java 基础知识之网络通信（TCP通信、UDP通信、多播以及NIO）总结

2024-07-13 10:05:14

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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：

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();    }  }}

　　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：

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;      }    }  }}

　　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：

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());    }  }}

　　Server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());    }  }}

　　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：

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());    }  }}

　　服务器端代码如下：

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());    }  }}

　　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。

NIO例子import java.io.*;import java.nio.*;import java.nio.channels.*;import java.nio.charset.*;import java.net.*;public class NewIOSample {  public static void main(String[] args)  {    String host="127.0.0.1";    int port = 5678;    SocketChannel channel = null;    try    {      InetSocketAddress address = new InetSocketAddress(host,port);      Charset charset = Charset.forName("UTF-8");      CharsetDecoder decoder = charset.newDecoder();      CharsetEncoder encoder = charset.newEncoder();            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);      CharBuffer charBuffer = CharBuffer.allocate(1024);            channel = SocketChannel.open();      channel.connect(address);            String request = "GET / /r/n/r/n";      channel.write(encoder.encode(CharBuffer.wrap(request)));            while((channel.read(buffer)) != -1)      {        buffer.flip();        decoder.decode(buffer, charBuffer, false);        charBuffer.flip();        System.out.println(charBuffer);        buffer.clear();        charBuffer.clear();      }    }    catch(Exception ex)    {      System.err.println(ex.getMessage());    }    finally    {      if (channel != null)        try {          channel.close();        } catch (IOException e) {          // TODO Auto-generated catch block          e.printStackTrace();        }    }  }}

　　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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