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Socket套接字(网络编程万字总结-附代码)

三千筱夜 2022-12-29 阅读 84

文章目录


前言

一、概念

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

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

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

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.PORT(8888)
            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

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

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。

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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