初识TCP（编写回显服务器）

目录

• 初识TCP（编写回显服务器）
• • TCP相关的API
  • 服务器代码实现
  • 客户端代码实现
  • 部分代码解释
  • 注意事项
  • 效果展示

初识TCP（编写回显服务器）

TCP相关的API

ServerSocket ： 这是socket类，对应到网卡，但是这个类只能给服务器进行使用

socket ： 对应到网卡，既可以给服务器使用，又可以给客户端使用

TCP是面向字节流的，传输的基本单位是字节

我们用一个回显服务器来演示TCP的工作过程。所谓回显服务器就是客户端发起什么请求，就返回什么响应。

服务器代码实现

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("服务器启动!");
        ExecutorService pool = Executors.newCachedThreadPool();
        while (true) {
            // 通过 accept 方法来 "接听电话", 然后才能进行通信
            Socket clientSocket = serverSocket.accept();
//            Thread t = new Thread(() -> {
//                processConnection(clientSocket);
//            });
//            t.start();
            pool.submit(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        processConnection(clientSocket);
                    } catch (IOException e) {
                        throw new RuntimeException(e);
                    }
                }
            });
        }
    }
    public void processConnection(Socket clientSocket) throws IOException {
        System.out.printf("[%s:%d] 客户端上线!\n", clientSocket.getInetAddress(), clientSocket.getPort());
        try(InputStream inputStream=clientSocket.getInputStream();
            OutputStream outputStream=clientSocket.getOutputStream()
        ) {
            while(true){
                Scanner scanner=new Scanner(inputStream);
                if(!scanner.hasNext()){
                    // 读取完毕. 客户端断开连接, 就会产生读取完毕.
                    System.out.printf("[%s:%d] 客户端下线!\n", clientSocket.getInetAddress(), clientSocket.getPort());
                    break;
                }
                // 1. 读取请求并解析. 这里注意隐藏的约定. next 读的时候要读到空白符才会结束.
                //    因此就要求客户端发来的请求必须带有空白符结尾. 比如 \n 或者空格.
                String request=scanner.next();
                // 2. 根据请求计算响应
                String response = process(request);
                // 3. 把响应返回给客户端
                //    通过这种方式可以写回, 但是这种方式不方便给返回的响应中添加 \n
                // outputStream.write(response.getBytes(), 0, response.getBytes().length);
                //    也可以给 outputStream 套上一层, 完成更方便的写入.
                PrintWriter printWriter=new PrintWriter(outputStream);
                printWriter.println(response);
                printWriter.flush();

                System.out.printf("[%s:%d] req: %s, resp: %s\n", clientSocket.getInetAddress(), clientSocket.getPort(),
                        request, response);


            }
        } catch (IOException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }finally {
            clientSocket.close();
        }

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

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

    }
}

客户端代码实现

import java.io.*;
import java.net.Socket;
import java.util.Scanner;


public class TcpEchoClient {
    private Socket socket=null;
    public TcpEchoClient(String serverIp,int serverPort) throws IOException {
        // 此处可以把这里的 ip 和 port 直接传给 socket 对象.
        // 由于 tcp 是有连接的. 因此 socket 里面就会保存好这俩信息.
        // 因此此处 TcpEchoClient 类就不必保存.
        socket=new Socket(serverIp,serverPort);
    }
    public void start(){
        System.out.println("客户端启动！！");
        try(InputStream inputStream=socket.getInputStream();
            OutputStream outputStream=socket.getOutputStream()
        ) {
            Scanner scannerConsole=new Scanner(System.in);
            Scanner scannerNetwork=new Scanner(inputStream);
            PrintWriter writer=new PrintWriter(outputStream);
            while (true){
                // 这里的流程和 UDP 的客户端类似.
                // 1. 从控制台读取输入的字符串
                System.out.println("->");
                if(!scannerConsole.hasNext()){
                    break;
                }
                String request=scannerConsole.next();
                //2.把请求发给服务器，这里需要使用println来发送，为了让发送的请求末尾带有\n
                //这里是和服务器的scanner.next呼应的
                writer.println(request);
                writer.flush();
                //3.从服务器读取响应，这里也是和服务器返回响应的逻辑对应
                String response=scannerNetwork.next();
                //4.把响应显示出来
                System.out.println(response);
            }
        } catch (IOException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

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

    }
}

部分代码解释

1.TCP是有连接的

和打电话一样，需要客户端拨号，服务器来接听： serverSocket.accept()

accept也是一个可能会产生阻塞的操作。如果当前没有客户端连过来，此时accept就会阻塞

2.为何这里要设置两个socket？

想象一个场景：你要去买房

ServerSocket

把服务器想象成售楼处，ServerSocket 就是售楼处里负责等购房者上门的工作人员。先确定好办公地点（端口号），然后通过accept()等购房者来。购房者一来，就安排出一个专门的购房洽谈室（Socket），用于后续沟通交流。

Socket

Socket 就如同那个购房洽谈室，是服务器（售楼处）和客户端（购房者）交流互动的专属空间，双方在这里收发信息，像在洽谈室里商量买房的各种事儿一样，完成数据通信。

每个客户端都会分配一个洽谈室。

这样的优点是：

分工明确，支持多客户端访问

3.TCP有连接

TCP socket中就会保存对端的信息

4.这里 的操作相当于把字节流转换成字符流

Java中，字节流（如InputStream和OutputStream）是以字节为单位来处理数据的。字符流（如Reader和Writer）是以字符为单位来处理数据的。

这里的PrintWriter是继承于Writer。转换一下方便后续操作

5.断开连接

注意事项

1.客户端输入之后，服务器没有响应

之所以出现上述的情况，本质原因在于PrintWriter内置的缓冲区在作祟。

为什么要设置缓冲区呢？因为IO操作都是比较低效的操作，就希望能够让低效操作，进行的尽量少一些。

因此引入缓冲区（内存），先把要写入网卡的数据放到内存缓冲区中，等到攒一波之后再统一进行发送（把多次IO合并成一次了）

但是也有个问题，如果发送的数据很少，此时由于缓冲区还没满，数据就待在缓冲区里，没有被真正被发送出去

【解决方法】手动刷新缓冲区，flush刷新缓冲区

2.上述代码需要进行close吗？

serverSocket不需要，socket需要

serverSocket整个程序只有唯一一个对象，并且这个对象的生命周期很长是要跟随整个程序的，这个对象无法提前关闭，只要程序退出，随着进程的销毁一起被释放即可（不需要手动进行）

但是TCP的client socket是每个客户端都有一个，随着客户端越来越多，这里消耗的socket也会越来越多（如果不加释放，就很可能把文件描述符表给占满）

【调用socket.close本质上也是关闭文件，释放文件描述符表，这里进程销毁，文件描述符表就没了】

3.当多个客户端来同时访问服务器

两个客户端同时发起请求，服务器只给第一个客户端响应，停止第一个客户端后，服务器才会给第二个客户端响应！这是肯定不行的。

服务器服务多个客户端是天经地义的！！

【问题分析】第一个客户端连上服务器之后，服务器就会从accept这里返回（解除阻塞）进入到processConnection中了。接下来就会在scanner.hasNext这里阻塞，等待客户端的请求。客户端请求到达之后，sanner.hasNext返回，继续执行，读取请求，根据请求计算响应，返回响应给客户端...执行完上述一轮操作之后，循环回来继续再hasNext阻塞，等待下一个请求。直到客户端退出之后，连接结束，此时循环才会退出。

虽然第二个客户端和服务器在内核层面上建立了TCP连接了，但是应用程序这里无法把连接拿到应用程序里处理

（人家给你打电话，你手机一直在响，但是你就是没接）

那么问题来了：第一个客户端退出了，第二个客户端之前发的请求啥的咋就立即被处理，而没被丢掉呢？？

这是因为当前TCP在内核中，每个socket都是有缓冲区的

客户端发送的数据确实是发了，服务器也收到了，只不过数据是在服务器的接收缓冲区中

一旦第一个客户端退出了，回到第一层循环，继续执行第二次accept，继续执行next就能把之前缓冲区的内容读出来

【解决方法】核心思路是使用多线程，单个线程无法既能给客户端循环提供服务，又能去快速调用到第二次accept

简单的办法就是引入多线程

主线程就负责执行accept，每次有一个客户端连上来，就分配一个新的线程，由新的线程负责给客户端提供服务。

上述问题，不是TCP引起的，而是代码没写好，两层循环嵌套引起的

UDP服务器，只有一层循环，就不涉及到这样的问题，之前UDP服务器天然就可以处理多个客户端的请求

4.如果客户端比较多，就会使服务器频繁创建销毁线程

线程池就能解决频繁创建销毁的问题

5.如果当前的场景是线程频繁创建，但是不销毁呢

【解决方案】

1.引入协程

轻量级线程，本质上还是一个线程，用户态可以通过手动调度的方法让一个线程"并发"的做多个任务（省去系统调动的开销了）

2.IO多路复用

系统内核级别的机制，本质上是让一个线程同时去负责处理多个socket（因为这些socket数据并非时同一时刻都需要处理）

效果展示