【Java 网络编程全解】Socket 套接字与 TCP/UDP 通信实战全解

文章目录

• 一、 网络编程基础
  • 1.1 网络编程中的基本概念
    • 1.1.1 发送端和接收端
    • 1.1.2 请求和响应
    • 1.1.3 客户端和服务端
• 二、Socket套接字
• 三、UDP数据报套接字编程
• 四、TCP流套接字编程
  • 4.1 服务器引入多线程
  • 4.2 服务器引入线程池

一、 网络编程基础

• 什么是网络编程

网络编程，指网络上的主机，通过不同的进程，以编程的方式实现网络通信（或称为网络数据传输）。

只要满足进程不同就行；所以即便是同一个主机，只要是不同进程，基于网络来传输数据，也属于网络编程。

特殊的，对于开发来说，在条件有限的情况下，一般也都是在一个主机中运行多个进程来完成网络编程。

1.1 网络编程中的基本概念

1.1.1 发送端和接收端

在一次网络数据传输时：

• 发送端：数据的发送方进程，称为发送端。发送端主机即网络通信中的源主机。
• 接收端：数据的接收方进程，称为接收端。接收端主机即网络通信中的目的主机。
• 收发端：发送端和接收端两端，也简称为收发端。

注意：发送端和接收端只是相对的，只是一次网络数据传输产生数据流向后的概念。

1.1.2 请求和响应

一般来说，获取一个网络资源，涉及到两次网络数据传输：

1. 第一次：请求数据的发送
2. 第二次：响应数据的发送

1.1.3 客户端和服务端

• 服务端：在常见的网络数据传输场景下，把提供服务的一方进程，称为服务端，可以提供对外服务。
• 客户端：获取服务的一方进程，称为客户端。

对于服务来说，一般是提供：

1. 客户端获取服务资源
   例如：客户端主机的客户端进程发送“获取服务资源”的请求到服务端主机的服务端进程，服务端进程发送“返回服务资源”的响应到客户端进程，如：传输视频资源、图片资源、文本资源。
2. 客户端保存资源在服务端
   例如：客户端主机的客户端进程发送“保存用户资源”的请求到服务端主机的服务端进程，服务端进程保存资源后发送“返回处理结果”的响应到客户端进程。

二、Socket套接字

概念: Socket套接字，是由系统提供用于网络通信的技术，是基于TCP/IP协议的网络通信的基本操作单元。基于Socket套接字的网络程序开发就是网络编程。

分类: Socket套接字主要针对传输层协议划分为如下三类：

1. 流套接字：使用传输层TCP协议

TCP，即（传输控制协议），传输层协议。

以下为TCP的特点：

• 有连接
• 可靠传输
• 面向字节流
• 有接收缓冲区，也有发送缓冲区
• 大小不限

对于字节流来说，可以简单的理解为，传输数据是基于IO流，流式数据的特征就是在IO流没有关闭的情况下，是无边界的数据，可以多次发送，也可以分开多次接收。

2. 数据报套接字：使用传输层UDP协议

UDP，即（用户数据报协议），传输层协议。

以下为UDP的特点：

• 无连接
• 不可靠传输
• 面向数据报
• 有接收缓冲区，无发送缓冲区
• 大小受限：一次最多传输64k

对于数据报来说，可以简单的理解为，传输数据是一块一块的，发送一块数据（假如100个字节），必须一次发送，接收也必须一次接收100个字节，而不能分100次，每次接收1个字节。

3. 原始套接字

原始套接字用于自定义传输层协议，用于读写内核没有处理的IP协议数据。

Socket编程注意事项客户端和服务端：开发时，经常是基于一个主机开启两个进程作为客户端和服务端，但真实的场景，一般都是不同主机。注意目的IP和目的端口号，标识了一次数据传输时要发送数据的终点主机和进程。Socket编程是使用流套接字和数据报套接字，基于传输层的TCP或UDP协议，但应用层协议，也需要考虑。关于端口被占用的问题如果一个进程A已经绑定了一个端口，再启动一个进程B绑定该端口，就会报错，这种情况也叫端口被占用。对于java进程来说，端口被占用的常见报错信息如下：

三、UDP数据报套接字编程

API 介绍

1. DatagramSocket ：DatagramSocket 是UDP Socket，用于发送和接收UDP数据报。

• DatagramSocket 构造方法：

• DatagramSocket 方法：

2. DatagramPacket ：DatagramPacket 是UDP Socket发送和接收的数据报。

• DatagramPacket 构造方法：

• DatagramPacket 方法：

3. 构造UDP发送的数据报时，需要传入 SocketAddress，该对象可以使用 InetSocketAddress 来创建。

• InetSocketAddress：InetSocketAddress（SocketAddress 的子类）构造方法：

代码示例：

• UDP Echo Server

//服务器publicclassUdpEchoServer{//首先定义socket对象privateDatagramSocket socket =null;/** * * @param port 端口号：区分一个主机上的不同的应用程序 * @throws SocketException */publicUdpEchoServer(int port)throwsSocketException{ socket=newDatagramSocket(port);}/** * 启动服务器 */publicvoidstart()throwsIOException{System.out.println("server start!");//死循环：编写服务器的一种常见做法，不断处理客服端发来的请求while(true){//1. 读取请求并解析DatagramPacket requestPacket =newDatagramPacket(newbyte[1024],1024); socket.receive(requestPacket);//二进制转字符串String request =newString(requestPacket.getData(),0,requestPacket.getLength());//2. 根据请求计算响应。（注：通常是一个复杂的过程。此处只做回显数据）String response =process(request);//3. 将响应返回给客户端DatagramPacket responsePacket =newDatagramPacket(response.getBytes(), response.getBytes().length,requestPacket.getSocketAddress()); socket.send(responsePacket);//打印日志System.out.printf("[%s:%d] req: %s, resp: %s\n",requestPacket.getAddress().toString(), requestPacket.getPort(),request,response);}}//根据请求计算响应publicStringprocess(String request){return request;}publicstaticvoidmain(String[] args)throwsIOException{UdpEchoServer server =newUdpEchoServer(9090); server.start();}}

• UDP Echo Client

//客户端publicclassUdpEchoClient{privateDatagramSocket socket =null;privateString serverIp;privateint serverPort;/** * 此处和服务器不一样，不用指定端口号 * 意味着操作系统会自动分配一个空闲的端口号 * @param serverIp : 服务器Ip * @param serverPort : 服务器端口号 * @throws SocketException */publicUdpEchoClient(String serverIp,int serverPort)throwsSocketException{ socket =newDatagramSocket();this.serverIp = serverIp;this.serverPort = serverPort;}publicvoidstart()throwsIOException{System.out.println("client start!");Scanner scanner =newScanner(System.in);//输入字符串发给服务器，从服务器读取响应while(true){// 1. 从控制台读取用户输入System.out.print("->");String request = scanner.next();if(request.equals("exit")){break;}// 2. 将用户输入的字符串构造出UDP数据报进行发送DatagramPacket requestPacket =newDatagramPacket(request.getBytes(),request.getBytes().length,InetAddress.getByName(this.serverIp),this.serverPort); socket.send(requestPacket);// 3. 从服务器读取响应DatagramPacket responsePacket =newDatagramPacket(newbyte[1024],1024); socket.receive(responsePacket);String response =newString(responsePacket.getData(),0,responsePacket.getLength());// 4. 显示响应System.out.println(response);}}publicstaticvoidmain(String[] args)throwsIOException{UdpEchoClient client =newUdpEchoClient("127.0.0.1",9090); client.start();}}

• UDP Dict Server

编写一个英译汉的服务器，只需要重写 process 方法：

/** * 英译汉服务器 */publicclassUdpDictServerextendsUdpEchoServer{privateMap<String,String> dict =newHashMap<String,String>();/** * @param port 端口号：区分一个主机上的不同的应用程序 * @throws SocketException */publicUdpDictServer(int port)throwsSocketException{super(port); dict.put("hello","你好"); dict.put("world","世界"); dict.put("cat","小猫"); dict.put("dog","小狗"); dict.put("pig","小猪");}@OverridepublicStringprocess(String request){return dict.getOrDefault(request,"没有找到该单词");}publicstaticvoidmain(String[] args)throwsIOException{UdpDictServer server =newUdpDictServer(9090);; server.start();}}

四、TCP流套接字编程

和刚才UDP类似，实现一个简单的英译汉的功能。

API 介绍

1. ServerSocket：ServerSocket 是创建TCP服务端Socket的API。

• ServerSocket 构造方法：

• ServerSocket 方法：

2. Socket：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，都是双方建立连接以后，保存的对端信息，及用来与对方收发数据的。

• Socket 构造方法：

• Socket 方法：

代码示例

• TCP Echo Server

publicclassTcpEchoServer{ServerSocket serverSocket =null;publicTcpEchoServer(int port)throwsIOException{ serverSocket =newServerSocket(port);}publicvoidstart()throwsIOException{System.out.println("server start");while(true){// 首先接收客户端的连接，然后才能进行通信// 如果有客户端和服务器建立好了连接，accept 才能返回// 否则 accept 会阻塞Socket socket = serverSocket.accept();// 通过这个方法处理这个客服端整个的连接过程processConnection(socket);}}privatevoidprocessConnection(Socket socket){System.out.printf("[%s:%d] 客户端上线!\n",socket.getInetAddress(),socket.getPort());try(InputStream inputStream = socket.getInputStream();OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();){Scanner scanner =newScanner(inputStream);PrintWriter writer =newPrintWriter(outputStream);while(true){// 处理多次请求/响应的操作//1. 读取请求并解析if(!scanner.hasNext()){System.out.printf("[%s:%d] 客户端下线!\n",socket.getInetAddress(),socket.getPort());break;}String request = scanner.next();//2. 根据请求计算响应String response =process(request);//3. 把响应写回客户端 writer.println(response); writer.flush();//4. 打印日志System.out.printf("[%s:%d] res: %s,resp: %s\n",socket.getInetAddress(),socket.getPort(), request,response);}}catch(IOException e){ e.printStackTrace();}finally{try{ socket.close();}catch(IOException e){thrownewRuntimeException(e);}}}publicStringprocess(String request){return request;}publicstaticvoidmain(String[] args)throwsIOException{TcpEchoServer server =newTcpEchoServer(9090); server.start();}}

• TCP Echo Client

publicclassTcpEchoClient{privateSocket socket =null;publicTcpEchoClient(String serverIp,int serverPort)throwsIOException{ socket =newSocket(serverIp,serverPort);}publicvoidstart(){System.out.println("client start");try(InputStream inputStream = socket.getInputStream();OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();){Scanner scanner =newScanner(System.in);Scanner scannerNetwork =newScanner(inputStream);PrintWriter writer =newPrintWriter(outputStream);while(true){//1. 从控制台读取输入System.out.print("->");String request = scanner.next();//2. 把请发送给服务器 writer.println(request); writer.flush();//3. 从服务器获取响应if(!scannerNetwork.hasNext()){break;}String reponse = scannerNetwork.next();// 4. 把响应显示到控制台上System.out.println(reponse);}}catch(IOException e){ e.printStackTrace();}}publicstaticvoidmain(String[] args)throwsIOException{TcpEchoClient client =newTcpEchoClient("127.0.0.1",9090); client.start();}}

4.1 服务器引入多线程

如果只是单个线程，无法同时响应多个客户端。此处给每个客户端都分配一个线程：

// 启动服务器publicvoidstart()throwsIOException{System.out.println("服务器启动!");while(true){Socket clientSocket = serverSocket.accept();Thread t =newThread(()->{processConnection(clientSocket);}); t.start();}}

4.2 服务器引入线程池

为了避免频繁创建销毁线程，也可以引入线程池：

// 启动服务器publicvoidstart()throwsIOException{System.out.println("服务器启动!");ExecutorService service =Executors.newCachedThreadPool();while(true){Socket clientSocket = serverSocket.accept();// 使用线程池，来解决上述问题 service.submit(newRunnable(){@Overridepublicvoidrun(){processConnection(clientSocket);}});}}

长短连接
TCP发送数据时，需要先建立连接，什么时候关闭连接就决定是短连接还是长连接：

• 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。

对比以上长短连接，两者区别如下：

1. 建立连接、关闭连接的耗时：短连接每次请求、响应都需要建立连接，关闭连接；而长连接只需要第一次建立连接，之后的请求、响应都可以直接传输。相对来说建立连接，关闭连接也是要耗时的，长连接效率更高。
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；而长连接可以是客户端主动发送请求，也可以是服务端主动发。

两者的使用场景有不同：

• 短连接适用于客户端请求频率不高的场景，如浏览网页等。
• 长连接适用于客户端与服务端通信频繁的场景，如聊天室，实时游戏等。

扩展了解：
基于BIO（同步阻塞IO）的长连接会一直占用系统资源。对于并发要求很高的服务端系统来说，这样的消耗是不能承受的。

由于每个连接都需要不停的阻塞等待接收数据，所以每个连接都会在一个线程中运行。

一次阻塞等待对应着一次请求、响应，不停处理也就是长连接的特性：一直不关闭连接，不停的处理请求。

实际应用时，服务端一般是基于NIO（即同步非阻塞IO）来实现长连接，性能可以极大的提升。

总结： Java 网络编程的核心是基于 Socket 套接字实现跨进程数据传输，核心概念包含发送 / 接收端、请求 / 响应、客户端 / 服务端。Socket 套接字主要分为 TCP 流套接字和 UDP 数据报套接字：TCP 具备有连接、可靠传输的特点，UDP 则无连接、传输高效但单次传输最大 64k。实操层面，UDP 通过 DatagramSocket 和 DatagramPacket 完成数据收发，TCP 依托 ServerSocket 和 Socket 实现通信，还可通过多线程、线程池优化多客户端并发处理。TCP 的长短连接适配不同场景，短连接适合低频请求，长连接适配高频通信，开发时需结合协议特性规避端口占用等问题，保障网络应用的稳定性与效率。