Java网络编程详解

﹏ヽ暗。殇╰゛Y 2023-09-29 13:51 44阅读 0赞

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## Java网络编程 ##

> 本篇主要讲述了计算机网络的基础知识、Java的网络编程Socket，包括如何使用Socket技术实现数据传输、文件传输以及如何使用浏览器访问Socket服务器。

#### 文章目录 ####

*  Java网络编程
 *   *  一、计算机网络基础
     *  二、了解Socket技术
     *  三、使用Socket进行数据传输
     *  四、使用Socket传输文件
     *  五、使用浏览器访问Socket服务器

### 一、计算机网络基础 ###

利用通信线路和通信设备，将地理位置不同的、功能独立的多台计算机互连起来，以功能完善的网络软件来实现资源共享和信息传递，就构成了计算机网络系统。

![img][]

比如我们家里的路由器，通过将我们的设备（手机、平板、电脑、电视剧）连接到路由器，来实现对互联网的访问。实际上，我们的路由器连接在互联网上，而我们的设备又连接了路由器，这样我们的设备就可以通过路由器访问到互联网了。通过网络，我们可以直接访问互联网上的另一台主机，比如我们要把QQ的消息发送给我们的朋友，或是通过远程桌面管理来操作另一台电脑，也可以是连接本地网络上的打印机。

既然我们可以通过网络访问其他计算机，那么如何区别不同的计算机呢？通过IP地址，我们就可以区分不同的计算机了：

![img][img 1]

每一台电脑在同一个网络上都有一个自己的IP地址，用于区别于其他的电脑，我们可以通过对方主机的IP地址对其进行访问。那么我手机连接的移动流量，能访问到连接家里路由器的电脑吗？（不能，因为他们不属于同一个网络）

而我们的电脑上可能运行着大量的程序，每一个程序可能都需要通过网络来访问其他计算机，那这时该如何区分呢？我们可以通过端口号来区分：

![img][img 2]

因此，我们一般看到的是这样的：`192.168.0.11:8080`，通过`IP:端口`的形式来访问目标主机上的一个应用程序服务。注意端口号只能是0-65535之间的值！

IP地址分为IPv4和IPv6，IPv4类似于`192.168.0.11`，我们上面提到的例子都是使用的IPv4，它一共有四组数字，每组数字占8个bit位，IPv4地址`0.0.0.0`表示为2进制就是：00000000.00000000.00000000.00000000，共32个bit，最大为`255.255.255.255`，实际上，IPv4能够表示的所有地址，早就已经被用完了。IPv6能够保存128个bit位，因此它也可以表示更多的IP地址，一个IPv6地址看起来像这样：`1030::C9B4:FF12:48AA:1A2B`，目前也正在向IPv6的阶段过度。

TCP和UDP是两种不同的传输层协议：

*  TCP：当一台计算机想要与另一台计算机通讯时，两台计算机之间的通信需要畅通且可靠（会进行三次握手，断开也会进行四次挥手），这样才能保证正确收发数据，因此TCP更适合一些可靠的数据传输场景。
 *  UDP：它是一种无连接协议，数据想发就发，而且不会建立可靠传输，也就是说传输过程中有可能会导致部分数据丢失，但是它比TCP传输更加简单高效，适合视频直播之类的。

![img][img 3]

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### 二、了解Socket技术 ###

通过Socket技术（它是计算机之间进行**通信**的**一种约定**或一种方式），我们就可以实现两台计算机之间的通信，Socket也被翻译为`套接字`，是操作系统底层提供的一项通信技术，它支持TCP和UDP。而Java就对socket底层支持进行了一套完整的封装，我们可以通过Java来实现Socket通信。

要实现Socket通信，我们必须创建一个数据发送者和一个数据接收者，也就是客户端和服务端，我们需要提前启动服务端，来等待客户端的连接，而客户端只需要随时启动去连接服务端即可！

//服务端
    public static void main(String[] args) {
        
        try(ServerSocket server = new ServerSocket(8080)){
            //将服务端创建在端口8080上
            System.out.println("正在等待客户端连接...");
            Socket socket = server.accept();  //当没有客户端连接时，线程会阻塞，直到有客户端连接为止
            System.out.println("客户端已连接，IP地址为："+socket.getInetAddress().getHostAddress());
        }catch (IOException e){
        
            e.printStackTrace();
        }
    }

//客户端
    public static void main(String[] args) {
        
        try (Socket socket = new Socket("localhost", 8080)){
        
            System.out.println("已连接到服务端！");
        }catch (IOException e){
        
            System.out.println("服务端连接失败！");
            e.printStackTrace();
        }
    }

实际上它就是一个TCP连接的建立过程：

![img][img 4]

一旦TCP连接建立，服务端和客户端之间就可以相互发送数据，直到客户端主动关闭连接。当然，服务端不仅仅只可以让一个客户端进行连接，我们可以尝试让服务端一直运行来不断接受客户端的连接：

public static void main(String[] args) {
        
        try(ServerSocket server = new ServerSocket(8080)){
            //将服务端创建在端口8080上
            System.out.println("正在等待客户端连接...");
            while (true){
           //无限循环等待客户端连接
                Socket socket = server.accept();
                System.out.println("客户端已连接，IP地址为："+socket.getInetAddress().getHostAddress());
            }
        }catch (IOException e){
        
            e.printStackTrace();
        }
    }

现在我们就可以多次去连接此服务端了。

### 三、使用Socket进行数据传输 ###

通过Socket对象，我们就可以获取到对应的I/O流进行网络数据传输：

public static void main(String[] args) {
        
            try (Socket socket = new Socket("localhost", 8080);
                 Scanner scanner = new Scanner(System.in)){
        
                System.out.println("已连接到服务端！");
                OutputStream stream = socket.getOutputStream();
                OutputStreamWriter writer = new OutputStreamWriter(stream);  //通过转换流来帮助我们快速写入内容
                System.out.println("请输入要发送给服务端的内容：");
                String text = scanner.nextLine();
                writer.write(text+'\n');   //因为对方是readLine()这里加个换行符
                writer.flush();
                System.out.println("数据已发送："+text);
            }catch (IOException e){
        
                System.out.println("服务端连接失败！");
                e.printStackTrace();
            }finally {
        
                System.out.println("客户端断开连接！");
            }
        }
    }

同理，既然服务端可以读取客户端的内容，客户端也可以在发送后等待服务端给予响应：

public static void main(String[] args) {
        
        try (Socket socket = new Socket("localhost", 8080);
             Scanner scanner = new Scanner(System.in)){
        
            System.out.println("已连接到服务端！");
            OutputStream stream = socket.getOutputStream();
            OutputStreamWriter writer = new OutputStreamWriter(stream);  //通过转换流来帮助我们快速写入内容
            System.out.println("请输入要发送给服务端的内容：");
            String text = scanner.nextLine();
            writer.write(text+'\n');   //因为对方是readLine()这里加个换行符
            writer.flush();
            System.out.println("数据已发送："+text);
            BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
            System.out.println("收到服务器返回："+reader.readLine());
        }catch (IOException e){
        
            System.out.println("服务端连接失败！");
            e.printStackTrace();
        }finally {
        
            System.out.println("客户端断开连接！");
        }
    }

我们可以手动关闭单向的流：

socket.shutdownOutput();  //关闭输出方向的流
    socket.shutdownInput();  //关闭输入方向的流

如果我们不希望服务端等待太长的时间，我们可以通过调用`setSoTimeout()`方法来设定IO超时时间：

socket.setSoTimeout(3000);

当超过设定时间都依然没有收到客户端或是服务端的数据时，会抛出异常：

java.net.SocketTimeoutException: Read timed out
    	at java.net.SocketInputStream.socketRead0(Native Method)
    	at java.net.SocketInputStream.socketRead(SocketInputStream.java:116)
    	at java.net.SocketInputStream.read(SocketInputStream.java:171)
    	at java.net.SocketInputStream.read(SocketInputStream.java:141)
    	at sun.nio.cs.StreamDecoder.readBytes(StreamDecoder.java:284)
    	at sun.nio.cs.StreamDecoder.implRead(StreamDecoder.java:326)
    	at sun.nio.cs.StreamDecoder.read(StreamDecoder.java:178)
    	at java.io.InputStreamReader.read(InputStreamReader.java:184)
    	at java.io.BufferedReader.fill(BufferedReader.java:161)
    	at java.io.BufferedReader.readLine(BufferedReader.java:324)
    	at java.io.BufferedReader.readLine(BufferedReader.java:389)
    	at com.test.Main.main(Main.java:41)

我们之前使用的都是通过构造方法直接连接服务端，那么是否可以等到我们想要的时候再去连接呢？

try (Socket socket = new Socket(); //调用无参构造不会自动连接
         Scanner scanner = new Scanner(System.in)){
         
        socket.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080), 1000);  //手动调用connect方法进行连接

如果连接的双方发生意外而通知不到对方，导致一方还持有连接，这样就会占用资源，因此我们可以使用`setKeepAlive()`方法来防止此类情况发生：

socket.setKeepAlive(true);

当客户端连接后，如果设置了keeplive为 true，当对方没有发送任何数据过来，超过一个时间(看系统内核参数配置)，那么我们这边会发送一个ack探测包发到对方，探测双方的TCP/IP连接是否有效。

TCP在传输过程中，实际上会有一个缓冲区用于数据的发送和接收：

![img][img 5]

此缓冲区大小为：8192，我们可以手动调整其大小来优化传输效率：

socket.setReceiveBufferSize(25565);   //TCP接收缓冲区
    socket.setSendBufferSize(25565);    //TCP发送缓冲区

### 四、使用Socket传输文件 ###

既然Socket为我们提供了IO流便于数据传输，那么我们就可以轻松地实现文件传输了。

### 五、使用浏览器访问Socket服务器 ###

在了解了如何使用Socket传输文件后，我们来看看，浏览器是如何向服务器发起请求的：

我们现在打开浏览器，输入http://localhost:8080或是http://127.0.0.1:8080/，来连接我们本地开放的服务器。

我们发现浏览器是无法打开这个链接的，但是我们服务端却收到了不少的信息：

GET / HTTP/1.1
    Host: 127.0.0.1:8080
    Connection: keep-alive
    Cache-Control: max-age=0
    sec-ch-ua: "Chromium";v="94", "Google Chrome";v="94", ";Not A Brand";v="99"
    sec-ch-ua-mobile: ?0
    sec-ch-ua-platform: "macOS"
    Upgrade-Insecure-Requests: 1
    User-Agent: Mozilla/5.0 (Macintosh; Intel Mac OS X 10_15_7) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/94.0.4606.81 Safari/537.36
    Accept: text/html,application/xhtml+xml,application/xml;q=0.9,image/avif,image/webp,image/apng,*/*;q=0.8,application/signed-exchange;v=b3;q=0.9
    Sec-Fetch-Site: none
    Sec-Fetch-Mode: navigate
    Sec-Fetch-User: ?1
    Sec-Fetch-Dest: document
    Accept-Encoding: gzip, deflate, br
    Accept-Language: zh-CN,zh;q=0.9,und;q=0.8,en;q=0.7

实际上这些内容都是Http协议规定的请求头内容。HTTP是一种应用层协议，全称为超文本传输协议，它本质也是基于TCP协议进行数据传输，因此我们的服务端能够读取HTTP请求。但是Http协议并不会保持长连接，在得到我们响应的数据后会立即关闭TCP连接。

既然使用的是Http连接，如果我们的服务器要支持响应HTTP请求，那么就需要按照HTTP协议的规则，返回一个规范的响应文本，首先是响应头，它至少要包含一个响应码：

HTTP/1.1 200 Accpeted

然后就是响应内容（注意一定要换行再写），我们尝试来编写一下支持HTTP协议的响应内容：

public static void main(String[] args) {
        
        try(ServerSocket server = new ServerSocket(8080)){
            //将服务端创建在端口8080上
            System.out.println("正在等待客户端连接...");
            Socket socket = server.accept();
            System.out.println("客户端已连接，IP地址为："+socket.getInetAddress().getHostAddress());
            BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));  //通过
            System.out.println("接收到客户端数据：");
            while (reader.ready()) System.out.println(reader.readLine());   //ready是判断当前流中是否还有可读内容
            OutputStreamWriter writer = new OutputStreamWriter(socket.getOutputStream());
            writer.write("HTTP/1.1 200 Accepted\r\n");   //200是响应码，Http协议规定200为接受请求，400为错误的请求，404为找不到此资源（不止这些，还有很多）
            writer.write("\r\n");   //在请求头写完之后还要进行一次换行，然后写入我们的响应实体（会在浏览器上展示的内容）
            writer.write("lbwnb!");
            writer.flush();
        }catch (Exception e){
        
            e.printStackTrace();
        }
    }

我们可以打开浏览器的开发者模式（这里推荐使用Chrome/Edge浏览器，按下F12即可打开），我们来观察一下浏览器的实际请求过程。

[3da9400a7531490aae7ccafd96403434.png_pic_center]: https://img-blog.csdnimg.cn/3da9400a7531490aae7ccafd96403434.png#pic_center
[img]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/c2bbd851eaeb85923f4efaeac9367ba0.png
[img 1]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/eaed8e98d71cfc8cc4885aa9acf19f96.png
[img 2]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/34ba3935f8daa1efc1acdd96f99a6a54.png
[img 3]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/2d7170b3781bae80bc0b963f7a604c18.png
[img 4]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/5f1b72c9b2c81ee810272a6af4f668d8.gif
[img 5]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/b4bce065b7ac00f1fafa8fc05d991927.png