用TCP实现服务器与客户端的交互

目录

一、TCP的特点

二、API介绍

1.ServerSocket

2.Socket

三、实现服务器

四、实现客户端

五、测试解决bug

1.客户端发送了数据之后，并没有响应

2.clientSocket没有执行close()操作

3.尝试使用多个客户端同时连接服务器

六、优化

1.短时间有大量客户端访问并断开连接

2.有大量的客户端长时间在线访问

七、源码

---

引言：

这篇文章主要是用TCP构造的回显服务器，也就是客户端发什么，就返回什么。用实现这个过程方式来学会TCP套接字的使用。

一、TCP的特点

• TCP是可靠的：这个需要去了解TCP的机制，这是一个大工程，博主后面写好了把连接附上
• TCP是面向字节流的
• TCP是全双工的
• TCP是有连接的

除了可靠性，在编程中无法体会到，其他特性我都会一 一讲解。

二、API介绍

1.ServerSocket

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 accpet()	开始监听指定端口（创建时绑定端口），有客户端连接后，返回一个服务端Socket对象，并基于Socket建立与客户端的连接，否则阻塞等待
void close()	关闭此套接字

2.Socket

Socket 是客⼾端Socket ，或服务端中接收到客⼾端建⽴连接（accept⽅法）的请求后，返回的服务端Socket。
不管是客⼾端还是服务端Socket，都是*++双⽅建⽴连接以后，保存的对方信息，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。 host：IP地址 prot：端口号

这里new出来就是和对方建立完成了。如果建立失败，就会在构造对象的时候抛出异常。

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

三、实现服务器

服务器需要指定端口号：

public class TcpEchoServer {
    
    private ServerSocket serverSocket = null;
    
    //               需要指定服务器的端口    处理ServerSocket抛出的异常
    public TcpEchoServer(int port) throws IOException {
        //                     指定服务器的端口
        serverSocket = new ServerSocket(port);
    }
}

注意处理抛出的异常
和客户端建立连接：

public class TcpEchoServer {

    private ServerSocket serverSocket = null;

    //               需要指定服务器的端口    处理ServerSocket抛出的异常
    public TcpEchoServer(int port) throws IOException {
        //                     指定服务器的端口
        serverSocket = new ServerSocket(port);
    }

    public void start() throws IOException {
        //服务器需要不停的执行
        while (true) {

            //开始监听指定端口，当有客户端连接后，返回一个保存对方信息的Socket
            Socket clientSocket = serverSocket.accept();
            //处理逻辑
            processConnection(clientSocket);
        }


    }

    //针对一个连接，提供处理逻辑
    private void processConnection(Socket clientSocket) {
        
    }
}

这里的accept()就体现了TCP的有连接

当连接成功后，需要处理的逻辑：

    //针对一个连接，提供处理逻辑
    private void processConnection(Socket clientSocket) {
        //打印客户端的信息                               返回IP地址                      返回端口号
        System.out.printf("[%s : %d]客户端上线\n",clientSocket.getInetAddress(), clientSocket.getPort());



        //获取到socket中持有的流对象
        try(InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream();
            OutputStream outputStream = clientSocket.getOutputStream()) {

            while (true) {
                //1.获取请求

                //2.处理请求

                //3.返回响应

                //4.打印日志
            }

        }catch (IOException e) {

        }
    }

全双工的意思 ：通信的双方（如客户端和服务器）可以在同一时间内同时进行数据的发送和接收，即两个方向的数据流可以同时传输，互不干扰。

这里的getInputStream、getOutputStream就体现了全双工和面向字节流。

不了解这两个接口的可以去看我这篇文章：

JAVA如何操作文件？（超级详细）_java操作文件-CSDN博客

实现处理逻辑：

    //针对一个连接，提供处理逻辑
    private void processConnection(Socket clientSocket) {
        //打印客户端的信息                               返回IP地址                      返回端口号
        System.out.printf("[%s : %d]客户端上线\n",clientSocket.getInetAddress(), clientSocket.getPort());

        //获取到socket中持有的流对象
        try(InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream();
            OutputStream outputStream = clientSocket.getOutputStream()) {

            //因为我们用字符串来做为数据传输，用Scanner就可以更方便的传输了
            Scanner scanner = new Scanner(inputStream);
            //包装输出流，主要是用println()会在数据之后加上\n
            PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream);

            while (true) {
                //1.获取请求
                if (!scanner.hasNext()) {
                    //如果scanner无法读取出数据，说明客户端断开了连接，导致服务器这边读取到"末尾"
                    break;
                }
                //2.处理请求
                //接收客户端的请求
                //如果遇到 空白字符 就会停止输入
                String request = scanner.next();
                //处理请求
                String response = process(request);
                //3.返回响应
                //此处可以按字节数组的形式,但是我们要输入的是字符串，这个就不太方便
                //outputStream.write(response.getBytes());

                //此方法在写入之后会自动加上\n
                printWriter.println(response);

                //4.打印日志
                System.out.printf("[%s : %d] 请求 = %s 响应 = %s \n",clientSocket.getInetAddress(),clientSocket.getPort(),
                                request,response);
            }

        }catch (IOException e) {
            throw new RuntimeException();
        }
    }

    private String process(String request) {
        //由于我们是回显服务器这里直接返回就可以了
        return request;
    }

注意里面使用了两个接口包装了一下输入输出流，最主要的是可以在用\n做为分割。

注意里面的：

发送字符串给客户端，最后会自动加上 \n 做为结尾

println(response);

接收客户端信息，以空白符做为结尾。

空白符：包括不限于 空格、回车、制表符......

scanner.next();

如果是nextLine()就比较严格，必须是\n做为结尾

这里的服务器处理逻辑就写完了，但其实这里还有三个错误，后面再单独讲解：

public class TcpEchoServer {

    private ServerSocket serverSocket = null;

    //               需要指定服务器的端口    处理ServerSocket抛出的异常
    public TcpEchoServer(int port) throws IOException {
        //                     指定服务器的端口
        serverSocket = new ServerSocket(port);
    }

    public void start() throws IOException {
        //服务器需要不停的执行
        while (true) {

            //开始监听指定端口，当有客户端连接后，返回一个保存对方信息的Socket
            Socket clientSocket = serverSocket.accept();
            //处理逻辑
            processConnection(clientSocket);
        }


    }

    //针对一个连接，提供处理逻辑
    private void processConnection(Socket clientSocket) {
        //打印客户端的信息                               返回IP地址                      返回端口号
        System.out.printf("[%s : %d]客户端上线\n",clientSocket.getInetAddress(), clientSocket.getPort());

        //获取到socket中持有的流对象
        try(InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream();
            OutputStream outputStream = clientSocket.getOutputStream()) {

            //因为我们用字符串来做为数据传输，用Scanner就可以更方便的传输了
            Scanner scanner = new Scanner(inputStream);
            //包装输出流，主要是用println()会在数据之后加上\n
            PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream);

            while (true) {
                //1.获取请求
                if (!scanner.hasNext()) {
                    //如果scanner无法读取出数据，说明客户端断开了连接，导致服务器这边读取到"末尾"
                    break;
                }
                //2.处理请求
                //接收客户端的请求
                //如果遇到 空白字符 就会停止输入
                String request = scanner.next();
                //处理请求
                String response = process(request);
                //3.返回响应
                //此处可以按字节数组的形式,但是我们要输入的是字符串，这个就不太方便
                //outputStream.write(response.getBytes());

                //此方法在写入之后会自动加上\n
                printWriter.println(response);

                //4.打印日志
                System.out.printf("[%s : %d] 请求 = %s 响应 = %s \n",clientSocket.getInetAddress(),clientSocket.getPort(),
                                request,response);
            }

        }catch (IOException e) {
            throw new RuntimeException();
        }
    }

    private String process(String request) {
        //由于我们是回显服务器这里直接返回就可以了
        return request;
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        TcpEchoServer server = new TcpEchoServer(8080);
        server.start();
    }
}

四、实现客户端

指定服务器的IP和端口号：

public class TcpEchoClient {
    
    private Socket socket = null;
    
    public TcpEchoClient(String serverIP, int serverPort) throws IOException {
        //这里只要建立实例，就是和服务端的accept()建立了连接
        //socket也就保存了服务器的IP和端口号等
        //需要传入服务器的 IP地址 和 端口号
        socket = new Socket(serverIP, serverPort);
    }
    
    public void start() {
        System.out.println("客户端启动!");
    }
    
}

整体逻辑：

public class TcpEchoClient {

    private Socket socket = null;

    public TcpEchoClient(String serverIP, int serverPort) throws IOException {
        //需要传入服务器的 IP地址 和 端口号
        //这里只要建立实例，就是和服务端的accept()建立了连接
        socket = new Socket(serverIP, serverPort);
    }

    public void start() {
        System.out.println("客户端启动!");

        try(OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
            InputStream inputStream = socket.getInputStream()) {

            while (true) {
                //1.从控制台获取数据

                //2.将数据发送给服务器

                //3.接收服务器响应

                //4.打印相关结果
            }


        }catch (IOException e) {
            throw new RuntimeException();
        }
    }
}

整体逻辑实现：

public class TcpEchoClient {

    private Socket socket = null;

    public TcpEchoClient(String serverIP, int serverPort) throws IOException {
        //这里只要建立实例，就是和服务端的accept()建立了连接
        //socket也就保存了服务器的IP和端口号等
        //需要传入服务器的 IP地址 和 端口号
        socket = new Socket(serverIP, serverPort);
    }

    public void start() {
        System.out.println("客户端启动!");

        try(OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
            InputStream inputStream = socket.getInputStream()) {

            //用来接收服务器的信息
            Scanner scanner = new Scanner(inputStream);
            //用于接收用户输入
            Scanner scannerIn = new Scanner(System.in);
            //用于输出数据给服务器
            PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream);

            while (true) {
                //1.从控制台获取数据
                System.out.print("->");
                String request = scannerIn.next();

                //2.将数据发送给服务器
                printWriter.println(request);

                //3.接收服务器响应
                //判断服务端是否还有信息
                if (!scanner.hasNext()) {
                    break;
                }
                //接收服务端信息
                String response = scanner.next();
                //4.打印相关结果

                System.out.println(response);
            }


        }catch (IOException e) {
            throw new RuntimeException();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
//                                              127.0.0.1是专门用来访问自己的
        TcpEchoClient client = new TcpEchoClient("127.0.0.1",8080);
        client.start();
    }
}

这里仍然纯在一个问题，一会和服务器的问题一起将

五、测试解决bug

最后我会把所有的问题解决了，再把源附上

1.客户端发送了数据之后，并没有响应

先运行服务器，再运行客户端

可以看到目前还是成功的，那么我们来输入数据。

我们在客户端输入了消息，但是没有任何反应了！

此处的情况是，客户端并没有真正把请求发出去：

PrintWriter这样的类，以及很多IO流中的类，都是 **"自带缓冲区"**的。

此方法就带有缓冲区：

printWriter.println(request);

引入缓冲区之后，进行写入数据的操作，并不会马上触发IO，而是先放到内存缓冲区中，等到缓冲区里攒了一波之后，再统一进行发送。
为什么引入缓冲区的机制？

因为IO操作其实是不小的开销，如果数据量较少，那么每一次都进行IO，就有很大一部分开销是IO操作。如果积累到一定数据量再进行IO操作，那么一次IO就传输了这么多数据。
我们可以使用flush方法，主动"刷新缓冲区"：

注意：

服务器 和 客户端 都需要在printWriter.println();后面加上flush()方法。
再来测试：

此时就可以接收到了

2.clientSocket没有执行close()操作

这个问题比较隐蔽，这些ServerSocket 和 Socket 每一次都会在"文件描述符"中创建一个新的表项。

文件描述符：描述了该进程都要操作哪些文件。数组的每个元素就是一个struct file对象，每个结构体就描述了对应的文件信息，数组的小标就称为"文件描述符"。

每次打开一个文件，就想当于在数组上占用了一个位置，而这个数组又是不能扩容的，如果数组满了就会打开文件失败。除非主动调用close才会关闭文件，或者这个进程直接结束了这个数组也被带走了。

那么我们就需要处理一下clientSocket：

3.尝试使用多个客户端同时连接服务器

要对同一代码启动多个进程，需要设置一下步骤：

分别启动客户端1 和 客户端2 ，可以看到服务器上根本没有第二个客户端启动的信息：

原因：

我们可以用多线程去执行专门执行每一个客户端的请求：

    public void start() throws IOException {
        //服务器需要不停的执行
        while (true) {

            //开始监听指定端口，当有客户端连接后，返回一个保存对方信息的Socket
            Socket clientSocket = serverSocket.accept();

            //让一个线程去对应一个客户端
            Thread thread = new Thread(() -> {
                //处理逻辑
                processConnection(clientSocket);
            });

            thread.start();
        }
    }

结果：

bug问题解决了，但还有一些场景，可能会把服务器干崩溃

六、优化

1.短时间有大量客户端访问并断开连接

一旦短时间内有大量的客户端，并且每个客户端请求都是很快的连接之后并退出的，这个时候对于服务器来说，就会有比较大的压力。这个时候，就算是进程比线程更加的轻量，但是短时间内有大量的线程创建销毁，就无法忽略它的开销了。
我们可以引入线程池，这样就解决了这个问题：

    public void start() throws IOException {
        //服务器需要不停的执行
        while (true) {

            //开始监听指定端口，当有客户端连接后，返回一个保存对方信息的Socket
            Socket clientSocket = serverSocket.accept();
            ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();

//            //让一个线程去对应一个客户端
//            Thread thread = new Thread(() -> {
//                //处理逻辑
//                try {
//                    processConnection(clientSocket);
//                } catch (IOException e) {
//                    e.printStackTrace();
//                }
//            });
//            thread.start();

            service.submit(() -> {
                try {
                    processConnection(clientSocket);
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            });
        }
    }

这个线程可创建的线程数是很大的：

2.有大量的客户端长时间在线访问

例如直播这样的情况，每个客户端分配一个线程，对于一个系统来说，这里搞几百个线程压力就非常大了。所以这里 线程池/线程 都不太适用了。

可以使用 IO多路复用 ，也就是一个线程分配多个客户端进行服务，因为大部分时间线程都是在等待状态，就能够让线程分配多个客户端，这样的机制我们做为java程序员不需要过多了解，这样的机制以及被大佬们，装进各种框架中了。

七、源码

服务器源码：

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;

    //               需要指定服务器的端口    处理ServerSocket抛出的异常
    public TcpEchoServer(int port) throws IOException {
        //                     指定服务器的端口
        serverSocket = new ServerSocket(port);
    }

    public void start() throws IOException {
        //服务器需要不停的执行
        while (true) {

            //开始监听指定端口，当有客户端连接后，返回一个保存对方信息的Socket
            Socket clientSocket = serverSocket.accept();
            ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();

//            //让一个线程去对应一个客户端
//            Thread thread = new Thread(() -> {
//                //处理逻辑
//                try {
//                    processConnection(clientSocket);
//                } catch (IOException e) {
//                    e.printStackTrace();
//                }
//            });
//            thread.start();

            service.submit(() -> {
                try {
                    processConnection(clientSocket);
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            });
        }
    }

    //针对一个连接，提供处理逻辑
    private void processConnection(Socket clientSocket) throws IOException {
        //打印客户端的信息                               返回IP地址                      返回端口号
        System.out.printf("[%s : %d]客户端上线\n",clientSocket.getInetAddress(), clientSocket.getPort());

        //获取到socket中持有的流对象
        try(InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream();
            OutputStream outputStream = clientSocket.getOutputStream()) {

            //因为我们用字符串来做为数据传输，用Scanner就可以更方便的传输了
            Scanner scanner = new Scanner(inputStream);
            //包装输出流，主要是用println()会在数据之后加上\n
            PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream);

            while (true) {
                //1.获取请求
                if (!scanner.hasNext()) {
                    //如果scanner无法读取出数据，说明客户端断开了连接，导致服务器这边读取到"末尾"
                    break;
                }
                //2.处理请求
                //接收客户端的请求
                //如果遇到 空白字符 就会停止输入
                String request = scanner.next();
                //处理请求
                String response = process(request);
                //3.返回响应
                //此处可以按字节数组的形式,但是我们要输入的是字符串，这个就不太方便
                //outputStream.write(response.getBytes());

                //此方法在写入之后会自动加上\n
                printWriter.println(response);
                //刷新缓冲区
                printWriter.flush();

                //4.打印日志
                System.out.printf("[%s : %d] 请求 = %s 响应 = %s \n",clientSocket.getInetAddress(),clientSocket.getPort(),
                                request,response);
            }

        }catch (IOException e) {
            throw new RuntimeException();
        } finally {
            System.out.printf("[%s : %d]客户端下线\n",clientSocket.getInetAddress(), clientSocket.getPort());
            clientSocket.close();
        }
    }

    private String process(String request) {
        //由于我们是回显服务器这里直接返回就可以了
        return request;
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        TcpEchoServer server = new TcpEchoServer(8080);
        server.start();
    }
}

客户端源码：

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 {
        //这里只要建立实例，就是和服务端的accept()建立了连接
        //socket也就保存了服务器的IP和端口号等
        //需要传入服务器的 IP地址 和 端口号
        socket = new Socket(serverIP, serverPort);
    }

    public void start() {
        System.out.println("客户端启动!");

        try(OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
            InputStream inputStream = socket.getInputStream()) {

            //用来接收服务器的信息
            Scanner scanner = new Scanner(inputStream);
            //用于接收用户输入
            Scanner scannerIn = new Scanner(System.in);
            //用于输出数据给服务器
            PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream);

            while (true) {
                //1.从控制台获取数据
                System.out.print("->");
                String request = scannerIn.next();

                //2.将数据发送给服务器
                printWriter.println(request);
                //刷新缓冲区
                printWriter.flush();

                //3.接收服务器响应
                //判断服务端是否还有信息
                if (!scanner.hasNext()) {
                    break;
                }
                //接收服务端信息
                String response = scanner.next();
                //4.打印相关结果

                System.out.println(response);
            }


        }catch (IOException e) {
            throw new RuntimeException();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        TcpEchoClient client = new TcpEchoClient("127.0.0.1",8080);
        client.start();
    }
}