Java 网络编程（二）—— TCP流套接字编程

TCP 和 UDP 的区别

在传输层，TCP 协议是有连接的，可靠传输，面向字节流，全双工
而UDP 协议是无连接的，不可靠传输，面向数据报，全双工

有连接和无连接的区别是在进行网络通信的时候，通信双方有没有保存对端的地址信息，即假设 A 和 B 进行通信，A 保存了 B 的地址信息，B 也保存了 A 的地址信息，此时双方都知道和谁建立了连接，这就是有连接的通信，在之前的 UDP 数据报套接字编程中就提到过 UDP 是无连接的，所以在发送数据报的时候要加上对端的信息，防止丢包。

可靠传输是通过各种手段来防止丢包的出现，而不可靠传输则没有做任何处理直接把数据报传输过去，但是可靠传输不意味着能 100% 把数据报完整无误地传输给对方，只是尽可能降低丢包发生的概率，并且可靠传输是要使用很多手段来保持的，所以付出的代价相比于不可靠传输要大。

面向字节流就是以字节为单位来进行数据的传输，面向数据报就是以数据报为单位进行数据的传输。

全双工就是通信的双发可以同时给对方发送数据，但是半双工是指双方只有一方可以发送数据。

TCP流套接字 API 介绍

ServerSocket

ServerSocket 是TCP服务端Socket 的API

构造方法：

方法名	说明
ServerSocket(int port)	创建一个TCP服务端流套接字Socket，并绑定端口号

ServerSocket 方法：

方法名	返回值	说明
accept()	Socket	开始监听指定端口（创建时绑定的端口），有客户端连接后，返回一个服务端Socket 对象，并基于该Socket 建立于客户端的连接，否则阻塞等待
close()	void	关闭此套接字

Socket

Socket 是客户端Socket 或者是 服务端那边收到客户端建立连接的请求（通过 accept() 方法）返回的Socket 对象。

不管是客户端还是服务端的Socket 对象，他们都保留了对端的地址信息，这也是TCP协议有连接的体现。

Socket 构造方法：

方法名	说明
Socket(String host, int port)	创建一个客户端流套接字Socket,并于对应IP 的主机对应的端口的进程建立连接

Socket 方法：

方法名	返回值	说明
getInetAddress()	InetAddress	返回套接字所连接的地址
getInputStream()	InputStream	返回此套接字的输入流
getOutputStream()	OutputStream	返回此套接字的输出流

回显服务器

首先在回显服务器的构造方法里初始化我们的ServerSocket

    public TcpEchoServer(int port) throws IOException {
        serverSocket = new ServerSocket(port);
    }

然后就是服务器启动运行的代码了：在面对多个客户端的时候，我们可以使用线程池来进行处理。
这里使用Executors.newCachedThreadPool()是不固定线程的个数的线程池，这样可以灵活地处理多个客户端的请求。

    public void start() throws IOException {
        System.out.println("服务器启动...");
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        while(true) {
            //与客户端建立连接
            Socket clientSocket = serverSocket.accept();
            //处理客户端发出的多个请求
            executorService.submit(() -> {
                try {
                    processClient(clientSocket);
                } catch (IOException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            });
        }
    }

处理请求

我们通过了一个方法processClient来封装了处理请求的逻辑

如何进行数据的获取和写入操作？
可以通过输入流和输出流来处理getInputStream和getOutputStream

try(InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream();
   	OutputStream outputStream = clientSocket.getOutputStream()) 

为了更加方便地使用这两个流对象，我们进行了进一步的封装：

//对输入流和输出流进行进一步的封装，方便我们的使用
Scanner scanner = new Scanner(inputStream);
PrintWriter writer = new PrintWriter(outputStream);

由于客户端可能发来的不止一个请求，我们可以使用循环来处理一下，在循环体中，我们处理请求有三个步骤，首先获取请求解析请求，然后计算响应，最后发送响应

            while(true) {
                if(!scanner.hasNext()) {
                    System.out.printf("[%s:%d] 客户端下线\n",clientSocket.getInetAddress(),clientSocket.getPort());
                    break;
                }
                //解析请求
                String request = scanner.next();
                //计算响应
                String response = process(request);
                //发送响应
                writer.println(response);
                //因为此时的响应数据还在缓存区里，所以需要使用 flush 来将内存的数据发送出去
                writer.flush();
                System.out.printf("[%s:%d] request:%s response:%s\n",clientSocket.getInetAddress(),clientSocket.getPort(),
                        request,response);
            }

由于这里是回显服务器，所以计算响应的代码是直接返回字符串就可以了

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

最后当客户端没有请求的时候，我们需要断开此次连接，释放资源，避免资源的泄漏

 finally {
            //当请求处理完的时候记得关闭服务器与客户端的连接，防止资源泄漏
            clientSocket.close();
        }

最终代码

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.io.PrintWriter;
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;

    public TcpEchoServer(int port) throws IOException {
        serverSocket = new ServerSocket(port);
    }

    public void start() throws IOException {
        System.out.println("服务器启动...");
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        while(true) {
            //与客户端建立连接
            Socket clientSocket = serverSocket.accept();
            //处理客户端发出的多个请求
            executorService.submit(() -> {
                try {
                    processClient(clientSocket);
                } catch (IOException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            });
        }
    }

    private void processClient(Socket clientSocket) throws IOException {
        //获取输入流和输出流
        try(InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream();
            OutputStream outputStream = clientSocket.getOutputStream()) {
            System.out.printf("[%s:%d] 客户端上线\n",clientSocket.getInetAddress(),clientSocket.getPort());
            //对输入流和输出流进行进一步的封装，方便我们的使用
            Scanner scanner = new Scanner(inputStream);
            PrintWriter writer = new PrintWriter(outputStream);
            while(true) {
                if(!scanner.hasNext()) {
                    System.out.printf("[%s:%d] 客户端下线\n",clientSocket.getInetAddress(),clientSocket.getPort());
                    break;
                }
                //解析请求
                String request = scanner.next();
                //计算响应
                String response = process(request);
                //发送响应
                writer.println(response);
                //因为此时的响应数据还在缓存区里，所以需要使用 flush 来将内存的数据发送出去
                writer.flush();
                System.out.printf("[%s:%d] request:%s response:%s\n",clientSocket.getInetAddress(),clientSocket.getPort(),
                        request,response);
            }
        } catch (IOException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        } finally {
            //当请求处理完的时候记得关闭服务器与客户端的连接，防止资源泄漏
            clientSocket.close();
        }
    }

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

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        TcpEchoServer server = new TcpEchoServer(9090);
        server.start();
    }
}

客户端

首先在客户端构造方法建立于服务器的连接：

    public TcpEchoClient(String serverIP, int port) throws IOException {
        //与服务器建立连接
        socket = new Socket(serverIP,port);
    }

运行逻辑

首先用户从控制台输入数据，然后发送请求，接着等待服务器的响应并接收响应然后打印响应的内容即可。

    public void start() {
        try(InputStream inputStream = socket.getInputStream();
            OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()) {
            //对输入流和输出流进行进一步的封装
            Scanner scanner = new Scanner(System.in);
            Scanner scanner2 = new Scanner(inputStream);
            PrintWriter writer = new PrintWriter(outputStream);
            while(true) {
                //发送多个请求和接收多个响应
                if(!scanner.hasNext()) {
                    break;
                }
                //发送请求
                String request = scanner.next();
                writer.println(request);
                writer.flush();
                //接收响应
                String response = scanner2.next();
                System.out.println(response);
            }
        } catch (IOException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

这里要注意用户通过控制台输入数据，我们要使用的是Scanner(System.in)
当我们要发送数据的时候是使用 Socket 的 getOutputStream 方法来获取对应的输出流对象，为了便于使用所以我们又使用 PrintWriter 来进一步封装输出流，来打印响应
在发送请求的时候我们需要使用 Socket 的 getInputStream 方法来获得输入流对象，为了方便使用，所以使用Scanner(inputStream)进一步封装。

最终代码

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;

    public TcpEchoClient(String serverIP, int port) throws IOException {
        //与服务器建立连接
        socket = new Socket(serverIP,port);
    }

    public void start() {
        try(InputStream inputStream = socket.getInputStream();
            OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()) {
            //对输入流和输出流进行进一步的封装
            Scanner scanner = new Scanner(System.in);
            Scanner scanner2 = new Scanner(inputStream);
            PrintWriter writer = new PrintWriter(outputStream);
            while(true) {
                //发送多个请求和接收多个响应
                if(!scanner.hasNext()) {
                    break;
                }
                //发送请求
                String request = scanner.next();
                writer.println(request);
                writer.flush();
                //接收响应
                String response = scanner2.next();
                System.out.println(response);
            }
        } 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();
    }
}

细节说明

在我们使用PrintWriter 的 writer.println(xxx)之后，我们的数据其实还保留在缓存区中，也就是还没发出去，我们需要通过flush() 方法来刷新缓存区的数据，才能将数据真正发送到对端去。

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我们不可以使用writer.print这种没有自动添加换行符的方法，因为我们在接收数据的时候，使用的是Scanner 的 next()方法，next() 是要接收到空白符（包括换行符，制表符，翻页符…）才停止接收的，如果你使用 print 来发送数据，这时候的数据是没有带任何空白符的，那么就不会停止接收数据而是继续等待空白符的到来，这时候服务器就无法处理客户端的请求：如下图：

服务器就阻塞在 下图标红的代码里：

客户端被阻塞在接收响应的代码里：

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你在客户端的控制台输入的回车不算进数据的换行符里，控制台输入的回车时，只是将数据交给了客户端程序，并不会自动将这些数据转换为网络流中的换行符。

换一句话说，控制台的回车只是结束你在控制台的输入，并不会自动在数据末尾加上换行符

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