Socket 编程

风流意气都作罢 提交于 2019-12-23 05:35:44

套接字(socket)是一个抽象层,应用程序可以通过它发送或接收数据,可对其进行像对文件一样的打开、读写和关闭等操作。套接字允许应用程序将I/O插入到网络中,并与网络中的其他应用程序进行通信。网络套接字是IP地址与端口的组合。

传输层实现端到端的通信,因此,每一个传输层连接有两个端点。那么,传输层连接的端点是什么呢?不是主机,不是主机的IP地址,不是应用进程,也不是传输层的协议端口。传输层连接的端点叫做套接字(socket)。根据RFC793的定义:口号拼接到IP地址就构成了套接字。所谓套接字,实际上是一个通信端点,每个套接字都有一个套接字序号,包括主机的IP地址与一个16位的主机端口号,即形如(主机IP地址:端口号)。例如,如果IP地址是210.37.145.1,而端口号是23,那么得到套接字就是(210.37.145.1:23)。
总之,套接字Socket=(IP地址:端口号),套接字的表示方法是点分十进制的IP地址后面写上端口号,中间用冒号或逗号隔开。每一个传输层连接唯一地被通信两端的两个端点(即两个套接字)所确定。
套接字可以看成是两个网络应用程序进行通信时,各自通信连接中的一个端点。通信时,其中的一个网络应用程序将要传输的一段信息写入它所在主机的Socket中,该Socket通过网络接口卡的传输介质将这段信息发送给另一台主机的Socket中,使这段信息能传送到其他程序中。因此,两个应用程序之间的数据传输要通过套接字来完成。
在网络应用程序设计时,由于TCP/IP的核心内容被封装在操作系统中,如果应用程序要使用TCP/IP,可以通过系统提供的TCP/IP的编程接口来实现。在Windows环境下,网络应用程序编程接口称作Windows Socket。为了支持用户开发面向应用的通信程序,大部分系统都提供了一组基于TCP或者UDP的应用程序编程接口(API),该接口通常以一组函数的形式出现,也称为套接字(Socket)。
 

Socket 编程

通信的步骤

套接字使用TCP提供了两台计算机之间的通信机制。 客户端程序创建一个套接字,并尝试连接服务器的套接字。

当连接建立时,服务器会创建一个 Socket 对象。客户端和服务器现在可以通过对 Socket 对象的写入和读取来进行通信。

java.net.Socket 类代表一个套接字,并且 java.net.ServerSocket 类为服务器程序提供了一种来监听客户端,并与他们建立连接的机制。

以下步骤在两台计算机之间使用套接字建立TCP连接时会出现:

  • 服务器实例化一个 ServerSocket 对象,表示通过服务器上的端口通信。

  • 服务器调用 ServerSocket 类的 accept() 方法,该方法将一直等待,直到客户端连接到服务器上给定的端口。

  • 服务器正在等待时,一个客户端实例化一个 Socket 对象,指定服务器名称和端口号来请求连接。

  • Socket 类的构造函数试图将客户端连接到指定的服务器和端口号。如果通信被建立,则在客户端创建一个 Socket 对象能够与服务器进行通信。

  • 在服务器端,accept() 方法返回服务器上一个新的 socket 引用,该 socket 连接到客户端的 socket。

连接建立后,通过使用 I/O 流在进行通信,每一个socket都有一个输出流和一个输入流,客户端的输出流连接到服务器端的输入流,而客户端的输入流连接到服务器端的输出流。

简单实例操作,用maven创建的工程

创建客户端

package com.fdy.socket;

import java.io.*;
import java.net.Socket;

/**
 * @Description: Socket 客户端实例
 * javac -encoding utf-8 -d . GreetingServer.java进行编译
 * -encoding utf-8设置编译字符为utf-8
 */
public class GreetingClient {

    public static void main(String[] args) {
        String serverName= args[0];
        int port = Integer.parseInt(args[1]);
        System.out.println("连接到主机:" + serverName + " ,端口号:" + port);
        try {
            Socket client = new Socket(serverName, port); // 创建客户端
            System.out.println("远程主机地址: "+client.getRemoteSocketAddress());// 获取服务器地址
            OutputStream outToServer = client.getOutputStream(); // 输出到服务端的流
            DataOutputStream out = new DataOutputStream(outToServer);// 创建输出的

            out.writeUTF("Hello from "+client.getLocalSocketAddress());// 本地客户端的地址
            InputStream inFromServer = client.getInputStream();
            DataInputStream in = new DataInputStream(inFromServer);
            System.out.println("服务器响应: " + in.readUTF());
            client.close();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

 

创建服务端

package com.fdy.socket;

import java.io.DataInputStream;
import java.io.DataOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.net.SocketTimeoutException;

/**
 * @Description: Socket 服务端实例
 */
public class GreetingServer extends Thread{
    private ServerSocket serverSocket;

    public GreetingServer(int port) throws IOException {
        serverSocket= new ServerSocket(port);
        serverSocket.setSoTimeout(10000);
    }
    // 重写run方法
    @Override
    public void run() {
        while(true){
            try
            {
                System.out.println("等待远程连接,端口号为:" + serverSocket.getLocalPort() + "...");
                Socket server = serverSocket.accept();
                System.out.println("远程主机地址:" + server.getRemoteSocketAddress());
                DataInputStream in = new DataInputStream(server.getInputStream());
                System.out.println(in.readUTF());
                DataOutputStream out = new DataOutputStream(server.getOutputStream());
                out.writeUTF("谢谢连接我:" + server.getLocalSocketAddress() + "\nGoodbye!");
                server.close();
            }catch(SocketTimeoutException s)
            {
                System.out.println("Socket timed out!");
                break;
            }catch(IOException e)
            {
                e.printStackTrace();
                break;
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {

        int port = Integer.parseInt(args[0]);
        try {
            GreetingServer greetingServer = new GreetingServer(port);
            greetingServer.run();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

然后进行编译和运行

编译命令:

 

 

运行命令: 

java -cp E:\game01\myMergeDemo\socket_demo\src\main\java\com\fdy\socket com.fdy.socket.GreetingServer 6066

java -cp E:\game01\myMergeDemo\socket_demo\src\main\java\com\fdy\socket com.fdy.socket.GreetingClient localhost 6066

运行结果: 

服务端结果:

 

 

 

TCP 是一个双向的通信协议,因此数据可以通过两个数据流在同一时间发送.以下是一些类提供的一套完整的有用的方法来实现 socket。

同步和异步:同步和异步是针对应用程序和内核的交互而言的,同步指的是用户进程触发IO 操作并等待或者轮询的去查看IO 操作是否就绪,而异步是指用户进程触发IO 操作以后便开始做自己的事情,而当IO 操作已经完成的时候会得到IO 完成的通知。

以银行取款为例:

同步 : 自己亲自出马持银行卡到银行取钱(使用同步 IO 时,Java 自己处理IO 读写);

异步 : 委托一小弟拿银行卡到银行取钱,然后给你(使用异步IO 时,Java 将 IO 读写委托给OS 处理,需要将数据缓冲区地址和大小传给OS(银行卡和密码),OS 需要支持异步IO操作API);

阻塞和非阻塞:阻塞和非阻塞是针对于进程在访问数据的时候,根据IO操作的就绪状态来采取的不同方式,说白了是一种读取或者写入操作方法的实现方式,阻塞方式下读取或者写入函数将一直等待,而非阻塞方式下,读取或者写入方法会立即返回一个状态值。

以银行取款为例:

阻塞 : ATM排队取款,你只能等待(使用阻塞IO时,Java调用会一直阻塞到读写完成才返回);

非阻塞 : 柜台取款,取个号,然后坐在椅子上做其它事,等号广播会通知你办理,没到号你就不能去,你可以不断问大堂经理排到了没有,大堂经理如果说还没到你就不能去(使用非阻塞IO时,如果不能读写Java调用会马上返回,当IO事件分发器通知可读写时再继续进行读写,不断循环直到读写完成)

1.BIO 编程

Blocking IO: 同步阻塞的编程方式。

BIO编程方式通常是在JDK1.4版本之前常用的编程方式。编程实现过程为:首先在服务端启动一个ServerSocket来监听网络请求,客户端启动Socket发起网络请求,默认情况下ServerSocket回建立一个线程来处理此请求,如果服务端没有线程可用,客户端则会阻塞等待或遭到拒绝。

且建立好的连接,在通讯过程中,是同步的。在并发处理效率上比较低。大致结构如下:

同步并阻塞,服务器实现模式为一个连接一个线程,即客户端有连接请求时服务器端就需要启动一个线程进行处理,如果这个连接不做任何事情会造成不必要的线程开销,当然可以通过线程池机制改善。

BIO方式适用于连接数目比较小且固定的架构,这种方式对服务器资源要求比较高,并发局限于应用中,JDK1.4以前的唯一选择,但程序直观简单易理解。

使用线程池机制改善后的BIO模型图如下:

2.NIO 编程:Unblocking IO(New IO): 同步非阻塞的编程方式。

NIO本身是基于事件驱动思想来完成的,其主要想解决的是BIO的大并发问题,NIO基于Reactor,当socket有流可读或可写入socket时,操作系统会相应的通知引用程序进行处理,应用再将流读取到缓冲区或写入操作系统。也就是说,这个时候,已经不是一个连接就要对应一个处理线程了,而是有效的请求,对应一个线程,当连接没有数据时,是没有工作线程来处理的。

NIO的最重要的地方是当一个连接创建后,不需要对应一个线程,这个连接会被注册到多路复用器上面,所以所有的连接只需要一个线程就可以搞定,当这个线程中的多路复用器进行轮询的时候,发现连接上有请求的话,才开启一个线程进行处理,也就是一个请求一个线程模式。

在NIO的处理方式中,当一个请求来的话,开启线程进行处理,可能会等待后端应用的资源(JDBC连接等),其实这个线程就被阻塞了,当并发上来的话,还是会有BIO一样的问题

3.AIO编程:Asynchronous IO: 异步非阻塞的编程方式。

与NIO不同,当进行读写操作时,只须直接调用API的read或write方法即可。这两种方法均为异步的,对于读操作而言,当有流可读取时,操作系统会将可读的流传入read方法的缓冲区,并通知应用程序;对于写操作而言,当操作系统将write方法传递的流写入完毕时,操作系统主动通知应用程序。即可以理解为,read/write方法都是异步的,完成后会主动调用回调函数。在JDK1.7中,这部分内容被称作NIO.2,主要在java.nio.channels包下增加了下面四个异步通道:AsynchronousSocketChannel、AsynchronousServerSocketChannel、AsynchronousFileChannel、AsynchronousDatagramChannel

bio示例

client示例:

package com.fdy.socket;
import java.io.*;
import java.net.Socket;
import java.util.Scanner;

/**
 * @Description:
 */
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        String host = null;
        int port = 0;
        if(args.length > 2){
            host = args[0];
            port = Integer.parseInt(args[1]);
        }else{
            host = "127.0.0.1";
            port = 9999;
        }

        Socket socket = null;
        BufferedReader reader = null;
        PrintWriter writer = null;
        Scanner s = new Scanner(System.in);
        try{
            socket = new Socket(host, port);
            String message = null;

            reader = new BufferedReader(
                    new InputStreamReader(socket.getInputStream(), "UTF-8"));
            writer = new PrintWriter(
                    socket.getOutputStream(), true);
            while(true){
                message = s.nextLine();
                if(message.equals("exit")){// 输入为exit就退出客户端
                    break;
                }
                writer.println(message);
                writer.flush();
                System.out.println(reader.readLine());
            }
        }catch(Exception e){
            e.printStackTrace();
        }finally{
            if(socket != null){
                try {
                    socket.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            socket = null;
            if(reader != null){
                try {
                    reader.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            reader = null;
            if(writer != null){
                writer.close();
            }
            writer = null;
        }
    }
}

server实例:

package com.fdy.socket;

import java.io.*;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

/**
 * @Description:*/
public class Server {

    public static void main(String[] args) {
        int port = genPort(args);// 设置服务器端口
        ServerSocket server = null;
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(50);// 创建线程池
        try{
            server = new ServerSocket(port);
            System.out.println("server started!");
            while(true){
                Socket socket = server.accept();// 等待客户端的请求
                service.execute(new Handler(socket));
            }
        }catch(Exception e){
            e.printStackTrace();
        }finally{
            if(server != null){
                try {
                    server.close();// 关闭客户端
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            server = null;
        }
    }

    static class Handler implements Runnable{
        Socket socket = null;
        public Handler(Socket socket){
            this.socket = socket;
        }

        public void run() {
            BufferedReader reader = null;
            PrintWriter writer = null;
            try{
                System.out.println(socket.getRemoteSocketAddress());
                System.out.println(socket.getLocalSocketAddress());
                reader = new BufferedReader(
                        new InputStreamReader(socket.getInputStream(), "UTF-8"));
                writer = new PrintWriter(
                        new OutputStreamWriter(socket.getOutputStream(), "UTF-8"));
                String readMessage = null;
                while(true){
                    System.out.println("server reading... ");
                    if((readMessage = reader.readLine()) == null){
                        break;
                    }
                    System.out.println(readMessage);
                    writer.println("server recive : " + readMessage);
                    writer.flush();
                }
            }catch(Exception e){
                e.printStackTrace();
            }finally{
                if(socket != null){
                    try {
                        socket.close();
                    } catch (IOException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                socket = null;
                if(reader != null){
                    try {
                        reader.close();
                    } catch (IOException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                reader = null;
                if(writer != null){
                    writer.close();
                }
                writer = null;
            }
        }

    }

    private static int genPort(String[] args){
        if(args.length > 0){
            try{
                return Integer.parseInt(args[0]);
            }catch(NumberFormatException e){
                return 9999;
            }
        }else{
            return 9999;
        }
    }

}

直接进行运行即可.

资料来源: https://www.runoob.com/java/java-networking.html

      https://baike.baidu.com/

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