两类Socket：

  1. ServerSocket（只有一个，生命周期跟随程序，不关闭也没事）
java 复制代码 
while (true) {
    //处理连接的过程=>此时可能客户端还没来，accept就阻塞等待了
    Socket clientSocket = serverSocket.accept();
    //把内核中的连接获取到应用程序中了

    processConnection(clientSocket);

}
  1. 而Socket在1w个客户端就有1w个Socket，此处的Socket是被反复创建的。因此要确保在连接断开后，socket能被关闭
java 复制代码 
catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
} finally {
    //在finally中加入close，确保当前socket被及时关闭
    try {
        clientSocket.close();
    } catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}
//在trycatch后关闭socket

写到这以上代码中对于Scanner和PrintWriter没有close是否会有文件资源泄露呢？不会

因为流对象持有的资源有两个部分：

  1. 内存（对象销毁，内存就回收了）while循环一圈内存自然销毁
  2. 文件描述符（scanner和printWriter没有持有文件描述符；持有的是inputStream和outputStream的引用，这两个进行关闭了，或者更准确的说是socket对象持有的，socket对象关闭了就ok）

不是每个流对象都持有文件描述符，持有文件描述符是要调用操作系统提供的open方法（系统调用，是要在内核完成的，相当重量/严肃的事情）

2、第二个问题是在写完客户端后再说

客户端代码流程：

  1. 从控制台读取用户的输入
  2. 把输入的内容构造请求并发送给服务器
  3. 从服务器读取响应
  4. 把响应显示到控制台上
java 复制代码 
public class TcpEchoClient {
    private Socket socket=null;

    //要和服务器通信，就需要先知道，服务器所在的位置
    public TcpEchoClient(String serverIp,int serverPort) throws IOException {
        //完成这个new操作就完成了tcp连接的建议
        socket=new Socket(serverIp,serverPort);
    }

    public void start(){
        System.out.println("客户端启动");
        Scanner scConsole=new Scanner(System.in);
        try(InputStream inputStream=socket.getInputStream();
            OutputStream outputStream=socket.getOutputStream()){
            while(true){
                //1、从控制台输入一个字符串
                System.out.print("-> ");
                String request = scConsole.next();
                //2、把请求发送给服务器
                PrintWriter printWriter=new PrintWriter(outputStream);
                //使用println带上换行，后续服务器读取请求，就可以使用Scanner.next来读取了
                printWriter.println(request);
                //别忘记flush，确保数据真的发出去了
                printWriter.flush();
                //3、从服务器读取响应
                Scanner scNetwork=new Scanner(inputStream);
                String response = scNetwork.next();
                //4、把响应打印出来
                System.out.println(response);
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        TcpEchoClient client=new TcpEchoClient("127.0.0.1",9090);
        client.start();
    }
}
java 复制代码 
//以目前以上的代码执行结果
//服务器
服务器启动
[/127.0.0.1:63945] 客户端上线
[/127.0.0.1:63945] req: 你好, resp: 你好
[/127.0.0.1:63945] req: hello, resp: hello
[/127.0.0.1:63945] 客户端下线
//客户端
客户端启动
-> 你好
你好
-> hello
hello
-> //这里客户端退出了

回到上面遗留的第二个问题

现象：当第一个客户端连接好了之后，第二个客户端不能正确被处理，服务器看不到客户端上线，同时客户端发来的请求也无法被处理，当第一个客户端退出之后，之前第二个客户端发的请求，就能正确响应了。

问题出在：在服务器这边，当一个客户端来了，accept就可以正确返回，进入processConnection，然后进入循环处理该客户端的请求，一直等到这个客户端结束，才能回到start方法中

问题关键在于，处理一个客户端的请求过程中，无法第二次调用accept（即使第二个客户端来了也无法处理）

我们期望能够同时让多个客户端进入调用accept，因此用到多线程

主线程负责找到客户端，在有客户端到来时，创建新的线程，让新的线程负责处理客户端的各种请求

以下是改进方式：

java 复制代码 
//启动服务器
public void start() throws IOException {
    System.out.println("服务器启动");
    while (true) {
        //处理连接的过程=>此时可能客户端还没来，accept就阻塞等待了
        Socket clientSocket = serverSocket.accept();
        //把内核中的连接获取到应用程序中了

        //单个线程不太方便同时完成多个任务，因此要多线程，主线程主要负责寻找客户端，每有一个客户端就创建一个新的线程
    /*
        Thread t=new Thread(()->{
            processConnection(clientSocket);
        });
        t.start();
    */
        //使用线程池
        service.submit(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                processConnection(clientSocket);
            }
        });
    }
}

TCP程序的时候，涉及到两种写法：

  1. 一个连接中只传输一次请求和响应（短连接）
  2. 一个连接中可以传输多次请求和响应（长连接）

而由于我们只是通过普通的方式创建线程，有一个连接就创建一个线程，如果有多个客户端，频繁连接/断开，服务器就频繁创建/释放线程了，因此我们直接采用线程池的方式

但注意：我们上述的不能写成这种方式

java 复制代码 
try(Socket clientSocket = serverSocket.accept()){
    service.submit(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            processConnection(clientSocket);
        }
    });
};
/*
processConnection 和主线程就是不同线程了
执行 processConnection 过程中，主线程 try 就执行完毕了。
这就会导致 clientSocket 还没用完呢，就关闭了
因此，还是要把clientSocket交给processConnection里来关闭
*/

虽然使用了线程池，避免了频繁创建销毁线程，但如果仍然很多客户端，创建大量线程仍有很大开销，可以称为高并发

方法：解决高并发引入了很多技术手段，IO多路复用/IO多路转接（但不是说用了一下子就解决了）

解决高并发（四个字）：

  1. 开源：引入更多的硬件资源（本质上是减少线程的数量）
  2. 节流：提高单位硬件资源能够处理的请求数

（同样的请求数，消耗的硬件资源更少）

完整代码

服务器

java 复制代码 
public class TcpEchoServer {
    private ServerSocket serverSocket = null;
    //此处不应该创建一个固定线程数目的线程池，不然就有上限了
    private ExecutorService service= Executors.newCachedThreadPool();

    //这个操作就会绑定端口号
    public TcpEchoServer(int port) throws IOException {
        serverSocket = new ServerSocket(port);
    }

    //启动服务器
    public void start() throws IOException {
        System.out.println("服务器启动");
        while (true) {
            //处理连接的过程=>此时可能客户端还没来，accept就阻塞等待了
            Socket clientSocket = serverSocket.accept();
            //把内核中的连接获取到应用程序中了

            //单个线程不太方便同时完成多个任务，因此要多线程，主线程主要负责寻找客户端，每有一个客户端就创建一个新的线程
        /*
            Thread t=new Thread(()->{
                processConnection(clientSocket);
            });
            t.start();
        */
            //使用线程池
            service.submit(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    processConnection(clientSocket);
                }
            });
        }
    }

    //通过这个方法来处理一个连接的逻辑
    //服务器一启动，就会执行accept，并阻塞等待，当客户端连接上之后，就会立即执行这个方法
    private void processConnection(Socket clientSocket) {
        System.out.printf("[%s:%d] 客户端上线\n", clientSocket.getInetAddress().toString(), clientSocket.getPort());
        //接下来就可以 读取请求，根据请求计算响应，返回响应 三步走了
        // Socket 对象内部包含了两个字节流对象，可以把这两字节流对象，完成后续的读写工作
        try (InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream();
             OutputStream outputStream = clientSocket.getOutputStream()) {
            //一次连接中，可能会涉及到多次请求/响应
            while (true) {
                //1、读取请求并解析，为了读取方便，直接使用Scanner
                Scanner sc = new Scanner(inputStream);
                //hasNext这里在客户端没有发请求的时候也会阻塞等待，等到客户端真正发数据或者客户端退出，hasNext就返回了
                if (!sc.hasNext()) {
                    //读取完毕，客户端下线了
                    System.out.printf("[%s:%d] 客户端下线\n", clientSocket.getInetAddress().toString(), clientSocket.getPort());
                    break;
                }
                //这个代码暗含一个约定，客户端发过来的请求得是文本数据，同时还得带有空白符作为分割，（比如换行这种）
                String request = sc.next();
                //2、根据请求计算响应
                String response = process(request);
                //3、把响应写回客户端，把OutputStream使用PrinterWriter包裹一下，方便进行发数据
                PrintWriter writer = new PrintWriter(outputStream);
                //  使用PrintWriter的println方法把响应返回给客户端
                //  此处用println而不是print就是为了在结尾加上\n，方便客户端读取响应，使用Scanner.next读取
                writer.println(response);
                //  还需要加入一个"刷新缓冲区"操作

                //网络程序讲究的就是客户端和服务器能"配合"

                writer.flush();//"上完厕所冲一下"。
                //这里加上 flush 更稳妥，不加也不一定就出错!!缓冲区内置了一定的刷新策略
                //比如缓冲区满了，就会触发刷新; 再比如，程序退出，也会触发刷新......推荐大家把 flush 刷新给加上

                /*
                IO操作是比较有开销的，相比于访问内存。进入IO操作次数越多，程序的速度越慢。
                方法：使用一块内存作为缓冲区，写数据的时候，先写到缓冲区，攒一波数据，统一进入IO。
                PrintWriter内置了缓冲区，手动刷新，确保这里的数据是真的通过网卡发出去了，而不是残留在内存缓冲区中
                 */

                //日志，打印当前的请求详情
                System.out.printf("[%s:%d] req: %s, req: %s\n", clientSocket.getInetAddress().toString(), clientSocket.getPort(),
                        request, response);
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            //在finally中加入close，确保当前socket被及时关闭
            try {
                clientSocket.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    public String process(String request) {
        return request;
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        TcpEchoServer server = new TcpEchoServer(9090);
        server.start();
    }
}

客户端

java 复制代码 
public class TcpEchoClient {
    private Socket socket=null;

    //要和服务器通信，就需要先知道，服务器所在的位置
    public TcpEchoClient(String serverIp,int serverPort) throws IOException {
        //完成这个new操作就完成了tcp连接的建议
        socket=new Socket(serverIp,serverPort);
    }

    public void start(){
        System.out.println("客户端启动");
        Scanner scConsole=new Scanner(System.in);
        try(InputStream inputStream=socket.getInputStream();
            OutputStream outputStream=socket.getOutputStream()){
            while(true){
                //1、从控制台输入一个字符串
                System.out.print("-> ");
                String request = scConsole.next();
                //2、把请求发送给服务器
                PrintWriter printWriter=new PrintWriter(outputStream);
                //使用println带上换行，后续服务器读取请求，就可以使用Scanner.next来读取了
                printWriter.println(request);
                //别忘记flush，确保数据真的发出去了
                printWriter.flush();
                //3、从服务器读取响应
                Scanner scNetwork=new Scanner(inputStream);
                String response = scNetwork.next();
                //4、把响应打印出来
                System.out.println(response);
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        TcpEchoClient client=new TcpEchoClient("127.0.0.1",9090);
        client.start();
    }
}
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