【网络编程】理解客户端和服务器并使用Java提供的api实现回显服务器

一、网络编程

本质上就是学习传输层给应用层提供的 api，通过 api 把数据交给传输层，进一步地层层封装将数据通过网卡发送出去，这也是网络程序的基本工作流程。

掌握了基础 api 就能更好的理解实际开发中使用的框架（spring，dubbo）的工作过程，也提供了魔改/自己实现框架的能力。

二、客户端和服务器

在网络中，主动发起通信的一方称为“客户端”，被动接受的一方称为“服务器”。同一个程序在不同的场景中，可能是客户端也可能是服务器。

客户端给服务器发送的数据，称为“请求”（request）；

服务器给客户端返回的数据，称为“响应”（response）；

三、客户端和服务器的交互模式

1、“一问一答”

一个请求对于一个响应，这是交互模式是最常见的，后续进行的“网站开发”（web开发）都是这种模式。

2、“一问多答”

主要在“下载”场景中涉及

3、“多问一答”

主要在“上传”场景中涉及

4、“多问多答”

主要在“远程控制/远程桌面”场景中涉及

四、TCP 和 UDP

进行网络编程，需要使用系统的 API，【本质上是传输层提供的协议】。

传输层主要涉及到两个协议：TCP 和 UDP。
连接性可靠性面向数据传输方式TCP面向连接可靠传输面向字节流全双工UDP无连接不可靠传输面向数据报全双工

连接：此处说的“连接”不是物理意义的连接，是抽象虚拟的“连接”。所谓计算机中的“网络连接”是指通信双方各自保存对方的信息。客户端的数据结构中记录了谁是它的服务器；服务器的数据结构中记录了谁是它的客户端；本质上就是记录对方的信息。
可靠传输/不可靠传输：无论如何都不能保证100%的信息传输。可靠传输主要是指发送方能够感知数据有没有传输给接收方，如果没接收到，可以采取相应的措施补救，例如重传机制。
面向字节流：与文件中的字节流完全一致，网络中传输数据的基本单位就是字节。
面向数据报：每次传输的基本单位是一个数据报（有一系列字节构成）。
全双工：一个信道，可以双向通信，就叫全双工。可以理解成马路的多车道，就是全双工。
半双工：可以理解为吸管，同一时刻只能吸或者呼。

UDP socket api 的使用

Java 把系统原生 api 封装了，UDP socket 提供的两个核心的类：

1、DatagramSoket

操作系统中有一类文件，就叫 socket 文件，这类文件抽象地表示了“网卡”这样的硬件设备。而进行网络通信最核心的硬件设备就是网卡。

DatagramSocket 类就是负责对 socket 文件进行读写，从而借助网卡发送接收数据。

2、DatagramPacket

UDP 面向数据报，每次发送接收数据的基本单位是一个** UDP 数据报**。

DatagramPacket 类就表示了一个 UDP 数据报。

关于 receive 接收数据报的底层实现过程

UdpEchoServer 实例

public class UdpEchoServer {

    private DatagramSocket socket = null;

    public UdpEchoServer(int port) throws SocketException {
        socket = new DatagramSocket(port);
    }

    public void start() throws IOException {
        System.out.println("服务器启动");
        while (true) {
            //每次循环，都是一次处理请求，进行响应的过程
            //1. 读取请求并解析
            DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(new byte[4096], 4096);
            socket.receive(requestPacket);
            // 将读到的字节数组转换成 String 方便后续操作
            String request = new String(requestPacket.getData(),0,requestPacket.getLength());
            //2. 根据请求计算响应
            String response = process(request);
            //3. 把响应返回到客户端
            // 与请求数据报创建不同，请求数据报是使用空白字节数组，而此处直接把 String 里包含的字节数组作为参数创建，
            DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(response.getBytes(), response.getBytes().length,
                    requestPacket.getSocketAddress());  // 因为 UDP 无连接，因此必须从【请求数据报】中获取对应客户端的 ip 和端口
            socket.send(responsePacket);

            //打印日志
            System.out.printf("[%s:%d] req: %s, resp: %s\n",requestPacket.getAddress().toString(),
                    requestPacket.getPort(), request, response);
        }
    }

    private String process(String request) {
        return request;
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        UdpEchoServer server = new UdpEchoServer(9090);
        server.start();
    }
}

上述代码中：

1、可以看到23 行需要从【请求数据报】中获取对应客户端 ip 和端口号才能完成发送响应，证明了 UDP socket 自身不保存对端的 ip 和端口号，体现了无连接。

2、不可靠传输，代码中没有体现。

3、receive 和 socket 都是以DatagramPacket 为单位，体现了面向数据报。

4、一个 socket 既能发送（send）有能接收（receive），体现了全双工。

**UdpEchoClient 示例 **

public class UdpEchoClient {

    private DatagramSocket socket = null;

    private String serverIp;
    private int serverPort;

    public UdpEchoClient(String serverIp, int serverPort) throws SocketException {
        // 客户端，正常情况下不需要指定端口
        socket = new DatagramSocket();
        this.serverIp = serverIp;
        this.serverPort = serverPort;  // 客户端对应的服务器端口号
    }

    public void start() throws IOException {
        System.out.println("客户端启动");
        Scanner sc = new Scanner(System.in);
        while (true) {
            //1. 从控制台读取要发送的数据
            System.out.print("-> "); //表示提示用户输入
            if (!sc.hasNext()) {   //hasNext 具有阻塞功能
                break;
            }
            String request = sc.next();
            //2. 构造请求并发送
            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
            DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(new byte[4096],4096);
            // 阻塞等待响应数据返回
            socket.receive(responsePacket);
            //4. 把响应显示到控制台
            String response = new String(responsePacket.getData(),0,responsePacket.getLength());
            System.out.println(response);
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        UdpEchoClient client = new UdpEchoClient("127.0.0.1", 9090);
        client.start();
    }
}

TCP socket api 的使用

由于 TCP 是面向字节流的，传输的基本单位是字节，因此没有像 UDP 中 DatagramPacket 这样的类。
Java 把系统原生 api 封装了，TCP socket 提供的两个核心的类：

1、ServerSocket

这是Socket 类，同样抽象地表示了“网卡”但是这个类与 UDP 中使用的 DatagramSocket 不同，这个类只能给服务器进行使用。只负责处理对客户端的连接，主要 api 是 accept()。

2、Socket

对应到“网卡”，既能给服务器使用，又能给客户端使用。相当于电话的两个听筒，通过 Socket 完成对端之间的通信。主要的 api 是 getInputStream 和 getOutputStream。
需要注意：由于服务器端的 Socket 对象与客户端时一一对应的，为了避免无限占用文件描述符表，使用完毕后需要 close 关闭。

TcpEchoServer 示例

public class TcpEchoServer {
    private ServerSocket serverSocket = null;

    public TcpEchoServer(int port) throws IOException {
        serverSocket = new ServerSocket(port);
    }

    public void start() throws IOException {
        System.out.println("服务器启动！");
        while (true) {
            // 当客户端创建出 socket 后（new socket），就会和对应的服务器进行 tcp 连接建立流程
            // 此时通过 accept 方法来“接听电话”，然后才能进行通信
            Socket clientSocket = serverSocket.accept();
            Thread t = new Thread(() -> {
                processConnection(clientSocket);
            });
            t.start();
        }
    }

    private void processConnection(Socket clientSocket) {
        System.out.printf("[%s:%d] 客户端上线！\n", clientSocket.getInetAddress(), clientSocket.getPort());
        // 循环读取客户端的请求并返回响应
        try (InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream();
             OutputStream outputStream = clientSocket.getOutputStream()){
            // 可以使用 inputStream 原本的 read 方法进行读取
            // 但是比较繁琐，为了【方便读入】，这里使用 Scanner 对输入流进行输入
            Scanner sc = new Scanner(inputStream);
            while (true) {   // 长连接
                if (!sc.hasNext()) {
                    // 读取完毕，客户端断开连接
                    System.out.printf("[%s:%d] 客户端下线！\n", clientSocket.getInetAddress(), clientSocket.getPort());
                    break;
                }
                //1. 读取请求并解析，此处使用 next ，需要注意 next 的读入规则
                String request = sc.next();
                //2. 根据请求计算响应
                String response = process(request);
                //3. 把响应返回给客户端

                /*  通过这种方式也可以写回，但是这种方式不方便添加 \n
                outputStream.write(response.getBytes(),0,response.getBytes().length);*/

                // 因此为了【方便写入】，给 outputStream 也套一层，即使用 printWriter
                // 此处的 printWriter 就类似于 Scanner 将输入流包装了一下，而 printWriter 对输出流包装了一下
                PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream);
                // 通过 println 在末尾添加了 \n，与客户端的 scNetwork.next 呼应
                printWriter.println(response);
                // 刷新缓冲区，确保数据能够发送出去
                printWriter.flush();

                // 打印日志
                System.out.printf("[%s:%d] req: %s, resp: %s\n", clientSocket.getInetAddress(), clientSocket.getPort(),
                        request,response);
            }
        } catch (IOException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        } finally {
                clientSocket.close();
        }

    } 

    private String process(String request) {
        return request;
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        TcpEchoServer server = new TcpEchoServer(9090);
        server.start();
    }
}

需要注意的是：
1、理解ServerSocket 和Socket 的不同作用，Socket作为接收对象。
2、只有当客户端 new Socket 时，ServerSocket 才能通过 accept 完成连接。
3、Scanner 和 PrintWriter 。
4、flush 刷新缓冲区。
5、finaly{ clientSocket.close(); } 每个客户端对应一个Socket，因此每个客户端完成任务后，需要关闭文件，从而销毁文件描述符表。而 try（）自动关闭的是流对象，而没有释放文件本体。

TcpEchoClient 示例

public class TcpEchoClient {

    private Socket socket = null;

    public TcpEchoClient(String serverIp, int serverPort) throws IOException {
        // 这里直接将 ip 和 port 传入，是由于 tcp 是有连接的，socket 里能够保存 ip 和 port
        socket = new Socket(serverIp,serverPort);
        // 因此也不需要额外创建【类成员对象】来保存 ip 和 port
    }

    public void start() {
        System.out.println("客户端启动！");
        try (InputStream inputStream = socket.getInputStream();
             OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()){
            // 此处的 scanner 用于控制台读取数据
            Scanner scConsole = new Scanner(System.in);
            // 此处的 scanner 用于读取服务器响应回来的数据
            Scanner scNetwork = new Scanner(inputStream);
            // 此处 printWriter 用于向服务器写入请求数据
            PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream);
            while (true) {
                // 这里流程和 UDP 的客户端类似
                //1. 从控制台读取输入的字符串
                System.out.print("-> ");
                if (!scConsole.hasNext()) {
                    break;
                }
                String request = scConsole.next();
                //2. 把请求发送给服务器，
                // 使用 printWriter 是为了使发送的请求末尾带有 \n，与服务器的 sc.next 呼应
                printWriter.println(request);
                // 刷新缓冲区，确保数据能够发送出去
                printWriter.flush();
                //3. 从服务器读取响应
                String response = scNetwork.next();
                //4. 打印响应
                System.out.println(response);
            }
        } catch (IOException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        TcpEchoClient client = new TcpEchoClient("127.0.0.1", 9090);
        client.start();
    }
}

需要注意的是：
1、TCP 是有连接的，因此 Socket 能够直接保存 ip 和 port。
2、flush 刷新缓冲区。

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标签：网络 java 笔记

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【网络编程】理解客户端和服务器并使用Java提供的api实现回显服务器

一、网络编程

二、客户端和服务器

三、客户端和服务器的交互模式

四、TCP 和 UDP

UDP socket api 的使用

1、DatagramSoket

2、DatagramPacket

TCP socket api 的使用

1、ServerSocket

2、Socket

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