【网络编程】TCP数据流套接字编程

目录

一. TCP API 

二. TCP回显服务器-客户端

1. 服务器

2. 客户端

3. 服务端-客户端工作流程

4. 服务器优化

TCP数据流套接字编程是一种基于有连接协议的网络通信方式

一. TCP API 

在TCP编程中，主要使用两个核心类ServerSocket 和 Socket

ServerSocket

ServerSocket类只有服务器会使用，用于接受连接

ServerSocket构造方法：

方法签名方法说明
ServerSocket(int port)创建一个服务端流套接字Socket，并绑定到指定端口

 ServerSocket方法：

方法签名方法说明
Socket accept()

监听端口，如果有客户端连接后，则会返回一个服务端 Socket 对象

如果没有客户端连接，则会进入阻塞等待

void close()关闭此套接字
  •  accept（）方法用于接收客户端连接请求并建立正式通信通道
  •  accept（）方法是接受连接并返回Socket，真正和客户端进行交互的是Socket

 Socket

 Socket类负责具体的数据传输 

  • 客户端一开始就使用Socket进行通信（请求由客户端发起）
  • 服务器在接受客户端建立请求后，返回服务端Socket
  • 在双方建立连接之后，都会使用Socket进行通信 

Socket 构造方法：

方法签名方法说明
Socket(String host, int port)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

 Socket 方法：

方法签名方法说明
InetAddress getInetAddress()返回的地址（IP和端口）
InputStream getInputStream()返回输入流
OutputStream getOutputStream()返回输出流
  • TCP面向字节流，基本传输单位是字节

二. TCP回显服务器-客户端

回显服务器

回显服务器：不进行任何的业务逻辑，只是将收到的数据显示出来

1. 服务器

  接收连接请求 

  • TCP是有连接的可靠通信
  • 真正建立连接的过程在内核中被实现，应用层只是调用相应API同意建立连接
  • 类比打电话，客户端拨号，服务器这边在响铃，通过调用accept接听

 代码实现：

            Socket clientSocket = serverSocket.accept();
  • accept（）方法具有阻塞功能
  • accept（）方法一次只能返回一个Socket对象，接收一次请求
  • 如果没有客户端发起连接请求，则会进入阻塞等待
  • 如果有一个客户端发起连接请求，则执行一次，如果有多个客户端发起连接请求，则执行多次

处理请求

 private void processConnection(Socket clientSocket) {}
  •  使用方法专门处理一次连接，在一次连接中可能会涉及多次请求响应交互

如何处理请求和返回响应？ 

由于TCP面向字节流，我们可以字节流传输的类 InputStream和OutputStream

   try(InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream();OutputStream outputStream = clientSocket.getOutputStream()){} catch (IOException e) {throw new RuntimeException(e);}
  •  使用try-with-resources管理InputStream和OutputStream，确保流自动关闭。 
  • InputStream从网卡中读取数据
  • OutputStream从网卡中写入数据

1）接收请求并解析

        Scanner scanner = new Scanner(inputStream);if(!scanner.hasNext()){System.out.printf("[客户端ip：%s,端口号：%d],客户端下线\n",clientSocket.getInetAddress(),clientSocket.getPort());break;}String request = scanner.next();
  • 客户端和服务器双方都有自己的缓冲区
  • 客户端发送数据，会先将数据放入服务器缓冲区中
  • 如果服务器缓冲区中没有数据，hasNext（）则会陷入阻塞等待中
  • 如果客户端退出，则会触发四次挥手断开连接，服务器会感知到，就会在hasNext（）返回false。

2）根据请求计算响应

 回显服务器：不会处理数据，输入什么就会返回什么

            String response = process(request);

使用process方法来实现回显功能

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

 如果想要实现特定的功能，直接在process中实现即可 

3）返回响应

 Scanner的写操作无法自己完成，只能进行读取操作，写操作需要依靠其他的类（PrintWriter） 

                PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream);
//                将数据写入数据的缓冲区中printWriter.println(respond);

冲刷缓冲区

 由于缓冲区的特殊机制，缓冲区只有满的时候，才会被发送出去

                printWriter.flush();
  • 我们这里要保证实时性，客户端每发送一次请求，服务器都要第一时间响应
  • IO操作比较低效，如果每进行一次IO，就要冲刷一次，效率很低，为了让这种低效的操作少一点，等缓冲区满了，才会冲刷

服务器总代码：

import java.io.*;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.util.Scanner;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;public class TcpEchoServer {private ServerSocket serverSocket = null;TcpEchoServer(int port) throws IOException {serverSocket = new ServerSocket(port);}public void start() throws IOException {System.out.println("服务器启动");while(true){//从缓冲区内取出并同意链接//将取出的数据使用clientSocket另外保存起来，//每有一个客户端，就会出现一个clientSocket对象，所有使用完，必须关闭Socket clientSocket = serverSocket.accept();//进行数据分析/*            Thread t = new Thread(()->{processConnection(clientSocket);});t.start();*/
//            这样写开销大，会有很多次的创建和销毁，改进使用线程池ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(3);service.submit(()->{processConnection(clientSocket);});}}//使用这个方法专门处理一次连接，在一次连接中可能会涉及多次请求交互private void processConnection(Socket clientSocket) {System.out.printf("[客户端ip：%s,端口号：%d],客户端上线\n",clientSocket.getInetAddress(),clientSocket.getPort());//循环处理请求并返回响应（请求可能不止一次）//从网卡中读数据和写数据try(InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream();OutputStream outputStream = clientSocket.getOutputStream()){while (true){
//                byte[] buffer = new byte[1024];
//                int n = inputStream.read(buffer);
//                //将字节数组转换为字符串
//                if(n==-1){
//                    System.out.printf("[客户端ip：%s,端口号：%d],客户端下线",clientSocket.getInetAddress(),clientSocket.getPort());
//                    break;
//                }
//                String request = new String(buffer,0,n);Scanner scanner = new Scanner(inputStream);if(!scanner.hasNext()){System.out.printf("[客户端ip：%s,端口号：%d],客户端下线\n",clientSocket.getInetAddress(),clientSocket.getPort());break;}
//                1.接受请求并解析//客户端必须有一个空格或者换行符String request = scanner.next();
//                2.根据请求计算响应String respond = process(request);
//                3.返回响应//返回的是字节数组类型
//                outputStream.write(request.getBytes(),0,request.getBytes().length);//返回字符串类型(各种类型)PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream);
//                将数据写入数据的缓冲区中printWriter.println(respond);//冲刷缓冲区printWriter.flush();//打印日志System.out.printf("[客户端ip：%s,端口号：%d],req：%s,resp:%s\n",clientSocket.getInetAddress(),clientSocket.getPort(),request,respond);}} catch (IOException e) {throw new RuntimeException(e);}finally {try {//必须进行close，clientSocket.close();} catch (IOException e) {throw new RuntimeException(e);}}}private String process(String request) {return request;}public static void main(String[] args) throws IOException {TcpEchoServer server = new TcpEchoServer(9090);server.start();}
}

注意： 

  • 在服务器中，ServerSocket对象不需要被消耗，整个程序中只有一个ServerSocket对象，它的生命周期要伴随整个程序，不能提前关闭，只有程序退出了，才会被释放
  • 方法中的Socket必须要释放，每出现一个客户端，就会随之出现一个Socket对象，如果不释放，Socket对象会越来越多，将文件描述符表占满（内存泄露问题）

2. 客户端

 构造方法

    TcpEchoClient(String serverIp,int serverPort) throws IOException {socket = new Socket(serverIp,serverPort);}
  • 这里不需要将serverIP和serverPort在类中保存
  • 因为tcp有链接，socket会保存好这两个值

客户端如何发送请求和接收响应？

客户端同样使用字节流进行传输

        try(InputStream inputStream = socket.getInputStream();OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()){} catch (IOException e) {throw new RuntimeException(e);}
  •  使用try-with-resources管理InputStream和OutputStream，确保流自动关闭。 
  • InputStream从网卡中读取数据
  • OutputStream从网卡中写入数据

1）从控制台读取请求

            //客户端输入的数据Scanner scannerConsole = new Scanner(System.in);while(true){System.out.print("->");//客户端没有输入if(!scannerConsole.hasNext()){break;}
//              从控制台读取请求String request = scannerConsole.next();}
  • 使用Scanner进行输入，如果没有输入数据，hasNext()会进入阻塞等待

2）将请求发送给服务器

 Scanner只会读取数据，发送使用类PrintWriter

          PrintWriter writer = new PrintWriter(outputStream);writer.println(request);
  •  向服务器发送数据

冲刷缓冲区 

                //冲刷缓冲区writer.flush();

将发送的数据，先放入缓冲区中，等待缓冲区满了，才会发送缓冲区中的内容 

3）接收服务器返回的响应

            Scanner scannerNetwork = new Scanner(inputStream);String respond = scannerNetwork.next();
  • 服务器发送的数据，先到达客户端的缓冲区，客户端要从缓冲区读出数据
  • 这里使用Scanner进行读出数据，也可以使用read（）方法读取 

4）将响应数据显示在控制台

                System.out.println(respond);

将接收到的字符串响应，直接打印出来即可 

客户端总代码：


import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.Socket;
import java.util.Scanner;public class TcpEchoClient {private Socket socket = null;TcpEchoClient(String serverIp,int serverPort) throws IOException {
//        这里不需要将serverIP和serverPort在类中保存
//        因为tcp有链接，socket会保存好这两个值socket = new Socket(serverIp,serverPort);}public void start(){System.out.println("客户端启动");try(InputStream inputStream = socket.getInputStream();OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()){//客户端输入的数据Scanner scannerConsole = new Scanner(System.in);//通过网络读取Scanner scannerNetwork = new Scanner(inputStream);//像服务器发送请求PrintWriter writer = new PrintWriter(outputStream);while(true){System.out.print("->");//客户端没有输入if(!scannerConsole.hasNext()){break;}
//                1. 从控制台读取请求String request = scannerConsole.next();
//                2.将请求发送给服务端writer.println(request);//冲刷缓冲区writer.flush();
//                3.接受服务端返回的响应//从数据缓冲区中读取出内容String respond = scannerNetwork.next();
//                4.将响应显示在控制台System.out.println(respond);}} catch (IOException e) {throw new RuntimeException(e);}}public static void main(String[] args) throws IOException {TcpEchoClient client = new TcpEchoClient("127.0.0.1",9090);client.start();}
}

3. 服务端-客户端工作流程

 无论是TCP还是UDP都是服务端先启动 

创建连接过程

  1. 服务器启动，由于没有客户端建立连接，accept（）进入阻塞，等待客户端创建连接
  2. 客户端启动，客户端申请和服务器建立连接
  3. 服务器从accept（）阻塞中返回，调用processConnection（）方法进行交互

 双方交互过程

  1. 服务器进入processConnection（）方法，执行到hasNext（），由于客户端没有发送数据，服务器读取不到数据，进入阻塞状态
  2. 客户端在hasNext（）这里进入阻塞，等待用户在控制台中输入数据
  3. 用户输入数据，客户端从hasNext（）中退出阻塞，将数据发送给服务器，next（）阻塞等待服务器返回数据
  4. 服务器从hasNext（）阻塞中返回，读取请求并处理，构造响应，发送给客户端
  5. 客户端读取响应并打印

4. 服务器优化

            Thread t = new Thread(()->{processConnection(clientSocket);});t.start();
  • 每来一个客户端，服务器就需要创建出一个新的线程
  • 每次客户端结束，服务器就需要销毁这个线程

如果客户端比较多，那么服务器就需要频繁的创建和销毁 ，开销大

 （1）可以通过引入线程池来避免频繁的创建和销毁

            ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(3);service.submit(()->{processConnection(clientSocket);});

 如果有的客户端处理的过程很短（网站），也有可能客户端处理的时间会很长

处理时间很短的客户端，分配一个专门的线程，有点浪费，所有引入了IO多路复用技术

（2）IO多路复用技术

IO多路复用技术是操作系统提供的机制。 

让一个线程去同时去负责处理多个Socket对象

本质在于这些Socket对象不是同一时刻都需要处理 

虽然有多个Socket对象，但是同一时间活跃的Socket对象只是少数（大部分的Socket对象都是在等数据），我们可以在等的过程中，去处理活跃的Socket对象 

点赞的宝子今晚自动触发「躺赢锦鲤」buff！ 

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