探索Java网络编程精髓:UDP与TCP的实战魔法!

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作者
猴君
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Java 中提供了专门的网络编程程序包 java.net,提供了两种通信协议:UDP(数据报协议)和 TCP(传输控制协议),本文对两种通信协议的开发进行详细介绍。

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UDP 介绍

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UDP:User Datagram Protocol,是一种无连接的传输层协议,是不可靠的消息传输服务。UDP 为应用程序提供了一种无需建立连接就可以发送封装的 IP 数据包的方法。

UDP 的特点是非面向连接,传输不可靠,数据可能丢失。一般用于各种聊天工具、音频或者多媒体应用,对数据传输的完整性要求不是特别高的场景。

在 UDP 开发中使用 DatagramPacket 类包装一条要发送的消息,然后用 DatagramSocket 类完成消息的发送。

下面我们来通过一个的示例来了解 UDP 编程,编写一个客户端程序,在客户端里指定要接收数据(服务端)的端口以及要发送的数据,打包数据后进行发送;编写一个服务端程序,在服务端里接收客户端发来的数据并输出。

// 客户端发送消息 @Test   public void testClient() throws IOException {     // 1、创建客户端指定端口为6666     DatagramSocket client = new DatagramSocket(6666);     // 2、准备数据     String msg = "测试UDP!";     byte[] data = msg.getBytes();     // 3、打包数据,InetSocketAddress端口为服务端的端口     DatagramPacket packet = new DatagramPacket(data, data.length, new InetSocketAddress("localhost", 8888));     // 4、发送数据     client.send(packet);     // 5、释放资源     client.close();   }   // 服务端接收消息 @Test   public void testServer() throws IOException {     // 1、创建服务端指定端口为8888     DatagramSocket server = new DatagramSocket(8888);     // 2、准备接受输入的缓存字节数组     byte[] buf = new byte[1024];     // 3、封装成DatagramPacket包     DatagramPacket packet = new DatagramPacket(buf, buf.length);     // 4、接受数据     server.receive(packet);     // 5、分析数据     byte[] data = packet.getData();     System.out.println(new String(data, 0, packet.getLength()));     // 6、释放资源     server.close();   }

首先运行服务端程序,然后运行客户端程序,观察服务端程序的控制台的运行结果:

测试UDP!

下面我们结合 IO 流,来演示一个发送基本数据类型的示例,客户端向服务端发送一个用户的名称和年龄,假设用户名为 JPM,年龄为 18 岁。

// 客户端发送数据 @Test   public void client() throws IOException {     // 1、创建客户端指定端口为6666     DatagramSocket client = new DatagramSocket(6666);     // 2、准备数据     String name = "JPM";     int age = 18;     byte[] data = buildData(name, age);     // 3、打包数据,InetSocketAddress端口为服务端的端口     DatagramPacket packet = new DatagramPacket(data, data.length, new InetSocketAddress("localhost", 8888));     // 4、发送数据     client.send(packet);     // 5、释放资源     client.close();   }     private byte[] buildData(String name, int age) throws IOException {     byte[] data = null;     ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();     DataOutputStream dos = new DataOutputStream(bos);     dos.writeUTF(name);     dos.writeInt(age);     dos.flush();     data = bos.toByteArray(); // 获取数据     dos.close();     bos.close();     return data;   }   // 服务端接收数据 @Test   public void server() throws IOException {     // 1、创建服务端指定端口为8888     DatagramSocket server = new DatagramSocket(8888);     // 2、准备接受输入的缓存字节数组     byte[] buf = new byte[1024];     // 3、封装成DatagramPacket包     DatagramPacket packet = new DatagramPacket(buf, buf.length);     // 4、接受数据     server.receive(packet);     // 5、分析数据     String data = getData(packet.getData());     System.out.println(data);     // 6、释放资源     server.close();   }     private String getData(byte[] data) throws IOException {     DataInputStream dis = new DataInputStream(new ByteArrayInputStream(data));     String name = dis.readUTF();     int age = dis.readInt();     dis.close();     return name + "的年龄是:" + age;   }

首先运行服务端程序,然后运行客户端程序,观察服务端程序的控制台的运行结果:

JPM的年龄是:18

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TCP 介绍

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TCP,Transmission Control Protocol,是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。TCP 的特点是面向连接的、点到点的、高可靠的,需要通过三次握手建立连接。

在 Java 中使用 Socket(套接字)完成 TCP 程序的开发。服务器端使用 ServerSocket 类来接受客户端的连接,每一个客户端都使用一个 Socket 对象表示。

服务器端要使用 accept() 方法等待客户端的连接,此方法执行后服务器端进入阻塞状态,直到客户端连接之后程序才可以继续执行。accept() 方法返回的是一个 Socket 类型的对象,每一个 Socket 对象都表示一个客户端对象。

在客户端,可以通过 Socket 类的 getInputStream() 方法获取服务器的输出信息,在服务器端可以通过 Socket 类的 getOutputStream() 方法获取客户端的输出信息,因此说网络程序员要使用 Java IO 输入、输出流来完成信息的传递。

下面演示一个 TCP 程序的示例,服务器接收到客户端的连接后返回给客户端“Hello,欢迎使用!”,客户端接收服务端的数据并输出到控制台。

// 服务器端程序   @Test   public void testServer() throws IOException {     // 1、创建服务器指定8888端口     ServerSocket server = new ServerSocket(8888);     // 2、接收客户端连接,阻塞式     Socket socket = server.accept();     System.out.println("建立客户端连接");     // 3、发送数据     String msg = "Hello,欢迎使用!";     BufferedWriter bw = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(socket.getOutputStream()));     bw.write(msg);     // 必须调用此方法,否则客户端readLine()会执行会发生Connection reset异常     bw.newLine();     bw.flush();     server.close();   } // 客户端程序   @Test   public void testClient() throws IOException {     // 1、创建客户端连接,指定服务器的域名和端口     Socket client = new Socket("localhost", 8888);     // 2、接收数据     BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(client.getInputStream()));     String msg = br.readLine(); // 阻塞式方法     System.out.println(msg);     client.close();   }

首先运行服务端程序,然后运行客户端程序,观察控制台的运行结果:

服务端控制台输出: 建立客户端连接   客户端控制台输出: Hello,欢迎使用!

注意:如果服务端已经开启一个 8888 端口的服务,那么再次开启 8888 端口服务端的程序会发生绑定端口异常,如:java.net.BindException: Address already in use: JVM_Bind

以上的程序一个服务端只能接收一个客户端,并只能处理一次客户端请求,如果想实现一个服务端可以接收多个客户端的连接,那么需要在服务端程序上加入一个 while 无限循环来完成。

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TCP 通信的经典案例

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下面的代码实现网络编程通信的一个经典案例,就是客户端输入消息,服务器接收到客户端的消息后,在客户端发来的消息内容前面加上“echo:”并返回给客户端,直到客户端输入“exit”时退出连接。

// 服务器端程序 @Test   public void testMultiServer() throws IOException {     // 创建服务器指定8888端口     ServerSocket server = new ServerSocket(8888);     Socket client = null;     PrintStream out = null;     BufferedReader buf = null;     boolean sts = true;// 默认无限循环     // while循环接收客户端连接     while (sts) {       System.out.println("======服务器已经运行,等待客户端的链接:======");       client = server.accept();       System.out.println("建立客户端连接");       // 得到客户端的输入信息       buf = new BufferedReader(new InputStreamReader(client.getInputStream()));       // 实例化客户端的输出流,用于输出消息       out = new PrintStream(client.getOutputStream());       boolean flag = true;       while (flag) {         String str = buf.readLine();// 不断接收输入的消息         if ("exit".equals(str)) { // 客户端结束输入           flag = false;         } else {           out.println("echo:" + str);         }       }       out.close();       client.close();     }     server.close();   }   // 客户端程序   @Test   public void testClient2() throws IOException {     // 创建客户端连接,指定服务器的域名和端口     Socket client = new Socket("localhost", 8888);     // 接收服务器端的输入     BufferedReader buf = new BufferedReader(new InputStreamReader(client.getInputStream()));     // 从键盘接收输入     BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));     // 向服务器端输出消息     PrintStream out = new PrintStream(client.getOutputStream());     boolean flag = true;     while (flag) {       System.out.print("请输入消息:");       String msg = reader.readLine();// 从键盘接收输入的数据       out.println(msg); // 输出到服务器端       if ("exit".equals(msg)) {         flag = false;       } else {         System.out.println(buf.readLine()); // 输出服务器返回的消息       }     }     client.close();     reader.close();     buf.close();   }

首先运行服务端程序,然后运行客户端程序,观察控制台的运行结果:

服务端控制台输出: ======服务器已经运行,等待客户端的链接:====== 建立客户端连接 ======服务器已经运行,等待客户端的链接:====== 建立客户端连接 ======服务器已经运行,等待客户端的链接:======   客户端1控制台: 请输入消息:你好,追梦Java echo:你好,追梦Java 请输入消息:hello,java echo:hello,java 请输入消息:exit   客户端2控制台: 请输入消息:客户端2 echo:客户端2 请输入消息:hello,客户端2 echo:hello,客户端2 请输入消息:exit

以上的程序结果来看,所有的客户端输入的内容,都会在服务器端加上“echo:”后回显给客户端,同时当一个客户端退出时,服务器端没有退出,而是会等待下一个客户端进行连接,服务器端可以重复执行。

但是在以上的程序中存在一个服务器端单线程处理的问题,也就是说以上的程序服务器端每次只能有一个客户端连接,其他的客户端只有等前面的客户端退出后,自己才能执行。

可以通过上面的程序,首先启动服务端,再启动一个客户端,然后再启动一个客户端的过程来感受。

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多线程机制下的 TCP 编程

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上面程序中存在服务器单线程服务的问题,由于 accept() 方法的阻塞机制,因此当客户端没有退出时,一个服务器只能处理已经连接上的客户端程序,在这个客户端没有退出前,其他客户端是无法连接的。

为了保证服务器可以同时连接多个客户端,可以在服务器端的程序里加上多线程机制,也就是说,每个客户端连接之后都启动一个线程,这样一个服务器就可以同时支持过个客户端连接了。

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在服务器端加上多线程机制,就是需要在每个客户端连接之后启动一个新的线程。

因此,我们需要建立一个专门用于处理多线程操作的 EchoThread 类,实现 Runnable 接口。

public class EchoThread implements Runnable {     private Socket client = null;     public EchoThread(Socket client) {     this.client = client;   }     @Override   public void run() {     PrintStream out = null;     BufferedReader buf = null;     try {       // 得到客户端的输入信息       buf = new BufferedReader(new InputStreamReader(client.getInputStream()));       // 实例化客户端的输出流       out = new PrintStream(client.getOutputStream());       boolean flag = true; // 表示一个客户端是否结束       while (flag) {         String str = buf.readLine();         if ("exit".equals(str)) {           flag = false;         } else {           out.println("echo:" + str);         }       }       out.close();       buf.close();       client.close();     } catch (Exception e) {       e.printStackTrace();     }   }   }

下面在服务器程序 EchoThreadServer 类加上多线程的调用,使用 EchoThread 类:

public class EchoThreadServer {   public static void main(String[] args) throws IOException {     ServerSocket server = new ServerSocket(8888);     Socket client = null;     boolean flag = true;     while (flag) {       System.out.println("======服务器已经运行,等待客户端的链接:======");       client = server.accept();       // 启动一个EchoThread线程来处理一个独立的客户单       new Thread(new EchoThread(client)).start();     }     server.close();   } }

客户端程序不变,首先运行服务端程序 EchoThreadServer,然后分别运行客户端程序两次,观察控制台的运行结果:

服务端控制台输出: ======服务器已经运行,等待客户端的链接:====== 建立客户端连接 建立客户端连接   客户端1控制台: 请输入消息:我是客户端1 echo:我是客户端1 请输入消息:hello1 echo:hello1 请输入消息:exit   客户端2控制台: 请输入消息:我是客户端2 echo:我是客户端2 请输入消息:hello2 echo:hello2 请输入消息:exit

从上面的例子可以看出,服务端支持多个客户端的连接,并且每个客户端都可以独立与服务端进行交互,互不影响。

通过上面的介绍,对 Java 的网络编程有了进一步的认识,后面会基于以上的内容结合 Java IO 流来实现一个聊天室的功能,敬请期待......

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