java 基础知识之网络通信（TCP通信、UDP通信、多播以及NIO）总结

发布时间：2020-09-03 04:23:03 作者：lqh
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java 基础知识之网路通信总结

在这篇文章里，我们主要讨论如何使用Java实现网络通信，包括TCP通信、UDP通信、多播以及NIO。

　　TCP连接

　　TCP的基础是Socket，在TCP连接中，我们会使用ServerSocket和Socket，当客户端和服务器建立连接以后，剩下的基本就是对I/O的控制了。

　　我们先来看一个简单的TCP通信，它分为客户端和服务器端。

　　客户端代码如下：

简单的TCP客户端
import java.net.*;
import java.io.*;
public class SimpleTcpClient {

  public static void main(String[] args) throws IOException
  {
    Socket socket = null;
    BufferedReader br = null;
    PrintWriter pw = null;
    BufferedReader brTemp = null;
    try
    {
      socket = new Socket(InetAddress.getLocalHost(), 5678);
      br = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
      pw = new PrintWriter(socket.getOutputStream());
      brTemp = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
      while(true)
      {
        String line = brTemp.readLine();
        pw.println(line);
        pw.flush();
        if (line.equals("end")) break;
        System.out.println(br.readLine());
      }
    }
    catch(Exception ex)
    {
      System.err.println(ex.getMessage());
    }
    finally
    {
      if (socket != null) socket.close();
      if (br != null) br.close();
      if (brTemp != null) brTemp.close();
      if (pw != null) pw.close();
    }
  }
}

　　服务器端代码如下：

简单版本TCP服务器端
import java.net.*;
import java.io.*;
public class SimpleTcpServer {

  public static void main(String[] args) throws IOException
  {
    ServerSocket server = null;
    Socket client = null;
    BufferedReader br = null;
    PrintWriter pw = null;
    try
    {
      server = new ServerSocket(5678);
      client = server.accept();
      br = new BufferedReader(new InputStreamReader(client.getInputStream()));
      pw = new PrintWriter(client.getOutputStream());
      while(true)
      {
        String line = br.readLine();
        pw.println("Response:" + line);
        pw.flush();
        if (line.equals("end")) break;
      }
    }
    catch(Exception ex)
    {
      System.err.println(ex.getMessage());
    }
    finally
    {
      if (server != null) server.close();
      if (client != null) client.close();
      if (br != null) br.close();
      if (pw != null) pw.close();
    }
  }
}

　　这里的服务器的功能非常简单，它接收客户端发来的消息，然后将消息“原封不动”的返回给客户端。当客户端发送“end”时，通信结束。

　　上面的代码基本上勾勒了TCP通信过程中，客户端和服务器端的主要框架，我们可以发现，上述的代码中，服务器端在任何时刻，都只能处理来自客户端的一个请求，它是串行处理的，不能并行，这和我们印象里的服务器处理方式不太相同，我们可以为服务器添加多线程，当一个客户端的请求进入后，我们就创建一个线程，来处理对应的请求。

　　改善后的服务器端代码如下：

多线程版本的TCP服务器端
import java.net.*;
import java.io.*;
public class SmartTcpServer {
  public static void main(String[] args) throws IOException
  {
    ServerSocket server = new ServerSocket(5678);
    while(true)
    {
      Socket client = server.accept();
      Thread thread = new ServerThread(client);
      thread.start();
    }
  }
}

class ServerThread extends Thread
{
  private Socket socket = null;

  public ServerThread(Socket socket)
  {
    this.socket = socket;
  }
  
  public void run() {
    BufferedReader br = null;
    PrintWriter pw = null;
    try
    {
      br = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
      pw = new PrintWriter(socket.getOutputStream());
      while(true)
      {
        String line = br.readLine();
        pw.println("Response:" + line);
        pw.flush();
        if (line.equals("end")) break;
      }
    }
    catch(Exception ex)
    {
      System.err.println(ex.getMessage());
    }
    finally
    {
      if (socket != null)
        try {
          socket.close();
        } catch (IOException e1) {
          e1.printStackTrace();
        }
      if (br != null)
        try {
          br.close();
        } catch (IOException e) {
          e.printStackTrace();
        }
      if (pw != null) pw.close();
    }
  }
}

　　修改后的服务器端，就可以同时处理来自客户端的多个请求了。

　　在编程的过程中，我们会有“资源”的概念，例如数据库连接就是一个典型的资源，为了提升性能，我们通常不会直接销毁数据库连接，而是使用数据库连接池的方式来对多个数据库连接进行管理，已实现重用的目的。对于Socket连接来说，它也是一种资源，当我们的程序需要大量的Socket连接时，如果每个连接都需要重新建立，那么将会是一件非常没有效率的做法。

　　和数据库连接池类似，我们也可以设计TCP连接池，这里的思路是我们用一个数组来维持多个Socket连接，另外一个状态数组来描述每个Socket连接是否正在使用，当程序需要Socket连接时，我们遍历状态数组，取出第一个没被使用的Socket连接，如果所有连接都在使用，抛出异常。这是一种很直观简单的“调度策略”，在很多开源或者商业的框架中（Apache/Tomcat），都会有类似的“资源池”。

　　TCP连接池的代码如下：

一个简单的TCP连接池
import java.net.*;
import java.io.*;
public class TcpConnectionPool {

  private InetAddress address = null;
  private int port;
  private Socket[] arrSockets = null;
  private boolean[] arrStatus = null;
  private int count;
  
  public TcpConnectionPool(InetAddress address, int port, int count)
  {
    this.address = address;
    this.port = port;
    this .count = count;
    arrSockets = new Socket[count];
    arrStatus = new boolean[count];
    
    init();
  }
  
  private void init()
  {
    try
    {
      for (int i = 0; i < count; i++)
      {
        arrSockets[i] = new Socket(address.getHostAddress(), port);
        arrStatus[i] = false;
      }
    }
    catch(Exception ex)
    {
      System.err.println(ex.getMessage());
    }
  }
  
  public Socket getConnection()
  {
    if (arrSockets == null) init();
    int i = 0;
    for(i = 0; i < count; i++)
    {
      if (arrStatus[i] == false) 
      {
        arrStatus[i] = true;
        break;
      }
    }
    if (i == count) throw new RuntimeException("have no connection availiable for now.");
    
    return arrSockets[i];
  }
  
  public void releaseConnection(Socket socket)
  {
    if (arrSockets == null) init();
    for (int i = 0; i < count; i++)
    {
      if (arrSockets[i] == socket)
      {
        arrStatus[i] = false;
        break;
      }
    }
  }
  
  public void reBuild()
  {
    init();
  }
  
  public void destory()
  {
    if (arrSockets == null) return;
    
    for(int i = 0; i < count; i++)
    {
      try
      {
        arrSockets[i].close();
      }
      catch(Exception ex)
      {
        System.err.println(ex.getMessage());
        continue;
      }
    }
  }
}

　　UDP连接

　　UDP是一种和TCP不同的连接方式，它通常应用在对实时性要求很高，对准确定要求不高的场合，例如在线视频。UDP会有“丢包”的情况发生，在TCP中，如果Server没有启动，Client发消息时，会报出异常，但对UDP来说，不会产生任何异常。

　　UDP通信使用的两个类时DatagramSocket和DatagramPacket，后者存放了通信的内容。

　　下面是一个简单的UDP通信例子，同TCP一样，也分为Client和Server两部分，Client端代码如下：

UDP通信客户端
import java.net.*;
import java.io.*;
public class UdpClient {

  public static void main(String[] args)
  {
    try
    {
      InetAddress host = InetAddress.getLocalHost();
      int port = 5678;
      BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
      while(true)
      {
        String line = br.readLine();
        byte[] message = line.getBytes();
        DatagramPacket packet = new DatagramPacket(message, message.length, host, port);
        DatagramSocket socket = new DatagramSocket();
        socket.send(packet);
        socket.close();
        if (line.equals("end")) break;
      }
      br.close();
    }
    catch(Exception ex)
    {
      System.err.println(ex.getMessage());
    }
  }
}

　　Server端代码如下：

UDP通信服务器端
import java.net.*;
import java.io.*;
public class UdpServer {

  public static void main(String[] args)
  {
    try
    {
      int port = 5678;
      DatagramSocket dsSocket = new DatagramSocket(port);
      byte[] buffer = new byte[1024];
      DatagramPacket packet = new DatagramPacket(buffer, buffer.length);
      while(true)
      {
        dsSocket.receive(packet);
        String message = new String(buffer, 0, packet.getLength());
        System.out.println(packet.getAddress().getHostName() + ":" + message);
        if (message.equals("end")) break;
        packet.setLength(buffer.length);
      }
      dsSocket.close();
    }
    catch(Exception ex)
    {
      System.err.println(ex.getMessage());
    }
  }
}

　　这里，我们也假设和TCP一样，当Client发出“end”消息时，认为通信结束，但其实这样的设计不是必要的，Client端可以随时断开，并不需要关心Server端状态。

　　多播（Multicast）

　　多播采用和UDP类似的方式，它会使用D类IP地址和标准的UDP端口号，D类IP地址是指224.0.0.0到239.255.255.255之间的地址，不包括224.0.0.0。

　　多播会使用到的类是MulticastSocket，它有两个方法需要关注：joinGroup和leaveGroup。

　　下面是一个多播的例子，Client端代码如下：

多播通信客户端
import java.net.*;
import java.io.*;
public class MulticastClient {

  public static void main(String[] args)
  {
    BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
    try
    {
      InetAddress address = InetAddress.getByName("230.0.0.1");
      int port = 5678;
      while(true)
      {
        String line = br.readLine();
        byte[] message = line.getBytes();
        DatagramPacket packet = new DatagramPacket(message, message.length, address, port);
        MulticastSocket multicastSocket = new MulticastSocket();
        multicastSocket.send(packet);
        if (line.equals("end")) break;
      }
      br.close();
    }
    catch(Exception ex)
    {
      System.err.println(ex.getMessage());
    }
  }
}

　　服务器端代码如下：

多播通信服务器端
import java.net.*;
import java.io.*;
public class MulticastServer {

  public static void main(String[] args)
  {
    int port = 5678;
    try
    {
      MulticastSocket multicastSocket = new MulticastSocket(port);
      InetAddress address = InetAddress.getByName("230.0.0.1");
      multicastSocket.joinGroup(address);
      byte[] buffer = new byte[1024];
      DatagramPacket packet = new DatagramPacket(buffer, buffer.length);
      while(true)
      {
        multicastSocket.receive(packet);
        String message = new String(buffer, packet.getLength());
        System.out.println(packet.getAddress().getHostName() + ":" + message);
        if (message.equals("end")) break;
        packet.setLength(buffer.length);
      }
      multicastSocket.close();
    }
    catch(Exception ex)
    {
      System.err.println(ex.getMessage());
    }
  }
}

　　NIO（New IO）

　　NIO是JDK1.4引入的一套新的IO API，它在缓冲区管理、网络通信、文件存取以及字符集操作方面有了新的设计。对于网络通信来说，NIO使用了缓冲区和通道的概念。

　　下面是一个NIO的例子，和我们上面提到的代码风格有很大的不同。

NIO例子
import java.io.*;
import java.nio.*;
import java.nio.channels.*;
import java.nio.charset.*;
import java.net.*;
public class NewIOSample {

  public static void main(String[] args)
  {
    String host="127.0.0.1";
    int port = 5678;
    SocketChannel channel = null;
    try
    {
      InetSocketAddress address = new InetSocketAddress(host,port);
      Charset charset = Charset.forName("UTF-8");
      CharsetDecoder decoder = charset.newDecoder();
      CharsetEncoder encoder = charset.newEncoder();
      
      ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
      CharBuffer charBuffer = CharBuffer.allocate(1024);
      
      channel = SocketChannel.open();
      channel.connect(address);
      
      String request = "GET / \r\n\r\n";
      channel.write(encoder.encode(CharBuffer.wrap(request)));
      
      while((channel.read(buffer)) != -1)
      {
        buffer.flip();
        decoder.decode(buffer, charBuffer, false);
        charBuffer.flip();
        System.out.println(charBuffer);
        buffer.clear();
        charBuffer.clear();
      }
    }
    catch(Exception ex)
    {
      System.err.println(ex.getMessage());
    }
    finally
    {
      if (channel != null)
        try {
          channel.close();
        } catch (IOException e) {
          // TODO Auto-generated catch block
          e.printStackTrace();
        }
    }
  }
}

　　上述代码会试图访问一个本地的网址，然后将其内容打印出来。

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