Socket套接字（网络编程万字总结-附代码）

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前言

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欢迎大家加入一起交流学习~~

一、概念

Socket套接字是由系统提供用于网络通信的技术是基于TCP/IP协议的网络通信的基本操作单元。基于Socket套接字的网络程序开发就是网络编程。

Socket是站在应用层做网络编程很重要的一个概念

传输层、网络层、数据链路层、物理层 都是通过OS+硬件来提供服务的而应用层要享受OS提供的网络服务需要通过OS提供的服务窗口Socket来享受服务。

拓展

OS原生的提供的系统调用Linux上的网络编程:

int fd = socket();
setsocketopt(fd,TCP or UDP)

二、分类三类

Socket套接字主要针对传输层协议划分为如下三类

2.1 流套接字使用传输层TCP协议

TCP即Transmission Control Protocol传输控制协议传输层协议。

以下为TCP的特点

  • 有连接
  • 可靠传输
  • 面向字节流
  • 有接收缓冲区也有发送缓冲区
  • 大小不限

对于字节流来说可以简单的理解为传输数据是基于IO流流式数据的特征就是在IO流没有关闭的情况下是无边界的数据可以多次发送也可以分开多次接收。

2.2 数据报套接字使用传输层UDP协议

UDP即User Datagram Protocol用户数据报协议传输层协议。

以下为UDP的特点

  • 无连接
  • 不可靠传输
  • 面向数据报
  • 有接收缓冲区无发送缓冲区
  • 大小受限一次最多传输64k

对于数据报来说可以简单的理解为传输数据是一块一块的发送一块数据假如100个字节必须一次发送接收也必须一次接收100个字节而不能分100次每次接收1个字节。

2.3 原始套接字

原始套接字用于自定义传输层协议用于读写内核没有处理的IP协议数据。

三、UDP数据报套接字编程

对于UDP协议来说具有无连接面向数据报的特征即每次都是没有建立连接并且一次发送全部数据报一次接收全部的数据报。

3.1 Java数据报套接字通信模型

java中使用UDP协议通信主要基于 DatagramSocket 类来创建数据报套接字并使用
DatagramPacket 作为发送或接收的UDP数据报。对于一次发送及接收UDP数据报的流程如下
在这里插入图片描述

3.2 DatagramSocket API

DatagramSocket 是UDP Socket用于发送和接收UDP数据报。

3.2.1 DatagramSocket 构造方法

在这里插入图片描述
注意

  1. UDP服务器Server采用一个固定端口方便客户端Client进行通信
    使用 DatagramSocket(int port) ,就可以绑定到本机指定的端口此方法可能有错误风险提示该端口已经被其他进程占用。

  2. UDP客户端Client不需要采用固定端口也可以用固定端口采用随机端口
    使用 DatagramSocket() 绑定到本机任意一个随机端口

3.2.2 DatagramSocket 普通方法属于DatagramSocket类

在这里插入图片描述
注意

  1. 一旦通信双方逻辑意义上有了通信线路双方地位就平等了谁都可以作为发送方和接收方

  2. 发送方调用的就是 send() 方法接收方调用的就是 receive() 方法

  3. 通信结束后双方都应该调用 close() 方法进行资源回收

3.3 DatagramPacket API

DatagramPacket 是UDP Socket发送和接收的数据报。

这个类就是定义的报文包通信过程中的数据抽象

可以理解为发送/接受的一个信封五元组+信件

3.3.1 DatagramPacket 构造方法

在这里插入图片描述注意

  1. 作为接收方只需要提供存放接受数据的位置byte[] buf + int length
  2. 作为发送方需要有要发送的数据(byte[] buf +int offset +int length),要发送给谁远端ip+远端port 在这里插入图片描述

3.3.2 DatagramPacket 普通方法

在这里插入图片描述注意

  1. 一般给服务器使用的是 getAddress() 方法和 getPort() 方法用来获取客户端的ip地址和端口号port
  2. 一般给接收者可以是服务器也可是客户端使用的是 getData() 用来拿到“信”对方进程发送的应用层数据

3.4 InetSocketAddress API

InetSocketAddress SocketAddress 的子类 构造方法

在这里插入图片描述

3.5 代码示例有请求和相应

以下仅展示部分代码完整代码可以看博主的gitee仓库

网络开发代码

UDP客户端

public class UserInputLoopClient {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);

        // 1. 创建 UDP socket
        Log.println("准备创建 UDP socket");

        DatagramSocket socket = new DatagramSocket();
        Log.println("UDP socket 创建结束");

        System.out.print("请输入英文单词: ");
        while (scanner.hasNextLine()) {
            // 2. 发送请求
            String engWord = scanner.nextLine();
            Log.println("英文单词是: " + engWord);
            String request = engWord;
            byte[] bytes = request.getBytes("UTF-8");

            // 手动构造服务器的地址
            // 现在服务器和客户端在同一台主机上所以使用 127.0.0.1 环回地址 loopback address
            // 端口使用 TranslateServer.PORT8888
            InetAddress loopbackAddress = InetAddress.getLoopbackAddress();
            InetAddress remoteAddress = Inet4Address.getByName("182.254.132.183");

            DatagramPacket sentPacket = new DatagramPacket(
                    bytes, 0, bytes.length, // 要发送的数据
                    remoteAddress, TranslateServer.PORT   // 对方的 ip + port
            );
            Log.println("准备发送请求");
            socket.send(sentPacket);
            Log.println("请求发送结束");

            // 3. 接收响应
            byte[] buf = new byte[1024];
            DatagramPacket receivedPacket = new DatagramPacket(buf, buf.length);
            Log.println("准备接收响应");
            socket.receive(receivedPacket);
            Log.println("响应接收接收");
            byte[] data = receivedPacket.getData();
            int len = receivedPacket.getLength();

            String response = new String(data, 0, len, "UTF-8");
            String chiWord = response;
            Log.println("翻译结果: " + chiWord);

            System.out.print("请输入英文单词: ");
        }

        // 4. 关闭 socket
        socket.close();
    }
}

UDP服务端

// 提供翻译的服务器
public class TranslateServer {
    // 公开的 ip 地址就看进程工作在哪个 ip 上
    // 公开的 port需要程序中指定
    public static final int PORT = 8888;

    // SocketException -> IOException -> Exception
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Log.println("准备进行字典的初始化");
        initMap();
        Log.println("完成字典的初始化");

        Log.println("准备创建 UDP socket端口是 " + PORT);
        DatagramSocket socket = new DatagramSocket(PORT);
        Log.println("UDP socket 创建成功");

        // 作为服务器是被动的循环的进行请求-响应周期的处理
        // 等待请求处理并发送响应直到永远
        while (true) {
            // 1. 接收请求
            byte[] buf = new byte[1024];    // 1024 代表我们最大接收的数据大小字节
            DatagramPacket receivedPacket = new DatagramPacket(buf, buf.length);
            Log.println("准备好接收 DatagramPacket最大大小为: " + buf.length);
            Log.println("开始接收请求");
            socket.receive(receivedPacket); // 这个方法就会阻塞程序执行到这里就不动了直到有客户发来请求才能继续
            Log.println("接收到请求");

            // 2. 一旦走到此处一定是接收到请求了拆信
            // 拆出对方的 ip 地址
            InetAddress address = receivedPacket.getAddress();
            Log.println("对方的 IP 地址: " + address);
            // 拆出对方的端口
            int port = receivedPacket.getPort();
            Log.println("对方的 port: " + port);

            // 拆出对方的 ip 地址 + port
            SocketAddress socketAddress = receivedPacket.getSocketAddress();
            Log.println("对象的完整地址: " + socketAddress);

            // 拆出对方发送过来的数据其实这个 data 就是我们刚才定义的 buf 数组
            byte[] data = receivedPacket.getData();
            Log.println("接收到的对象的数据: " + Arrays.toString(data));
            // 拆出接收到的数据的大小字节
            int length = receivedPacket.getLength();
            Log.println("接收的数据大小字节" + length);

            // 3. 解析请求 意味着我们需要定义自己的应用层协议
            // 首先做字符集解码    byte[] -> String
            String request = new String(data, 0, length, "UTF-8");
            // 这个按照我们的应用层协议
            String engWord = request;
            Log.println("请求英文单词" + engWord);

            // 4. 执行业务翻译服务不是我们本次演示的重点
            String chiWord = translate(engWord);
            Log.println("翻译后的结果" + chiWord);

            // 5. 按照应用层协议封装响应
            String response = chiWord;
            // 进行字符集编码  String -> byte[]
            byte[] sendBuf = response.getBytes("UTF-8");

            // 6. 发送响应
            // 作为发送方需要提供
            DatagramPacket sentPacket = new DatagramPacket(
                    sendBuf, 0, sendBuf.length,     // 要发送的数据
                    socketAddress                         // 从请求信封中拆出来的对象的地址ip + port
            );
            Log.println("准备好发送 DatagramPacket 并发送");
            socket.send(sentPacket);
            Log.println("发送成功");

            // 7. 本次请求-响应周期完成继续下一次请求-响应周期
        }

//        socket.close(); // 由于我们是死循环这里永远不会走到
    }

    private static final HashMap<String, String> map = new HashMap<>();

    private static void initMap() {
        map.put("apple", "苹果");
        map.put("pear", "梨");
        map.put("orange", "橙子");
    }

    private static String translate(String engWord) {
        String chiWord = map.getOrDefault(engWord, "查无此单词");
        return chiWord;
    }
}

自定义的日志类记得导入此类

public class Log {
    public static void println(Object o) {
        LocalDateTime localDateTime = LocalDateTime.now(ZoneId.of("Asia/Shanghai"));

        DateTimeFormatter formatter = DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");

        String now = formatter.format(localDateTime);

        String message = now + ": " + (o == null ? "null" : o.toString());

        System.out.println(message);
    }

    public static void main(String[] args) {
        println(1);
    }
}

四、TCP数据报套接字编程

4.1 Java流套接字通信模型

在这里插入图片描述

4.2 ServerSocket API

ServerSocket 是创建TCP服务端Socket的API。

4.2.1 ServerSocket 构造方法

在这里插入图片描述服务器使用的TCP Socket对象传入的端口就是要公开的端口一般称为监听listen端口

4.2. ServerSocket 普通方法

在这里插入图片描述注意

  1. accept接起电话服务器是电话铃响的这一方

  2. Socket对象建立起的连接在这里插入图片描述

  3. close挂电话谁都可以挂

4.3 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。

4.3.1 Socket 构造方法

在这里插入图片描述注意

  1. 服务器的Socket对象是从accept()中获取到的所以只有客户端的Socket对象需要手动实例化出来这个构造方法是给客户端使用传入服务器的ip+port
  2. 一旦socket对象拿到双方是同时拿到的双方就地位平等了只区分发送方和接收方即可

4.3.2 Socket 普通方法

在这里插入图片描述注意

  1. 输入流站在进程角度背后对象就是网卡网卡抽象出来的TCP连接所以是给接收方使用
  2. 输出流同理所以是给发送方使用

4.4 TCP中的长短连接

TCP发送数据时需要先建立连接什么时候关闭连接就决定是短连接还是长连接

  1. 短连接每次接收到数据并返回响应后都关闭连接即是短连接。也就是说短连接只能一次收发数据。
  2. 长连接不关闭连接一直保持连接状态双方不停的收发数据即是长连接。也就是说长连接可以多次收发数据。

对比以上长短连接两者区别如下

  • 建立连接、关闭连接的耗时短连接每次请求、响应都需要建立连接关闭连接而长连接只需要第一次建立连接之后的请求、响应都可以直接传输。相对来说建立连接关闭连接也是要耗时的长连接效率更高。
  • 主动发送请求不同短连接一般是客户端主动向服务端发送请求而长连接可以是客户端主动发送请求也可以是服务端主动发。
  • 两者的使用场景有不同短连接适用于客户端请求频率不高的场景如浏览网页等。长连接适用于客户端与服务端通信频繁的场景如聊天室实时游戏等。

扩展了解

基于BIO同步阻塞IO的长连接会一直占用系统资源。对于并发要求很高的服务端系统来说这样的消耗是不能承受的。

由于每个连接都需要不停的阻塞等待接收数据所以每个连接都会在一个线程中运行。
一次阻塞等待对应着一次请求、响应不停处理也就是长连接的特性一直不关闭连接不停的处理请求。

实际应用时服务端一般是基于NIO即同步非阻塞IO来实现长连接性能可以极大的提升。

现在还遗留一个问题

如果同时多个长连接客户端连接该服务器能否正常处理

需要在IDEA配置客户端支持同时运行多个实例

  1. 短连接客户端 <–> 短连接服务器 支持同时在线
  2. 短连接客户端 <-> 长连接服务器 支持同时在线
  3. 长连接客户端 <-> 长连接服务器 不支持同时在线

所以可以使用多线程解决长连接客户端不支持同时在线的问题

将任务专门交给其他线程来处理主线程只负责接受socket。

4.5 代码示例短连接

这里仅演示短连接长连接和多线程在博主的个人仓库下

网络开发代码

TCP服务端

public class TranslateServerShortConnection {
    public static final int PORT = 8888;

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Log.println("启动短连接版本的 TCP 服务器");
        initMap();
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(PORT);
        while (true) {
            // 接电话
            Log.println("等待对方来连接");
            Socket socket = serverSocket.accept();
            Log.println("有客户端连接上来了");

            // 对方信息
            InetAddress inetAddress = socket.getInetAddress();  // ip
            Log.println("对方的 ip: " + inetAddress);
            int port = socket.getPort();    // port
            Log.println("对方的 port: " + port);
            SocketAddress remoteSocketAddress = socket.getRemoteSocketAddress();    // ip + port
            Log.println("对方的 ip + port: " + remoteSocketAddress);

            // 读取请求
            InputStream inputStream = socket.getInputStream();
            Scanner scanner = new Scanner(inputStream, "UTF-8");
            String request = scanner.nextLine();    // nextLine() 就会去掉换行符
            String engWord = request;
            Log.println("英文: " + engWord);

            // 翻译
            String chiWord = translate(engWord);
            Log.println("中文: " + chiWord);

            // 发送响应
            String response = chiWord;  // TODO: 响应的单词中是没有 \r\n

            OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
            OutputStreamWriter outputStreamWriter = new OutputStreamWriter(outputStream, "UTF-8");
            PrintWriter writer = new PrintWriter(outputStreamWriter);

            Log.println("准备发送");
            writer.printf("%s\r\n", response);

            writer.flush();
            Log.println("发送成功");

            // 挂掉电话
            socket.close();
            Log.println("挂断电话");
        }
//        serverSocket.close();
    }


    private static final HashMap<String, String> map = new HashMap<>();

    private static void initMap() {
        map.put("apple", "苹果");
        map.put("pear", "梨");
        map.put("orange", "橙子");
    }

    private static String translate(String engWord) {
        String chiWord = map.getOrDefault(engWord, "查无此单词");
        return chiWord;
    }
}

TCP客户端

public class UserInputLoopShortConnectionClient {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Scanner userInputScanner = new Scanner(System.in);


        while (true) {
            // 这里做了一个假设1用户肯定有输入  2用户一行一定只输入一个单词没有空格
            System.out.print("请输入英文单词: ");
            if (!userInputScanner.hasNextLine()) {
                break;
            }
            String engWord = userInputScanner.nextLine();

            // 直接创建 Socket使用服务器 IP + PORT
            Log.println("准备创建 socket(TCP 连接)");
            Socket socket = new Socket("127.0.0.1", TranslateServerShortConnection.PORT);
            Log.println("socket(TCP 连接) 创建成功");

            // 发送请求
            Log.println("英文: " + engWord);
            String request = engWord + "\r\n";

            OutputStream os = socket.getOutputStream();
            OutputStreamWriter osWriter = new OutputStreamWriter(os, "UTF-8");
            PrintWriter writer = new PrintWriter(osWriter);

            Log.println("发送请求中");
            writer.print(request);
            writer.flush();
            Log.println("请求发送成功");

            // 等待接受响应
            InputStream is = socket.getInputStream();
            Scanner socketScanner = new Scanner(is, "UTF-8");
            // 由于我们的响应一定是一行所以使用 nextLine() 进行读取即可
            // nextLine() 返回的数据中会自动把 \r\n 去掉
            // TODO: 没有做 hasNextLine() 的判断
            Log.println("准备读取响应");
            String chiWord = socketScanner.nextLine();
            Log.println("中文: " + chiWord);

            socket.close();
        }
    }
}

五、 关于输入流和输出流的使用

5.1 关于输入流的使用

  1. 如果直接进行二进制读取
byte[] buf = new byte[1024];
int n = inputStream.read(buf);
  1. 如果读取文本数据建议直接使用Scanner封装InputStream后再使用
Scanner S = new Scanner(inputStream,"UTF-8");
s.nextLine() ... s.hasNextLine()

5.2 关于输出流的使用

  1. 如果直接进行二进制输出outputStream.write(buf,offset,length)
  2. 如果是文本输出建议OutputStream -> OutputStreamWriter -> PrintWriter
OutputStreamWriter osWriter = new OutputStreamWriter(outputStream,"UTF-8");
PrintWriter writer = new PrintWriter(osWriter);
writer.println(...);
writer.print(...);
writer.printf(format,...);

重要不要忘记刷新缓冲区否则数据可能无法到达对方!!!

outputStream.flush();
//writer.flush();

六、面向数据报文VS面向字节流

举个栗子

在这里插入图片描述在这里插入图片描述

总结

关于端口被占用的问题

如果一个进程A已经绑定了一个端口再启动一个进程B绑定该端口就会报错这种情况也叫端口被占用。对于java进程来说端口被占用的常见报错信息如下

在这里插入图片描述
此时需要检查进程B绑定的是哪个端口再查看该端口被哪个进程占用。以下为通过端口号查进程的方式

  • 在cmd输入 netstat -ano | findstr 端口号 则可以显示对应进程的pid。如以下命令显
    示了8888进程的pid
    在这里插入图片描述

  • 在任务管理器中通过pid查找进程
    在这里插入图片描述
    解决端口被占用的问题

  1. 如果进程没啥用就可以把进程杀掉
  2. 如果进程不确定可以换个端口使用
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