TCP实现回显服务器及客户端

前言：

上篇文章介绍了TCP的特点。由于TCP的特点是有连接，面向字节流，可靠传输等，我们就可以想象到TCP的代码和UDP会有一定的差异。TCP和UDP具体使用哪种协议需要根据实际业务需求来选择。

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，都是双方建立连接后，保存两端信息，及用来与对方收发数据的。

Socket构造方法

注意：

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。当服务端accept()阻塞时，客户端一旦实例出Socket对象，就会建立连接。

Socket方法

注意：

获得套接字输入流。如果建立连接，服务端调用这个方法，就是读取客户端请求。

注意：

获得套接字输出流。如果建立连接，服务端调用这个方法，就是往客户端返回响应。

注意：

连接后获得对方的IP地址。

SeverSocket API

ServerSocket 是创建TCP服务端Socket的API。

ServerSocket构造方法

创建服务端套接字，并绑定端口。这个对象就是用来与客户端建立连接的。

ServerSocket方法

注意：

开始监听指定端口（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，用来收发数据，否则阻塞等待。

注意：

由于在操做系统中Socket被当作文件处理，那么就需要释放PCB中文件描述符表中的资源，同时断开连接。

TCP中的长短连接

** 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。

注意：

** 1）**建立关闭连接耗时：很明显短连接需要不断的建立和断开连接，而长连接只需要一次。长连接耗时要比短连接短。

** 2）**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。长连接客户端可以向服务端主动发送，服务端也可以主动向客户端发送。

** 3）**两者使用场景不同：短连接一般适用于客户端请求频率不高的场景（浏览网页）。长连接一般适用于客户端与服务端通信频繁的场景。（聊天室）

TCP实现回显服务器

首先服务器是被动的一方，我们必须指定端口。然后通过ServerSocket对象中accept()方法建立连接，当返回Socket对象时，处理连接并且将响应写回客户端。

由于不知道客户端什么时候建立连接，那么服务器就需要一直等待（随时待命）。这里使用了死循环的方式，但是不会一直循环，accept()方法当没有连接时就会阻塞等待。

这里是本机到本机的数据发送，即使用环回ip即可。

 private ServerSocket serverSocket = null;
 public TcpEchoSever(int port) throws IOException {
     serverSocket = new ServerSocket(port);
 }

注意：

创建ServerSocket对象，并且指定端口号。

Socket clintSocket = serverSocket.accept();

注意：

accept()方法会阻塞等待。客户端Socket对象一旦实例化，就会与服务端建立连接。

 processConnection(clintSocket);

注意：

这里通过一个方法来处理连接。这样写会有很大的好处。

 try(InputStream inputStream = clintSocket.getInputStream();
     OutputStream outputStream = clintSocket.getOutputStream())

注意：

我们首先需要获得读和写的流对象。服务器需要接收请求（读），返回响应（写）。这里使用的是带有资源的try()，这样就会自动关闭流对象。

Scanner scanner = new Scanner(inputStream);
String request = scanner.next();

注意：

这里通过Scanner去从流对象中读取数据。注意这里的next()方法，当读到一个换行符/空格/其他空白符结束，但最终结果不包含上述空白符。

因为我们不清楚客户端连接后发送多少次请求，因此我们采用死循环的方式读和向客户端响应数据。这里不会一直循环因为scanner当读不到数据就会阻塞。

String response = process(request);
public String process(String request) {
    return request;
}

注意：

这里通过一个函数来处理请求并且返回处理后结果。由于是回显服务器直接返回即可。

  PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream);
  printWriter.println(response);
  printWriter.flush();

注意：

我们为了方便直接写字符串，将outputStream转换成PrintWriter。然后将响应写入到网卡，并且换行。因为客户端和服务端读数据都是需要空白符结束的，所以这里必须有一个空白符。

由于数据首先会写入缓冲区，我们将缓冲区刷新一下保证数据正常写入到文件中（网卡）

finally {
      clintSocket.close();
}

注意：

和一个客户端建立连接后，返回Socket对象（使用文件描述表），如果并发量大（会创建很多对象，文件描述符表就有可能满），就可能导致无法创建连接。因此需要保证资源得到释放，包裹在finally里。

特别注意：

上述代码只能处理一个客户端。当代码执行到processConnection函数里，首先是一个死循环，然后还有scanner的阻塞，当处理一个连接代码就会一直在这个函数里。没有办法执行到accept()和客户端连接。想要处理下一个客户端的连接，就必须断开这个客户端，显然这是不合理的。

解决方案：

使用多线程。当有客户端连接后，创建一个线程去处理这个连接，主线程代码继续执行，就会到accept()方法。要是有多个客户端都可以建立连接，并且有独立的线程去处理这些连接，这些线程是并发的关系。

但是存在一个问题，如果并发量足够大（客户端数量非常多），就会创建大量的线程，也会存在大量线程的销毁，这些就会消耗大量的系统资源。因此使用线程池，使用动态变化的线程数量，根据并发量来调整线程数量。而且直接使用线程池中的线程代码上就可以实现，这样就会减少系统资源的消耗。

代码实现（有详细解释）

public class TcpEchoSever {
    //Tcp协议服务器，使用ServerSocket类，来建立连接
    private ServerSocket serverSocket = null;
    public TcpEchoSever(int port) throws IOException {
        serverSocket = new ServerSocket(port);
    }
    public void start() throws IOException {
        System.out.println("启动服务器");
        //使用线程池，防止客户端数量过多，创建销毁大量线程开销太大
        //动态变化的线程池
        ExecutorService threadPool = Executors.newCachedThreadPool();
        while (true) {
            //这里会阻塞，直到和客户端建立连接，返回Socket对象，来和客户端通信
            //客户端构造Socket对象时，会指定IP和端口，就会建立连接（客户端主动连接）
            Socket clintSocket = serverSocket.accept();
            threadPool.submit(() -> {
                try {
                    processConnection(clintSocket);
                } catch (IOException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            });
            //要连接多个客户端，需要多线程去处理连接
            //这样才能让主线程继续执行到accept阻塞，然后和其他客户端建立连接（每个线程是独立的执行流，彼此之间是并发的关系）
            //如果客户端数量非常大，这里就会创建很多线程，数量过多对于系统来说也是很大的开销（使用线程池）
//            Thread t = new Thread(() -> {
//                try {
//                    processConnection(clintSocket);
//                } catch (IOException e) {
//                    e.printStackTrace();
//                }
//            });
//            t.start();
        }
    }

    private void processConnection(Socket clintSocket) throws IOException {
        System.out.printf("【%s : %d】客户端上线\n", clintSocket.getInetAddress(), clintSocket.getPort());
        //读客户端请求
        //处理请求
        //将结果写回客户端（响应）
        try(InputStream inputStream = clintSocket.getInputStream();
            OutputStream outputStream = clintSocket.getOutputStream()) {

            //流式数据，循环读取
            while (true) {
                Scanner scanner = new Scanner(inputStream);
                //读取完毕，客户端下线
                if(!scanner.hasNext()) {
                    System.out.printf("【%s : %d】客户端下线\n", clintSocket.getInetAddress(), clintSocket.getPort());
                    break;
                }
                //读取请求
                // 注意!! 此处使用 next 是一直读取到换行符/空格/其他空白符结束, 但是最终返回结果里不包含上述 空白符 .
                String request = scanner.next();
                //处理请求
                String response = process(request);

                //写回客户端处理请求结果（响应）
                //为了直接写字符串，这里将字节流转换为字符流
                //也可以将字符串转为字节数组
                PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream);
                //写入且换行
                printWriter.println(response);
                //写入首先是写入了缓冲区，这里为了保险就刷新一下缓冲区
                printWriter.flush();
                System.out.printf("【%s : %d】请求：%s  响应：%s\n", clintSocket.getInetAddress(), clintSocket.getPort(),
                        request, response);
            }

        }catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }finally {
            //和一个客户端建立连接后，返回Socket对象（使用文件描述表），如果并发量大（会创建很多对象，文件描述符表就有可能满），就可能导致无法创建连接
            //因此需要保证资源得到释放，包裹在finally里
            clintSocket.close();
        }
    }
    public String process(String request) {
        return request;
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        TcpEchoSever tcpEchoSever = new TcpEchoSever(8280);
        tcpEchoSever.start();
    }
}

TCP实现回显客户端

客户端不需要指定端口号。客户端程序在用户主机上，我们如果指定就有可能和其他程序冲突，因此让操作系统随机分配一个空闲的端口号。客户端需要明确服务端的ip和端口号，这样才能明确哪个主机和哪个进程。

那么服务端为什么可以指定端口号呢？难道就不怕和其他进程端口号冲突吗？（这里详解请看上篇文章的解释）

首先需要明确客户端的工作流程：接收用户输入数据 --> 发送请求 --> 接收响应

public TcpEchoClint(String severIp, int severPort) throws IOException {
    socket = new Socket(severIp, severPort);
}

注意：

创建Socket对象，并且指定服务端的ip和端口。当这个对象实例创建完成时，同时也就和服务端建立了连接，通过这个Socket对象就可以发送和接收数据。

这里不需要将字符串ip进行转换，可以自动转换。

try(InputStream inputStream = socket.getInputStream();
    OutputStream outputStream = socket.getOutputStream())

注意：

和服务端一样首先获得输入和输出流。用包含资源的try可以自动关闭，释放文件描述符表中的资源。

 System.out.println("请输入请求：");
 String request = scanner.next();
 if(request.equals("exit")) {
       System.out.println("bye bye");
       break;
  }

注意：

让用户从控制台输入数据，这里做了一个判断，如果输入“exit”就退出客户端（break直接跳出循环）。

PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream);
printWriter.println(request);
printWriter.flush();

注意：

为了直接发送字符串，这里将outputStream转换成PrintWriter。这里在发送时需要换行（空白符），因为服务端读取的next()方法需要空白符。

数据首先写入缓冲区，为了保证数据写入到文件（网卡），这里手动刷新一下缓冲区。

Scanner scanner1 = new Scanner(inputStream);
String response = scanner1.next();
System.out.println(response);

注意：

接收响应，通过输入流来读取响应。将接收的响应打印出来。这里的next()方法和上面一致。

代码实现（有详细注释）

public class TcpEchoClint {
    Socket socket = null;
    public TcpEchoClint(String severIp, int severPort) throws IOException {
        //Socket构造方法，可以识别点分十进制，不需要转换，比DatageamPacket方便
        //实例这个对象的同时，就会进行连接
        socket = new Socket(severIp, severPort);
    }
    public void start() {
        try(InputStream inputStream = socket.getInputStream();
            OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()) {
            Scanner scanner = new Scanner(System.in);
            while (true) {
                //从控制台读取请求
                //空白字符结束，但不会读空白字符
                System.out.println("请输入请求：");
                String request = scanner.next();
                if(request.equals("exit")) {
                    System.out.println("bye bye");
                    break;
                }
                //发送请求
                PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream);
                //需要发送空白符，因为scanner需要空白符
                printWriter.println(request);
                printWriter.flush();
                //接收响应
                Scanner scanner1 = new Scanner(inputStream);
                String response = scanner1.next();
                System.out.println(response);
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        TcpEchoClint tcpEchoClint = new TcpEchoClint("127.0.0.1", 8280);
        tcpEchoClint.start();
    }
}

小结：

在写服务端代码时，需要考虑高并发的情况。我们需要尽可能节省系统资源的利用。