[线程与网络] 网络编程与通信原理(三):网络编程Socket套接字(TCP协议)

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目录

1. TCP套接字编程

前面的UDP套接字是基于数据报为基本单位进行传输的,而今天我们要叙述的TCP套接字是基于字节为单位进行传输的.

1.1 API介绍

1.1.1 ServerSocket

本类是创建在服务器端的Socket的API.

• 构造方法:
  方法签名方法说明ServerSocket(int port)创建⼀个服务端流套接字Socket，并绑定到指定端⼝

• 常用成员方法
  方法签名方法说明Socket accept()开始接听指定端⼝（创建时绑定的端⼝），有客户端连接后，返回⼀个服务端Socket对象，并基于该Socket建立与客户端的连接，否则阻塞等待(没有客户端与之进行连接),注意这里返回的数据类型是Socket类型void close()关闭此套接字

  举例说明:买房
  有一天一位老哥想要买一套房子,他在马马路牙子上见到了一位西装革履的销售小哥,这时候这位销售小哥就问老哥:“哥,要买房吗?”.这位老哥正好想买套房子,于是跟着小哥去了售楼部.到了售楼部之后,这位小哥一挥手,来了一个Leader风格穿着的小姐姐,哥老哥一桶踢里哐啷地介绍房子.
  在这个过程中,ServerSocket的构造方法的作用就好像是这个销售小哥一样,用来揽客.(用来和客户端用端口号建立连接),而这个售楼部的小姐姐就好像ServerSocket中的accept方法一样,在销售小哥揽客之后,接待客户(在与客户端建立连接之后,接通客户端的请求).
  

1.1.2 Socket

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,也就是Socket类在客户端和服务器中都要用.
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。

• Socket的构造方法
  方法签名方法说明Socket(String host,int port)创建⼀个客户端流套接字Socket，并与对应IP的主机上，对应端⼝的进程建⽴连接
  [注意] 客户端与服务器进行连接的时候,构造方法本身就可以与指定的服务器进行连接,也就是拨号的过程.

• Socket的常用成员方法
  方法签名方法说明InetAddress getInetAddress()返回套接字所连接的地址InputStream getInputStream()返回此套接字的输⼊流OutputStream getOutputStream()返回此套接字的输出流
  这里我们看到,在使用这些成员方法的时候,可以获取到Socket套接字的输入流和输出流,之后我们在客户端这边向着服务器发送请求的时候,使用的是输出流,反之从服务器获取响应的时候,我们用的是输入流,反之,在服务器这边,向着客户端返回响应的时候,使用输出流,接收请求的时候,使用输入流,这里的输入和输出的参照是以自身为参照.后续我们使用read()或者Scanner从InputStream读取数据之后,就可以对数据进行操作,处理好之后,在通过write()操作写回OutputStream.

[注意] 这里使用到的输入流和输出流,我们在之前的文件IO章节提到过.
https://blog.csdn.net/2301_80050796/article/details/138851572?spm=1001.2014.3001.5501

1.2 代码实例

在代码中,我们整体会涉及到三个Socket套接字:

1. 服务器ServerSocket
2. 服务器Socket,通过这个Socket和客户端提供交换能力
3. 客户端Socket,通过这个Socket和服务器提供交换能力

1.2.1 回显服务器

importjava.io.IOException;importjava.io.InputStream;importjava.io.OutputStream;importjava.net.ServerSocket;importjava.net.Socket;importjava.util.Scanner;publicclassTCP_Echo_Server{privateServerSocket server =null;//服务器用于操作网卡的Socket//构造方法指定端口号publicTCP_Echo_Server(int port)throwsIOException{
        server =newServerSocket(port);//传入端口号,创建服务器Socket}publicvoidstart()throwsIOException{System.out.println("服务器启动");while(true){Socket clientSocket = server.accept();//接收客户端请求,返回Socket对象processConnection(clientSocket);//传入accept的请求,处理请求}}privatevoidprocessConnection(Socket cilentSocket)throwsIOException{//打印登录日志System.out.printf("[%s:%d] 客户端上线\n",cilentSocket.getInetAddress(),cilentSocket.getPort());//从获取到的请求中获取到输入流和输出流,由于它们两个需要关闭,所以写在try中try(InputStream inputStream = cilentSocket.getInputStream();OutputStream outputStream = cilentSocket.getOutputStream()){while(true){Scanner scanner =newScanner(inputStream);//使用Scanner的方式读取输入流中的数据if(!scanner.hasNext()){//如果输入流中没有数据了,就结束循环System.out.printf("[%s:%d] 客户端下线\n",cilentSocket.getInetAddress(),cilentSocket.getPort());break;}String request = scanner.next();//读取字符串String response =process(request);//处理请求,返回响应
                outputStream.write(response.getBytes());//把响应写回输出流System.out.printf("[%s:%d] req = %s,resp = %s\n",cilentSocket.getInetAddress(),cilentSocket.getPort(),
                request,response);//打印请求响应日志}}finally{
            cilentSocket.close();//关闭Socket.每一个客户端请求都有一个Socket,用完就没用了,所以要关闭}}privateStringprocess(String request){return request +'\n';//之所以要加上一个换行符,是因为响应写回到客户端要把一大串字节分为若干数据报}publicstaticvoidmain(String[] args)throwsIOException{TCP_Echo_Server tcpEchoServer =newTCP_Echo_Server(9090);
        tcpEchoServer.start();}}

[注意的几点]

1. 注意在accept接听请求的时候,在外层加上while死循环.
2. 服务器在通过ServerSocket接听客户端发送来的请求并读取数据之后,需要关闭cilentSocket对象,而且为了防止程序在处理请求的过程中出现异常导致程序以外终止,我们还需要把它放入finally中.不关闭就会导致文件资源泄露,是当前的cilentSocket对象的文件描述符表得不到释放.

我们还是那上面的买房的例子来说明
销售小哥不可能只揽你一个人,他需要不停地从外面揽客,就需要不停有小姐姐来接待,所以需要while死循环.而售楼部的小姐姐也不可能光给你自己提供服务,而是在接待完你之后,还会在接待其他人,所以在接待你之后,就需要close.

1. 就像我们前面说的,使用InputStream和OutputStream之后需要关闭,所以我们就需要把输入流和输出流的创建写入try的括号中.
2. 这里不使用read()读取,读取出来的是字节byte[],使用Scanner进行读取的时候,会对字节进行转换,自动转换为字符串.
3. scanner.next()读取数据的时候,由于我们后边写到的客户端会使用"空白符"来将一大串数据进行分割,每次分割都对应的是一个应用层数据报,所以我们这里在使用next读取的时候,读取到的就是一个个完整的"字节流请求",而不是没有分隔符的"一大坨数据".
4. 与第5条相同的道理,在返回响应的时候,我们同样要在数据的末尾加上"空白符",以便客户端进行读取. return request + '\n';

1.2.2 回显客户端

importjava.io.IOException;importjava.io.InputStream;importjava.io.OutputStream;importjava.net.Socket;importjava.util.Scanner;publicclassTCP_Echo_Client{privateSocket socket =null;//客户端用于操作网卡的SocketpublicTCP_Echo_Client(StringIP,intPort)throwsIOException{
        socket =newSocket(IP,Port);//通过构造方法传入的服务器的IP地址和端口号构造Socket}publicvoidstart()throwsIOException{System.out.println("客户端启动");Scanner scanner =newScanner(System.in);//客户端通过控制台输入请求try(InputStream inputStream = socket.getInputStream();OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()){while(true){System.out.println(">>");String request = scanner.next();//通过Scanner获取到要发送的请求
                request +='\n';//为请求加上一个空白符,以便服务器通过Scanner.next读取
                outputStream.write(request.getBytes());//写入输出流Scanner scanner1 =newScanner(inputStream);//从输入流读取服务器响应String response = scanner1.next();System.out.println(response);}}}publicstaticvoidmain(String[] args)throwsIOException{TCP_Echo_Client tcpEchoClient =newTCP_Echo_Client("127.0.0.1",9090);
        tcpEchoClient.start();}}

[需要注意的几点]

1. request += '\n';这里要在请求的后面加上\n,这样在服务器读取响应的时候,就是一个个完整的"字节流请求".
2. scanner1.next();读取"字节流响应"的时候,由于前面服务器使用\n对数据进行过分割,所以我们在这里就可以使用这样的方式进行读取.

1.3 为服务器引入多线程

上面的代码出现的最大的问题就是,不可以同时给多个客户端提供服务.这其实不是API的问题,是我们代码结构的问题,就是由于我们在上述的代码中出现了死循环嵌套的代码方式:
第一个客户端在被服务器

accept()

接听之后,进入

processConnection(clientSocket);

方法内部会有

while (true)

循环,这就使得服务器在没有等到第一个客户端结束运行之后,上层

start()

方法中的死循环无法进行下一个循环接听下一个客户端.所以会出现不支持同时给多个客户端提供服务的现象.

先启动的客户端有响应.

后启动的客户端无响应.
所以我们在服务器的代码中引入了多线程.**每

accept()

接听一个客户端,就给这个客户端的Socket单独创建一个线程,这样在接听下一个客户端的时候,就不会受上一个客户端的影响**.

• 引入多线程

publicvoidstart()throwsIOException{System.out.println("服务器启动");while(true){Socket clientSocket = server.accept();//接收客户端请求,返回Socket对象Thread thread =newThread(()->{//使用多线程同时处理多个客户端发来的请求try{processConnection(clientSocket);//传入accept的请求,处理请求}catch(IOException e){thrownewRuntimeException(e);}});
            thread.start();}}

其中每个创建的新线程为每个客户端的Socket提供服务,而main线程用来循环处理接听操作.
当然我们也可以引入线程池,我们在前面提到过线程池的概念.
https://blog.csdn.net/2301_80050796/article/details/138388735?spm=1001.2014.3001.5501
从下图可以看到,同时启动的两个客户端都有反应:

服务器也有两个客户端的登录日志:

• 引入线程池

publicvoidstart()throwsIOException{System.out.println("服务器启动");ExecutorService executorService =Executors.newCachedThreadPool();//使用线程池同时处理多个客户端发来的请求while(true){Socket clientSocket = server.accept();//接收客户端请求,返回Socket对象
            executorService.submit(newRunnable(){@Overridepublicvoidrun(){try{processConnection(clientSocket);//传入accept的请求,处理请求}catch(IOException e){thrownewRuntimeException(e);}}});}}

[注意]

• 这里我们使用线程数量动态变化的线程池创建方式.Executors.newCachedThreadPool();,而使用创建固定线程的线程池创建方式不合乎逻辑,我们不可能只给固定几个客户端提供服务.
• 这里我们使用线程池的方式,比循环创建线程的方式更加高效,创建线程会涉及到线程的创建和销毁,会有一定的开销,而线程池在用完一个线程之后,就会将这个线程回收回线程池,使得每一个线程更加充分地利用起来.

2. 拓展了解:长连接与短连接

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⻓连接：
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。
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。

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，不停处理也就是⻓连接的特性：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或IO多路复用）来实现长连接，性能可以极大的提升.一个线程在同时管理多个clientSocket.

举例说明:下楼上小摊买饭
一家三口,爸爸妈妈和孩子.三个人要吃不同的饭,第一种方案就是,三个人都下楼,各买各的.就是同步阻塞IO.
第二种方案就是只让爸爸一个人下去买,爸爸就可以在买完一份饭之后,在等待这个饭做出来的途中,再去买另一个饭,这样就会大大提高效率.就是IO多路复用.