轻松学会网络编程

约定不等于承诺〃 2023-10-14 19:45 81阅读 0赞

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**目录**

一、UDP 和 TCP 特点对比

1、有连接和无连接

2、可靠传输和不可靠传输

3、面向字节流和面向数据报

4、全双工和半双工

二、UDP 的 socket.api

1、DatagramSocket

2、DatagramPacket

回显服务器的实现

（1）服务器代码

（2）客户端代码

翻译服务器的实现

三、TCP

1、ServerSocket

编辑 2、Socket

回显服务器

（1）服务器代码

（2）客户端代码

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**网络编程其实就是写一个应用程序，让这个程序可以使用网络通信**

这里就需要调用传输层提供的 api

**传输层提供的协议一共是两个：**

1、UDP

2、TCP

这两个协议提供了两套不同的 api

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## 一、UDP 和 TCP 特点对比 ##

**UDP：无连接，不可靠传输，面向数据报，全双工**

**TCP：有连接，可靠传输，面向字节流，全双工**

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### 1、有连接和无连接 ###

我们在之前学习 JDBC 的时候，有这么一个步骤：

先创建一个 DtaSourse ，再通过 DataSourse 创建 Connection

**而这里的 Connection ，就是我们所说的连接**

更直观的理解：

打电话的时候，拨号，按下拨号键，知道对方接通，才算完成连接建立

TCP 进行编程的时候，也是存在类似的建立连接的过程

**无连接就类似于 发微信 / 短信，不需要建立连接就能进行通信**

这里的 ”连接“ 是一个抽象的概念

**客户端和服务器之间，使用内存保存对端的信息**

**双方都保存这个信息，此时 “连接” 就出现了**

**一个客户端可以连接多个服务器，一个服务器也可以对应多个客户端的连接**

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### 2、可靠传输和不可靠传输 ###

可靠传输，并不是说 A 给 B 发的消息100% 能传到

**而是，A 尽可能地把消息传给 B，并且在传输失败的时候，A 能感知到，或者在传输成功的时候，也能知道自己传输成功了**

**TCP 是可靠传输，传输效率就低了**

**UDP 是不可靠传输，传输效率更高**

虽然 TCP 是可靠传输，UDP 是不可靠传输，但是并不能说 TCP 就是比 UDP 安全

“网络安全” 指的是，如果你传输的数据是否容易被黑客截获，以及如果被截获后是否会泄露一些重要信息

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### 3、面向字节流和面向数据报 ###

**TCP 和文件操作类似，都是 “流” 式的（由于这里传输的单位都是字节 ，称为字节流）**

**UDP 是面向数据报，读写的基本单位是一个 UDP 数据报（包含了一系列的数据 / 属性）**

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### 4、全双工和半双工 ###

**全双工 ：一个通道，可以双向通信**

**半双工： 一个通道，只能单向通信**

![d0055b80ce2b4d8890dbc36f8293b62f.png][]

网线，就是全双工的

网线一共有 8 根铜缆，4 4 一组,有的负责一个方向，有的负责另一个方向

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## 二、UDP 的 socket.api ##

### 1、DatagramSocket ###

是一个 Socket 对象，

**操作系统使用文件这样的概念，来管理一些软硬件资源，操作系统也是使用文件的方式来管理网卡的，表示网卡的这类的文件，称为 Socket 文件**

Java 中的 Socket 对象，就对应系统里的 Socket 文件（最终还是要落到网卡上）

**要进行网络通信，就必须得有 Socket 对象**

**构造方法：**

![43ca28173c7d4776bc3dbe349bf8f69e.png][]

**第一个往往在客户端使用（客户端使用哪个端口是系统自动分配的）**

**第二个往往在服务器这边使用（服务器使用哪个端口是手动指定的）**

一个客户端的主机，上面运行的结果很多，天知道你手动选定的端口是不是被别的程序占用了，所以让系统自动分配一个端口是更加明智的选择

服务器是完全在程序员手里控制的，程序员可以把服务器上的多个程序安排好，让他们使用不同的端口

**其它方法：**

![65d8b83fd16b42a1902776b83c673f29.png][]

--------------------

### 2、DatagramPacket ###

**表示了一个 UDP 数据报，代表了系统中设定的 UDP 数据报的二进制结构**

**构造方法：**

![3f8b3f07451d487cade0749695ccb88e.png][]

**第一个构造方法：用来接受数据**

DatagramPacket 作为一个 UDP 数据报，必然要能够承载一些数据

通过手动指定的 byte\[\] 作为存储数据的空间

**第二个构造方法：用来发送数据**

SocketAddress address 指的是 ip 和 端口号

**其它方法:**![e5d86b835d44487dabf0b80a11efd9c6.png][]

**getData 是指获取 UDP 数据报载荷部分（完整的应用层数据报）**

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#### 回显服务器的实现 ####

**接下来我们开始手写 UDP 客户端服务器**

最简单的 UDP 服务器：回显服务器（echo server），客户端发啥，服务器返回啥

##### **（1）服务器代码** #####

![a9a6391708ff48d7be642bb25fb31e19.png][]

编写网络程序的时候，经常见到这种异常，意思就是说 socket 是有可能失败的

最典型的情况，就是端口号被占用

端口号是用来区分主机上的应用程序，一个应用程序可以占用主机上的多个端口，一个端口只能被一个进程占用（有特例，此处不讨论）

**换句话说，当端口已经被其它进程占用了，此时你再尝试创建这个 socket 对象，占用此端口，就会报错**

一个服务器，要给很多客户端提供服务，服务器也不知道客户端什么时候来，服务器只能 “时刻准备着” ，随时客户端来了，随时提供服务

**一个服务器，运行过程中，要做的事情，主要是三个核心环节**

> 1、读取请求，并解析  
> 2、根据请求，计算出响应  
> 3、把响应写回给客户端

**对于回显服务器来说，则不关心第二个流程，请求是啥，就返回什么响应**

但是一个商业级的服务器，主要的代码都是在完成第二个步骤

![a4f6504bc04b48348b97fff8fa684b72.png][]

这个方法中，参数的 DatagramPacket 是一个 **“输出型参数”**

**传入 receive 的是一个空的对象，receive 内部就会把这个空的对象的内容给填成上，当 receive 执行结束，于是就得到了一个装满内容的 DatagramPacket**

![01f7fa3d48c04a98b5f4a5b26d673e3e.png][]

**这个对象用来保存数据的内存空间，是需要手动指定的，不像学过的集合类，内部是有自己管理内存的能力的（能够申请内存，释放内存，内存扩容 等功能）**

4096 这个数字是随便写出来的，但是也不能写的太大，不能超过 64kb

![5579a6c72513406db58d3454f0ec2f2c.png][]

**服务器程序一启动，就会立即执行到循环，立即执行到 receive 了**

**如果此时客户端的请求还没来，receive 方法就会阻塞等待，阻塞到真正有客户端发起请求过来了**

![121b59a6d3f7417d9846d33ef33f3259.png][]

这段代码中，就要构造一个 DatagramPacket 对象，把响应发回给客户端

**注意：第二个参数不能写 response,length()**

**这是因为， response,length() 是按照字符计算长度，而 response.getBytes().length 是按照字节计算长度**

如果字符串是全英文的，此时字节数和字符数是一样的，但是如果字符串中含有中文，此时两者计算出的结果就不一样了

**socket api 本身，就是按照字节来处理的**

requestPacket.getSocketAddress() 这个部分是把数据报，发送给客户端，就需要知道客户端的 ip 和端口

**DatagramPacket 这个对象就包含着通信双方的 ip 和 port**

**服务器部分代码：**

import java.io.IOException;
    import java.net.DatagramPacket;
    import java.net.DatagramSocket;
    import java.net.SocketException;
    
    //UDP 的回显服务器
    //客户端发的请求是啥，服务器的响应就是啥
    public class UdpEchoServer {
        private DatagramSocket socket = null;
    
        public UdpEchoServer(int port) throws SocketException {
            socket = new DatagramSocket(port);
        }
    
        //使用这个方法启动服务器
        public void start() throws IOException {
            System.out.println("服务器启动");
            while (true){
                //反复的，长期的执行针对客户端请求处理的逻辑
                //一个服务器，运行过程中，要做的事情，主要是三个核心环节
                //1、读取请求，并解析
                DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(new byte[4096],4096);
                socket.receive(requestPacket);
                //这样的转字符串的前提是，后续客户端发的数据就是一个文本的字符串
                String request = new String(requestPacket.getData(),0,requestPacket.getLength());
                //2、根据请求，计算出响应
                String response = process(request);
                //3、把响应写回给客户端
                //此时需要告知网卡，要发的内容是啥，要发给谁
                DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(response.getBytes(),response.getBytes().length,
                        requestPacket.getSocketAddress());
                socket.send(responsePacket);
                //记录日志，方便观察程序执行效果
                System.out.printf("[%s:%d] req: %s, resp: %s\n",responsePacket.getAddress().toString(),responsePacket.getPort(),
                        request,response);
            }
        }
        //根据请求计算响应
        public String process(String request){
            return request;
        }
    
        public static void main(String[] args) throws IOException {
            UdpEchoServer server = new UdpEchoServer(9090);
            server.start();
        }
    }

![3cff53aa2f6146e0b91dcfa3439153cb.png][]**这个是否关闭了呢？**

对于我们这个服务器程序来说，DatagramSocket 不关闭，问题不大，整个程序中只有这一个 socket 对象，不是频繁创建的

这个对象的生命周期非常长，跟随整个程序的，此时，socket 就需要保持打开的状态

socket 对象，对应到了 系统中的 socket 文件，又对于到了文件描述符（**最主要的目的是为了是否文件描述符，才要关闭 socket 对象的**）

进程结束，就把 pcb 回收，里面的文件描述符表也就都销毁了

**但是这一点仅限于：只有一个 socket 对象，并且生命周期是跟随进程的，此时就可以不用释放**

但是如果有多个 socket 对象，socket 对象生命周期更短，需要频繁创建释放，此时一定要记得去 close

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##### （2）客户端代码 #####

![4e59e2705f6a4c9d95cab9bc015c085d.png][]

编写客户端，后面的参数指定了发给哪个 IP，发给哪个端口

**此处需要的是 InetAdress 对象，所以使用 InetAdress 的静态方法，getByName 来进行构造（工厂模式 / 工厂方法）**

![51f021a8b7204876badf786e85f28c8f.png][]

**服务器启动要自动绑定到 9090**![143e4622a62a49098e7827a254973d7c.png][]

**客户端接下来就要访问 9090 这个窗口**

**客户端代码：**

import java.io.IOException;
    import java.net.*;
    import java.util.Scanner;
    
    public class UdpEchoClient {
        private DatagramSocket socket = null;
        private String serverIp;
        private int serverPort;
    
        //服务器的 ip 和 服务器窗口
        public UdpEchoClient(String ip ,int port) throws SocketException {
            serverIp = ip;
            serverPort = port;
            //这个 new 操作，就不再指定端口了，让系统自动分配一个空闲端口
            socket = new DatagramSocket();
        }
    
        //客户端启动，让这个客户端反复的从控制台读取用户输入的内容，把这个内容构造成 UPD 请求，发给服务器，再读取服务器返回的 UDP响应
        //最终再显示在客户端的屏幕上
        public void start() throws IOException {
            System.out.println("客户端启动！");
            Scanner scanner = new Scanner(System.in);
            while (true){
                //1、从控制台读取用户输入的内容
                System.out.println("-> ");//命令提示符，提示用户输入字符串
                String request = scanner.next();
                //2、构造请求对象，并发给服务器
                DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(request.getBytes(),request.getBytes().length,
                        InetAddress.getByName(serverIp),serverPort);
                socket.send(requestPacket);
                //3、读取服务器的响应，并解析出响应内容
                DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(new byte[4096],4096);
                socket.receive(responsePacket);
                String response = new String(responsePacket.getData(),0,responsePacket.getLength());
                //4、显示结果
                System.out.println(request);
            }
        }
    
        public static void main(String[] args) throws IOException {
            UdpEchoClient client = new UdpEchoClient("127.0.1",9090);
            client.start();
        }
    }

**此时，先运行服务器，再运行客户端，然后输入内容，就可以看到执行结果了**![42f874f973854833835fdc6d6c6f385f.png][]

如果启动多个客户端，多个客户端也是可以被服务器应对的

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### 翻译服务器的实现 ###

翻译服务器，请求的是一些英文单词，响应则是对应得中文翻译

这个服务器和之前的回显服务器的到部分代码是相似的，所以我们让它直接继承之前的服务器

继承，本身就是为了更好的“复用现有代码”![106411fe598747aea5f20c31f770e51e.png][]

**如果在这里，不加@Override ，万一方法名字 / 参数类型 / 参数个数 / 访问权限 万一搞错了，此时就无法构成重写了，并且也不好发现**

import java.io.IOException;
    import java.net.SocketException;
    import java.util.HashMap;
    import java.util.Map;
    
    public class UdpDicSever extends UdpEchoServer{
        private Map<String,String> dict = new HashMap<>();
    
        public UdpDicSever(int port) throws SocketException {
            super(port);
    
            dict.put("cat","小猫");
            dict.put("dog","小狗");
            dict.put("duck","小鸭");
            //可以在这里继续添加千千万万个单词，每个单词都有一个对应的翻译
        }
    
        //是要复用之前的代码，但是又要做出调整
        @Override
        public String process(String request){
            //把请求对应单词的翻译给返回回去
            return dict.getOrDefault(request,"该词没有查询到");
        }
    
        public static void main(String[] args) throws IOException {
            UdpDicSever server = new UdpDicSever(9090);
            //start 就不需要在写一遍了，就直接复用了之前的 start
            server.start();
        }
    }

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## 三、TCP ##

TCP 是字节流，一个字节一个字节的进行传输的

换句话说，一个 TCP 数据报，就是一个字节数组 byte\[ \]

TCP 提供的 api 也是两个类

### 1、ServerSocket ###

**给服务器使用的 Socket**

**构造方法：**  
![a59bf4d0a4a84c08a2be02d1c66f134d.png][]

**其它方法：**

### ![3adede4694b0457ea862b40b2ac4086c.png][] 2、Socket ###

**既会给服务器使用，也会给客户端使用**

**构造方法：**

![c2c300a527c7498a9e28fcbcd6d55dee.png][]

**其它方法：**

![11fb4e49e8ad4695bf4329aedb3b44c4.png][]

--------------------

### 回显服务器 ###

#### **（1）服务器代码** ####

**我们现在来尝试写一个 TCP 版本的回显服务器**

这里会和 UDP 有一些差别：

**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”**

虽然内核中的连接很多，但是在应用程序中，还是得一个一个处理的

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 数据结构中，应用程序就需要一个一个完成这些任务

**要完成任务，就需要先取任务，用到 serverSocker.accept()**![cf0bf88dbb2b47fa9eebec14565de377.png][]

**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”**

![8b8c206763404f7a88263112a0cdf1f2.png][]

程序启动，就会立即执行到 accept

**当服务器执行到 accept 的时候，此时客户端可能还没来，accpet 就会阻塞**

一直阻塞到有客户端连接成功

![adb6849a8e6f46ed9c65b04728ed2f03.png][]

**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**

而这个 Socket 对象就像是一个 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**

TCP server 中涉及到两种 socket，serverSocket 和 clientSocket

![b8e354505169440f815003eb3ca225c6.png][]

serverSocket 可以理解成售楼部负责拉客的人，clientSocket 可以理解成售楼部负责介绍详情的人

![1ffd7a9fa559423eb2643a435af31fed.png][]

**IO 操作是比较有开销的**

**相比于访问内存，进行 IO 的次数越多，程序的速度就越慢**

**使用一块内存作为缓冲区，写数据的时候，先写到缓冲区里，攒一波数据，统一进行 IO**

**PrintWriter 就内置了缓冲区，手动刷新，确保这里的数据是真的通过网卡发出去了，而不是残留在缓冲区中的**

这里加上 flash 更稳妥，但是不加也不一定会出错

缓冲区是内置了一定的刷新策略，因此更建议把 flash 给加上

**在这个程序中，涉及到两类 socket**

1、ServerSocket （只有一个，生命周期跟随程序，不关闭也没事）

2、Socket

![5b335f410ba34a66b55dd02e4dd776b4.png][]

**此处的 socket 是在被反复创建的**

我们要确保，连接断开之后，socket 能够被关闭，所以在最后 finally 中加上关闭 socket 的代码

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;
    
    public class TcpEchoServer {
        private ServerSocket serverSocket = null;
    
        //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("启动服务器！");
            while (true){
                Socket clientSocket = serverSocket.accept();
                processConnection(clientSocket);
            }
        }
    
        //通过这个方法处理一个连接的逻辑
        private void processConnection(Socket clientSocket) throws IOException {
            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
            //Socket 对象内部，包含两个字节流对象，可以把这两个字节流对象获取到，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 scanner = new Scanner(inputStream);
                    if (!scanner.hasNext()){
                        //读取完毕，客户端下线
                        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
                    String request = scanner.next();
                    //2、根据请求，计算响应
                    String response = process(request);
                    //3、把响应写回给客户端,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
                    //此处使用 println 而不是 print 就是为了在结尾加上换行符，方便客户端读取响应，使用 Scanner.next 读取
                    writer.println(response);
                    //这里还需要加一个 “刷新缓冲区” 的操作
                    writer.flush();
    
                    //日志，打印一下当前的请求详情
                    System.out.printf("[%s:%d] req: %s,resp: %s\n",clientSocket.getInetAddress().toString(),clientSocket.getPort(),
                            request,response);
    
                }
            }finally {
                //在 finally 中，加上 close 操作，确保当前 socket 能够被及时关闭
                clientSocket.close();
            }
        }
    
        public String process(String request){
            return  request;
        }
    
    
        public static void main(String[] args) throws IOException {
            TcpEchoServer server = new TcpEchoServer(9090);
            server.start();
        }
    }

--------------------

#### （2）客户端代码 ####

**客户端要做的事情：**

> 1、从控制台读取用户的输入
> 
> 2、把输入的内容构造成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

**当前代码中，对于 Scanner 和 PrintWriter 没有进行 close，是否会发生文件泄露呢？**

不会！！！

流对象中持有的资源，有两个部分：

1、内存（对象销毁了，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，而这俩个对象已经进行了关闭**

更准确的说，是 socket 对象持有的，所以把 socket 对象关闭就可以了

**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

![d3d5edd71daf4fba8d34b0193b2ff1bb.png][]

**hasNext 在客户端没有发请求的时候，也会阻塞，一直阻塞到客户端真的发了数据，或者客户端退出，hasNext 就返回了**

**当前代码，还存在一个很大的问题：****当我们启动两个客户端，会怎么样呢？**

![b6cbd79c6a5542f6b88b33298c3abe8c.png][]

**现象：**

> 当第一个客户端连接好了之后，第二个客户端不能被正确处理
> 
> 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，就都能响应了

![69f2196e0a0648578a9cf381f34d27c8.png][]

**当一个客户端来了，accept 就会返回，进入 processConnection**

![9c40e05585cd47289ed040c7dbce6431.png][]

**循环会处理该客户端的请求，一直到这个客户端结束了，方法才结束，才回到第一层这里**

**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 ，也就是说即使第二个客户端来了，也没法处理**

此处，客户端处理 processConnection 本身就是要长时间执行的，因为不知道客户端什么时候结束，也不知道客户端要发多少请求

**那么我们期望在执行这个方法的同时，也能够调用到 accept，此时可以使用多线程**

**我们可以在主线程里，专门负责拉客，拉到客人之后，创建新的线程，让新的线程负责处理客户端的各种请求**

![16ba20ec3e42498ca6c6cf451a8b6182.png][]

经过上述改进，只要服务器资源足够，有几个客户端都是可以的

其实，如果我们刚才的代码，不写成这个样子，比如要求每个客户端只能发一次请求，发完就断开，上述情况就能得到一定的缓解，但是还是会有类似的问题的

处理多个消息，自然就会延长 proessConnection 的执行时间，就让这个问题更加严重了

**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、一个请求可以传输多次请求和响应（长连接）

现在我们是，有一个连接，就有一个新的线程

**如果有很多客户端，频繁的来 连接 / 断开，服务器就涉及到频繁 创建 / 释放 线程了**

**使用线程池是更好的方案**

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**这样写是不对的！！！**

**processConnection 和主线程是不同的线程了，执行 processConnecton 过程中，主线程 try 就执行完毕了，这就会导致 clientSocket 还没有用完，就关闭了**

**因此，还是需要把 clientSocket 交给 processConnection 里面来关闭，所以应该这样写：**

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虽然使用线程池，避免了频繁创建销毁线程，但是毕竟是每个客户端对应一个线程

如果服务器对应的客户端很多，服务器就需要创建出大量的线程，，对于服务器的开销是很大的

**当客户端进一步增加，线程数目进一步增加，系统的负担就越来越重，响应的速度也会大打折扣**

**是否有办法，使用一个线程（或者最多三四个线程），能够高效处理很多个客户端的并发请求**

这个也叫做 **C10M 问题**：同一时刻，有 1kw 的客户端并发请求

**引入了很多技术手段，其中一个非常有效 / 必要的手段：IO多路复用 / IO 多路转接**

这个东西是解决高并发（C10M）的重要手段之一

**解决高并发，说白了就是四个字：**

> 1、开源：引入更多的硬件资源
> 
> 2、节流：提高单位硬件资源能够处理的请求

**IO 多路复用，就是节流的方式，同样的请求，消耗的硬件资源更少了**

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