JAVA 培训(三) Socket

Java Socket编程

Java最初是作为网络编程语言出现的，其对网络提供了高度的支持，使得客户端和服务器的沟通变成了现实，而在网络编程中，使用最多的就是Socket。像大家熟悉的QQ、MSN都使用了Socket相关的技术。下面就让我们一起揭开Socket的神秘面纱。

1、两台计算机间进行通讯需要以下三个条件：

IP地址、协议、端口号

2、TCP/IP协议：

是目前世界上应用最为广泛的协议，是以TCP和IP为基础的不同层次上多个协议的集合，也成TCP/IP协议族、或TCP/IP协议栈

TCP：Transmission Control Protocol 传输控制协议

IP：Internet Protocol 互联网协议

3、TCP/IP五层模型

应用层：HTTP、FTP、SMTP、Telnet等

传输层：TCP/IP

网络层：

数据链路层：

物理层：网线、双绞线、网卡等

4、IP地址

为实现网络中不同计算机之间的通信，每台计算机都必须有一个唯一的标识---IP地址。

32位二进制

5、端口

区分一台主机的多个不同应用程序，端口号范围为0-65535，其中0-1023位为系统保留。

如：HTTP：80FTP：21 Telnet：23

IP地址+端口号组成了所谓的Socket，Socket是网络上运行的程序之间双向通信链路的终结点，是TCP和UDP的基础

6、Socket套接字：

网络上具有唯一标识的IP地址和端口组合在一起才能构成唯一能识别的标识符套接字。

Socket原理机制：

通信的两端都有Socket

网络通信其实就是Socket间的通信

数据在两个Socket间通过IO传输

7、Java中的网络支持

针对网络通信的不同层次，Java提供了不同的API，其提供的网络功能有四大类：

InetAddress:用于标识网络上的硬件资源，主要是IP地址

URL：统一资源定位符，通过URL可以直接读取或写入网络上的数据

Sockets：使用TCP协议实现的网络通信Socket相关的类

Datagram:使用UDP协议，将数据保存在用户数据报中，通过网络进行通信。

二、InetAddress

InetAddress类用于标识网络上的硬件资源，标识互联网协议(IP)地址。

该类没有构造方法

1 //获取本机的InetAddress实例 
2 InetAddress address =InetAddress.getLocalHost(); 
3 address.getHostName();//获取计算机名 
4 address.getHostAddress();//获取IP地址 
5 byte[] bytes = address.getAddress();//获取字节数组形式的IP地址,以点分隔的四部分 
6  
7 //获取其他主机的InetAddress实例 
8 InetAddress address2 =InetAddress.getByName("其他主机名"); 
9 InetAddress address3 =InetAddress.getByName("IP地址");

三、URL类

 1 //创建一个URL的实例 
 2 URL baidu =new URL("http://www.baidu.com"); 
 3 URL url =new URL(baidu,"/index.html?username=tom#test");//？表示参数，#表示锚点 
 4 url.getProtocol();//获取协议 
 5 url.getHost();//获取主机 
 6 url.getPort();//如果没有指定端口号，根据协议不同使用默认端口。此时getPort()方法的返回值为 -1 
 7 url.getPath();//获取文件路径 
 8 url.getFile();//文件名，包括文件路径+参数 
 9 url.getRef();//相对路径，就是锚点，即#号后面的内容 
10 url.getQuery();//查询字符串，即参数

2、使用URL读取网页内容

通过URL对象的openStream()方法可以得到指定资源的输入流，通过流能够读取或访问网页上的资源

 1 //使用URL读取网页内容 
 2 //创建一个URL实例 
 3 URL url =new URL("http://www.baidu.com"); 
 4 InputStream is = url.openStream();//通过openStream方法获取资源的字节输入流 
 5 InputStreamReader isr =newInputStreamReader(is,"UTF-8");//将字节输入流转换为字符输入流,如果不指定编码，中文可能会出现乱码 
 6 BufferedReader br =newBufferedReader(isr);//为字符输入流添加缓冲，提高读取效率 
 7 String data = br.readLine();//读取数据 
 8 while(data!=null){ 
 9 System.out.println(data);//输出数据 
10 data = br.readerLine(); 
11 } 
12 br.close(); 
13 isr.colose(); 
14 is.close();

四、TCP编程

1、TCP协议是面向连接的、可靠的、有序的、以字节流的方式发送数据，通过三次握手方式建立连接，形成传输数据的通道，在连接中进行大量数据的传输，效率会稍低

2、Java中基于TCP协议实现网络通信的类

客户端的Socket类

服务器端的ServerSocket类

JAVA 培训(三) Socket

3、Socket通信的步骤

① 创建ServerSocket和Socket

② 打开连接到Socket的输入/输出流

③ 按照协议对Socket进行读/写操作

④ 关闭输入输出流、关闭Socket

4、服务器端：

① 创建ServerSocket对象，绑定监听端口

② 通过accept()方法监听客户端请求

③ 连接建立后，通过输入流读取客户端发送的请求信息

④ 通过输出流向客户端发送乡音信息

⑤ 关闭相关资源

 1 /** 
 2  * 基于TCP协议的Socket通信，实现用户登录，服务端 
 3 */ 
 4 //1、创建一个服务器端Socket，即ServerSocket，指定绑定的端口，并监听此端口 
 5 ServerSocket serverSocket =newServerSocket(10086);//1024-65535的某个端口 
 6 //2、调用accept()方法开始监听，等待客户端的连接 
 7 Socket socket = serverSocket.accept(); 
 8 //3、获取输入流，并读取客户端信息 
 9 InputStream is = socket.getInputStream(); 
10 InputStreamReader isr =newInputStreamReader(is); 
11 BufferedReader br =newBufferedReader(isr); 
12 String info =null; 
13 while((info=br.readLine())!=null){ 
14 System.out.println("我是服务器，客户端说："+info)； 
15 } 
16 socket.shutdownInput();//关闭输入流 
17 //4、获取输出流，响应客户端的请求 
18 OutputStream os = socket.getOutputStream(); 
19 PrintWriter pw = new PrintWriter(os); 
20 pw.write("欢迎您！"); 
21 pw.flush(); 
22  
23  
24 //5、关闭资源 
25 pw.close(); 
26 os.close(); 
27 br.close(); 
28 isr.close(); 
29 is.close(); 
30 socket.close(); 
31 serverSocket.close();

5、客户端：

① 创建Socket对象，指明需要连接的服务器的地址和端口号

② 连接建立后，通过输出流想服务器端发送请求信息

③ 通过输入流获取服务器响应的信息

④ 关闭响应资源

 1 //客户端 
 2 //1、创建客户端Socket，指定服务器地址和端口 
 3 Socket socket =newSocket("localhost",10086); 
 4 //2、获取输出流，向服务器端发送信息 
 5 OutputStream os = socket.getOutputStream();//字节输出流 
 6 PrintWriter pw =newPrintWriter(os);//将输出流包装成打印流 
 7 pw.write("用户名：admin；密码：123"); 
 8 pw.flush(); 
 9 socket.shutdownOutput(); 
10 //3、获取输入流，并读取服务器端的响应信息 
11 InputStream is = socket.getInputStream(); 
12 BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(is)); 
13 String info = null; 
14 while((info=br.readLine())!null){ 
15  System.out.println("我是客户端，服务器说："+info); 
16 } 
17  
18 //4、关闭资源 
19 br.close(); 
20 is.close(); 
21 pw.close(); 
22 os.close(); 
23 socket.close();

6、应用多线程实现服务器与多客户端之间的通信

① 服务器端创建ServerSocket，循环调用accept()等待客户端连接

② 客户端创建一个socket并请求和服务器端连接

③ 服务器端接受苦读段请求，创建socket与该客户建立专线连接

④ 建立连接的两个socket在一个单独的线程上对话

⑤ 服务器端继续等待新的连接

 1 //服务器线程处理 
 2 //和本线程相关的socket 
 3 Socket socket =null; 
 4 // 
 5 public serverThread(Socket socket){ 
 6 this.socket = socket; 
 7 } 
 8  
 9 publicvoid run(){ 
10 //服务器处理代码 
11 } 
12  
13 //============================================ 
14 //服务器代码 
15 ServerSocket serverSocket =newServerSocket(10086); 
16 Socket socket =null; 
17 int count =0;//记录客户端的数量 
18 while(true){ 
19 socket = serverScoket.accept(); 
20 ServerThread serverThread =newServerThread(socket); 
21  serverThread.start(); 
22  count++; 
23 System.out.println("客户端连接的数量："+count); 
24 }

五、UDP编程

UDP协议（用户数据报协议）是无连接的、不可靠的、无序的,速度快

进行数据传输时，首先将要传输的数据定义成数据报（Datagram），大小限制在64k，在数据报中指明数据索要达到的Socket（主机地址和端口号），然后再将数据报发送出去

DatagramPacket类:表示数据报包

DatagramSocket类：进行端到端通信的类

1、服务器端实现步骤

① 创建DatagramSocket，指定端口号

② 创建DatagramPacket

③ 接受客户端发送的数据信息

④ 读取数据

 1 //服务器端，实现基于UDP的用户登录 
 2 //1、创建服务器端DatagramSocket，指定端口 
 3 DatagramSocket socket =new datagramSocket(10010); 
 4 //2、创建数据报，用于接受客户端发送的数据 
 5 byte[] data =newbyte[1024];// 
 6 DatagramPacket packet =newDatagramPacket(data,data.length); 
 7 //3、接受客户端发送的数据 
 8 socket.receive(packet);//此方法在接受数据报之前会一致阻塞 
 9 //4、读取数据 
10 String info =newString(data,o,data.length); 
11 System.out.println("我是服务器，客户端告诉我"+info); 
12  
13  
14 //========================================================= 
15 //向客户端响应数据 
16 //1、定义客户端的地址、端口号、数据 
17 InetAddress address = packet.getAddress(); 
18 int port = packet.getPort(); 
19 byte[] data2 = "欢迎您！".geyBytes(); 
20 //2、创建数据报，包含响应的数据信息 
21 DatagramPacket packet2 = new DatagramPacket(data2,data2.length,address,port); 
22 //3、响应客户端 
23 socket.send(packet2); 
24 //4、关闭资源 
25 socket.close();

2、客户端实现步骤

① 定义发送信息

② 创建DatagramPacket，包含将要发送的信息

③ 创建DatagramSocket

④ 发送数据

 1 //客户端 
 2 //1、定义服务器的地址、端口号、数据 
 3 InetAddress address =InetAddress.getByName("localhost"); 
 4 int port =10010; 
 5 byte[] data ="用户名：admin;密码：123".getBytes(); 
 6 //2、创建数据报，包含发送的数据信息 
 7 DatagramPacket packet = newDatagramPacket(data,data,length,address,port); 
 8 //3、创建DatagramSocket对象 
 9 DatagramSocket socket =newDatagramSocket(); 
10 //4、向服务器发送数据 
11 socket.send(packet); 
12  
13  
14 //接受服务器端响应数据 
15 //====================================== 
16 //1、创建数据报，用于接受服务器端响应数据 
17 byte[] data2 = new byte[1024]; 
18 DatagramPacket packet2 = new DatagramPacket(data2,data2.length); 
19 //2、接受服务器响应的数据 
20 socket.receive(packet2); 
21 String raply = new String(data2,0,packet2.getLenth()); 
22 System.out.println("我是客户端，服务器说："+reply); 
23 //4、关闭资源 
24 socket.close();

六、注意问题：

1、多线程的优先级问题：

根据实际的经验，适当的降低优先级，否侧可能会有程序运行效率低的情况

2、是否关闭输出流和输入流：

对于同一个socket，如果关闭了输出流，则与该输出流关联的socket也会被关闭，所以一般不用关闭流，直接关闭socket即可

3、使用TCP通信传输对象，IO中序列化部分

4、socket编程传递文件，IO流部分

Socket

无论你是发邮件，浏览网页，还是看视频～实际底层都是使用的TCP/IP，而TCP/IP的编程抽象就是Socket!

我一直对Socket的中文翻译很困惑，个人觉得是我所接触的技术名词翻译里最莫名其妙的，没有之一！

Socket中文翻译为"套接字"！什么鬼？在很长的时间里我都无法将其和网络编程关联上！后来专门找了一些资料，最后在知乎上找到了一个还算满意的答案(具体链接，请见文末的参考资料链接)！

Socket的原意是插口，想表达的意思是插口与插槽的关系！"send socket"插到"receive socket"里，建立了链接，然后就可以通信了！

套接字的翻译，应该是参考了套接管(如下图)！从这个层面上来看，是有那么点意思！

JAVA 培训(三) Socket

套接字这个翻译已经是标准了，不纠结这个了！

我们看一下Socket之间建立链接及通信的过程！实际上就是对TCP/IP连接与通信过程的抽象:

JAVA 培训(三) Socket

服务端Socket会bind到指定的端口上，Listen客户端的"插入"
客户端Socket会Connect到服务端
当服务端Accept到客户端连接后
就可以进行发送与接收消息了
通信完成后即可Close

对于IO来说，我们听得比较多的是:

BIO:阻塞IO
NIO:非阻塞IO
同步IO
异步IO

以及其组合:

同步阻塞IO
同步非阻塞IO
异步阻塞IO
异步非阻塞IO

那么什么是阻塞IO、非阻塞IO、同步IO、异步IO呢？

一个IO操作其实分成了两个步骤：发起IO请求和实际的IO操作
阻塞IO和非阻塞IO的区别在于第一步：发起IO请求是否会被阻塞，如果阻塞直到完成那么就是传统的阻塞IO;如果不阻塞，那么就是非阻塞IO
同步IO和异步IO的区别就在于第二个步骤是否阻塞，如果实际的IO读写阻塞请求进程，那么就是同步IO，因此阻塞IO、非阻塞IO、IO复用、信号驱动IO都是同步IO;如果不阻塞，而是操作系统帮你做完IO操作再将结果返回给你，那么就是异步IO

模型图如下所示：

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BIO优缺点

优点
- 模型简单
- 编码简单
缺点
- 性能瓶颈低

优缺点很明显。这里主要说下缺点：主要瓶颈在线程上。每个连接都会建立一个线程。虽然线程消耗比进程小，但是一台机器实际上能建立的有效线程有限，以Java来说，1.5以后，一个线程大致消耗1M内存！且随着线程数量的增加，CPU切换线程上下文的消耗也随之增加，在高过某个阀值后，继续增加线程，性能不增反降！而同样因为一个连接就新建一个线程，所以编码模型很简单！

就性能瓶颈这一点，就确定了BIO并不适合进行高性能服务器的开发！像Tomcat这样的Web服务器，从7开始就从BIO改成了NIO，来提高服务器性能！

NIO模型示例如下：

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Acceptor注册Selector，监听accept事件
当客户端连接后，触发accept事件
服务器构建对应的Channel，并在其上注册Selector，监听读写事件
当发生读写事件后，进行相应的读写处理

NIO优缺点

优点
- 性能瓶颈高
缺点
- 模型复杂
- 编码复杂
- 需处理半包问题

NIO的优缺点和BIO就完全相反了!性能高，不用一个连接就建一个线程，可以一个线程处理所有的连接！相应的，编码就复杂很多，从上面的代码就可以明显体会到了。还有一个问题，由于是非阻塞的，应用无法知道什么时候消息读完了，就存在了半包问题！

半包问题

简单看一下下面的图就能理解半包问题了！

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我们知道TCP/IP在发送消息的时候，可能会拆包(如上图1)！这就导致接收端无法知道什么时候收到的数据是一个完整的数据。例如:发送端分别发送了ABC,DEF,GHI三条信息，发送时被拆成了AB,CDRFG,H,I这四个包进行发送，接受端如何将其进行还原呢？在BIO模型中，当读不到数据后会阻塞，而NIO中不会!所以需要自行进行处理!例如，以换行符作为判断依据，或者定长消息发生，或者自定义协议！

NIO虽然性能高，但是编码复杂，且需要处理半包问题！为了方便的进行NIO开发，就有了Reactor模型!

Reactor模型

AWT Events

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Reactor模型和AWT事件模型很像，就是将消息放到了一个队列中，通过异步线程池对其进行消费！

Reactor中的组件

Reactor:Reactor是IO事件的派发者。
Acceptor:Acceptor接受client连接，建立对应client的Handler，并向Reactor注册此Handler。
Handler:和一个client通讯的实体，按这样的过程实现业务的处理。一般在基本的Handler基础上还会有更进一步的层次划分，用来抽象诸如decode，process和encoder这些过程。比如对Web Server而言，decode通常是HTTP请求的解析， process的过程会进一步涉及到Listener和Servlet的调用。业务逻辑的处理在Reactor模式里被分散的IO事件所打破，所以Handler需要有适当的机制在所需的信息还不全（读到一半）的时候保存上下文，并在下一次IO事件到来的时候（另一半可读了）能继续中断的处理。为了简化设计，Handler通常被设计成状态机，按GoF的state pattern来实现。

对应上面的NIO代码来看:

Reactor：相当于有分发功能的Selector
Acceptor：NIO中建立连接的那个判断分支
Handler：消息读写处理等操作类

Reactor从线程池和Reactor的选择上可以细分为如下几种：

Reactor单线程模型

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这个模型和上面的NIO流程很类似，只是将消息相关处理独立到了Handler中去了！

虽然上面说到NIO一个线程就可以支持所有的IO处理。但是瓶颈也是显而易见的！我们看一个客户端的情况，如果这个客户端多次进行请求，如果在Handler中的处理速度较慢，那么后续的客户端请求都会被积压，导致响应变慢！所以引入了Reactor多线程模型!

Reactor多线程模型

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Reactor多线程模型就是将Handler中的IO操作和非IO操作分开，操作IO的线程称为IO线程，非IO操作的线程称为工作线程!这样的话，客户端的请求会直接被丢到线程池中，客户端发送请求就不会堵塞！

但是当用户进一步增加的时候，Reactor会出现瓶颈！因为Reactor既要处理IO操作请求，又要响应连接请求！为了分担Reactor的负担，所以引入了主从Reactor模型!

主从Reactor模型

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主Reactor用于响应连接请求，从Reactor用于处理IO操作请求！

我们从Netty服务器代码来看，与Reactor模型进行对应！

EventLoopGroup就相当于是Reactor，bossGroup对应主Reactor,workerGroup对应从Reactor
TimeServerHandler就是Handler
child开头的方法配置的是客户端channel，非child开头的方法配置的是服务端channel

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Socket

BIO优缺点

NIO优缺点

半包问题

Reactor模型

Reactor中的组件

Reactor单线程模型

Reactor多线程模型

主从Reactor模型

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