Java回顾之网络通信

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2024-08-16 14:49:46 219人阅读

　　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：

 1 import java.net.*; 2 import java.io.*; 3 public class SmartTcpServer { 4     public static void main(String[] args) throws IOException 5     { 6         ServerSocket server = new ServerSocket(5678); 7         while(true) 8         { 9             Socket client = server.accept();10             Thread thread = new ServerThread(client);11             thread.start();12         }13     }14 }15 16 class ServerThread extends Thread17 {18     private Socket socket = null;19 20     public ServerThread(Socket socket)21     {22         this.socket = socket;23     }24     25     public void run() {26         BufferedReader br = null;27         PrintWriter pw = null;28         try29         {30             br = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));31             pw = new PrintWriter(socket.getOutputStream());32             while(true)33             {34                 String line = br.readLine();35                 pw.println("Response:" + line);36                 pw.flush();37                 if (line.equals("end")) break;38             }39         }40         catch(Exception ex)41         {42             System.err.println(ex.getMessage());43         }44         finally45         {46             if (socket != null)47                 try {48                     socket.close();49                 } catch (IOException e1) {50                     e1.printStackTrace();51                 }52             if (br != null)53                 try {54                     br.close();55                 } catch (IOException e) {56                     e.printStackTrace();57                 }58             if (pw != null) pw.close();59         }60     }61 }

　　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：

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();        }    }}

　　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：

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;            }        }    }}

　　Server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());        }    }}

　　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：

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());        }    }}

　　服务器端代码如下：

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());        }    }}

　　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。

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());        }    }}

　　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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