20145219 《Java程序设计》第10周学习总结

20145219 《Java程序设计》第10周学习总结

教材学习内容总结

Java的网络编程

• 网络编程

  网络编程就是在两个或两个以上的设备(例如计算机)之间传输数据。

• 网络概述

  1.计算机网络概述

  （1）路由器和交换机组成了核心的计算机网络，计算机只是这个网络上的节点以及控制等，通过光纤、网线等连接将设备连接起来，从而形成了一张巨大的计算机网络。

  （2）网络最主要的优势在于共享：共享设备和数据，现在共享设备最常见的是打印机。

  （3）IP地址：为了能够方便的识别网络上的每个设备，网络中的每个设备的唯一的数字标识。现在命名IP地址的规定是IPv4协议，该协议规定每个IP地址由4个0-255之间的数字组成，例如10.0.120.34。IP地址可能是固定的，例如网络上各种各样的服务器；也可以是动态的，例如使用ADSL拨号上网的宽带用户。

  （4）域名(Domain Name)：例如sohu.com等。一个IP地址可以对应多个域名，一个域名只能对应一个IP地址。

  （5）DNS服务器：在网络中传输的数据，全部是以IP地址作为地址标识，所以在实际传输数据以前需要将域名转换为IP地址，实现这种功能的服务器称之为DNS服务器，也就是通俗的说法叫做域名解析。

  （6）端口(port)：让一个计算机可以同时运行多个网络程序，在同一个计算机中每个程序对应唯一的端口。 在硬件上规定，端口的号码必须位于0-65535之间，每个端口唯一的对应一个网络程序，一个网络程序可以使用多个端口。

  2.网络编程概述

  （1）网络编程就是两个或多个程序之间的数据交换。

  （2）“请求-响应”模型：通讯的一端发送数据，另外一端反馈数据，网络通讯都基于该模型。 在网络通讯中，第一次主动发起通讯的程序被称作客户端(Client)程序，简称客户端，而在第一次通讯中等待连接的程序被称作服务器端(Server)程序，简称服务器。一旦通讯建立，则客户端和服务器端完全一样，没有本质的区别。

  （3）客户端/服务器结构：也叫做Client/Server结构，简称C/S结构。优势：客户端是专门开发的，根据需要实现各种效果；劣势：通用性差，几乎不能通用等，在实际维护时，也需要维护专门的客户端和服务器端，维护的压力比较大。

  （4）览器/服务器结构：也叫做Browser/Server结构，简称为B/S结构。优势：开发的压力比较小，不需要维护客户端；劣势：浏览器的限制比较大，表现力不强，无法进行系统级操作等。B/S结构其实也就是一种特殊的C/S结构。

  （5）P2P程序：是一种特殊的程序，既包含客户端程序，也包含服务器端程序。使用客户端程序部分连接其它的种子(服务器端)，而使用服务器端向其它的BT客户端传输数据。

  （6）协议(Protocol)：在实际进行数据交换时数据的格式。因为各个网络程序之间协议格式的不同，导致了客户端程序都是专用的结构。

  3.网络通讯方式

  （1）现有的网络中，网络通讯的方式主要有两种：

    ·TCP(传输控制协议)方式
    ·UDP(用户数据报协议)方式
  

  （2）TCP方式：使用该种方式进行网络通讯时，需要建立专门的虚拟连接，然后进行可靠的数据传输，如果数据发送失败，则客户端会自动重发该数据。重要的数据一般使用TCP方式进行数据传输。由于TCP需要建立专用的虚拟连接以及确认传输是否正确，所以使用TCP方式的速度稍微慢一些，而且传输时产生的数据量要比UDP稍微大一些。

  （3）UDP方式：使用这种方式进行网络通讯时，不需要建立专门的虚拟连接，传输也不是很可靠，如果发送失败则客户端无法获得。大量的非核心数据则都通过UDP方式进行传递。

• 网络编程技术

  1.网络编程步骤

  （1）客户端网络编程步骤

    1、建立网络连接：客户端网络编程的第一步都是建立网络连接。在建立网络连接时需要指定连接到的服务器的IP地址和端口号，建立完成以后，会形成一条虚拟的连接，后续的操作就可以通过该连接实现数据交换了。
    2、交换数据：连接建立以后，就可以通过这个连接交换数据了。交换数据严格按照请求响应模型进行，由客户端发送一个请求数据到服务器，服务器反馈一个响应数据给客户端，如果客户端不发送请求则服务器端就不响应。根据逻辑需要，可以多次交换数据，但是还是必须遵循请求响应模型。
    3、关闭网络连接：在数据交换完成以后，关闭网络连接，释放程序占用的端口、内存等系统资源，结束网络编程。
  

  （2）服务器端网络编程步骤

    1、 监听端口：服务器端属于被动等待连接，所以服务器端启动以后，不需要发起连接，而只需要监听本地计算机的某个固定端口即可。这个端口就是服务器端开放给客户端的端口，服务器端程序运行的本地计算机的IP地址就是服务器端程序的IP地址。
    2、 获得连接：当客户端连接到服务器端时，服务器端就可以获得一个连接，这个连接包含客户端的信息，例如客户端IP地址等等，服务器端和客户端也通过该连接进行数据交换。一般在服务器端编程中，当获得连接时，需要开启专门的线程处理该连接，每个连接都由独立的线程实现。
    3、 交换数据：服务器端通过获得的连接进行数据交换。服务器端的数据交换步骤是首先接收客户端发送过来的数据，然后进行逻辑处理，再把处理以后的结果数据发送给客户端。简单来说，就是先接收再发送，这个和客户端的数据交换数序不同。其实，服务器端获得的连接和客户端连接是一样的，只是数据交换的步骤不同。当然，服务器端的数据交换也是可以多次进行的。在数据交换完成以后，关闭和客户端的连接。
    4、 关闭连接：当服务器程序关闭时，需要关闭服务器端，通过关闭服务器端使得服务器监听的端口以及占用的内存可以释放出来，实现了连接的关闭。
  

  （3）TCP方式是需要建立连接的，对于服务器端的压力比较大，而UDP是不需要建立连接的，对于服务器端的压力比较小。

  2.Java网络编程技术

  （1）和网络编程有关的基本API位于java.net包中，该包中包含了基本的网络编程实现，该包是网络编程的基础。该包中既包含基础的网络编程类，也包含封装后的专门处理WEB相关的处理类。

  （2）InetAddress类：该类的功能是代表一个IP地址，并且将IP地址和域名相关的操作方法包含在该类的内部。
  
  

  3.TCP编程

  （1）TCP方式的网络通讯是指在通讯的过程中保持连接，只需要建立一次网络连接，就可以多次传输数据。

  （2）以java.net.Socket类代表客户端连接，以java.net.ServerSocket类代表服务器端连接。程序员实际编程时，只需要指定IP地址和端口号码就可以建立连接了。

  （3）客户端网络编程：首先需要建立连接，在Java API中以java.net.Socket类的对象代表网络连接，所以建立客户端网络连接，也就是创建Socket类型的对象，该对象代表网络连接，示例如下：

    Socket socket1 = new Socket(“192.168.1.103”,10000);
    Socket socket2 = new Socket(“www.sohu.com”,80);
  

  连接一旦建立，则完成了客户端编程的第一步，紧接着的步骤就是按照“请求-响应”模型进行网络数据交换，在Java语言中，数据传输功能由Java IO实现，也就是说只需要从连接中获得输入流和输出流即可，然后将需要发送的数据写入连接对象的输出流中，在发送完成以后从输入流中读取数据即可。示例代码如下：

    OutputStream os = socket1.getOutputStream(); //获得输出流
    InputStream is = socket1.getInputStream();     //获得输入流
  

  最后当数据交换完成以后，关闭网络连接，释放网络连接占用的系统端口和内存等资源，完成网络操作，示例代码如下：

    socket1.close();
  

  （4）简单的网络客户端程序示例：
  
  

  如果需要在控制台下面编译和运行该代码，需要首先在控制台下切换到源代码所在的目录，然后依次输入编译和运行命令：

     javac –d . SimpleSocketClient.java
  
     java tcp.SimpleSocketClient
  

  （5）服务器端程序编程：由于服务器端实现的是被动等待连接，所以服务器端编程的第一个步骤是监听端口，也就是监听是否有客户端连接到达。实现服务器端监听的代码为：

    ServerSocket ss = new ServerSocket(10000);
  

  服务器端编程的第二个步骤是获得连接。该步骤的作用是当有客户端连接到达时，建立一个和客户端连接对应的Socket连 接对象，从而释放客户端连接对于服务器端端口的占用。实现功能就像公司的前台一样，当一个客户到达公司时，会告诉前台我找某某某，然后前台就通知某某某， 然后就可以继续接待其它客户了。通过获得连接，使得客户端的连接在服务器端获得了保持，另外使得服务器端的端口释放出来，可以继续等待其它的客户端连接。 实现获得连接的代码是：

    Socket socket = ss.accept();
  

  最后，在服务器端通信完成以后，关闭服务器端连接。实现的代码为：

    ss.close();
  

  （6）echo服务器端代码示例：
  
  

  在控制台下面编译和运行该程序的命令和客户端部分的类似。

  （7）复用Socket连接：建立连接以后，将数据交换的逻辑写到一个循环中就可以了。这样只要循环不结束则连接就不会被关闭。

  建立一次连接，进行多次数据交换示例（使用SimpleSocketServer服务器代码）：
  
  

出现异常的原因：服务器端是对话一次数据以后就关闭了连接，如果服务器端程序关闭了，客户端继续发送数据肯定会出现异常。

复用服务器端的连接示例：

（8）使服务器端支持多个客户端同时工作：服务器端接收到一个连接时，启动一个专门的线程处理和该客户端的通讯。改写的服务端示例程序将由两个部分组成，MulThreadSocketServer类实现服务器端控制，实现接收客户端连接，然后开启专门的逻辑线程处理该连接，LogicThread类实现对于一个客户端连接的逻辑处理，将处理的逻辑放置在该类的run方法中。

（9）线程池(Thread pool)：就是在程序启动时首先把需要个数的线程对象创建好。可以提高程序的执行速度，优化程序对于内存的占用等。

4.UDP方式的编程

（1）DatagramSocket类：实现“网络连接”，包括客户端网络连接和服务器端网络连接。DatagramSocket实现的就是发送数据时的发射器，以及接收数据时的监听器的角色。类比于TCP中的网络连接，该类既可以用于实现客户端连接，也可以用于实现服务器端连接。

（2）DatagramPacket类：实现对于网络中传输的数据封装，也就是说，该类的对象代表网络中交换的数据。在UDP方式的网络编程中，无论是需要发送的数据还是需要接收的数据，都必须被处理成DatagramPacket类型的对象，该对象中包含发送到的地址、发送到的端口号以及发送的内容等。和TCP方式的网络传输相比，IO编程在UDP方式的网络编程中变得不是必须的内容，结构也要比TCP方式的网络编程简单一些。

（3）UDP客户端编程涉及的步骤也是4个部分：建立连接、发送数据、接收数据和关闭连接。

首先介绍UDP方式的网络编程中建立连接的实现。其中UDP方式的建立连接和TCP方式不同，只需要建立一个连接对象即可，不需要指定服务器的IP和端口号码。实现的代码为：

	DatagramSocket ds = new DatagramSocket();
当然，可以通过制定连接使用的端口号来创建客户端连接。

	DatagramSocket ds = new DatagramSocket(5000);
接着，介绍一下UDP客户端编程中发送数据的实现。在UDP方式的网络编程中，IO技术不是必须的，在发送数据时，需要将需要发送的数据内容首先转换为byte数组，然后将数据内容、服务器IP和服务器端口号一起构造成一个DatagramPacket类型的对象，这样数据的准备就完成了，发送时调用网络连接对象中的send方法发送该对象即可。例如将字符串“Hello”发送到IP是127.0.0.1，端口号是10001的服务器，则实现发送数据的代码如下：

	String s = “Hello”;
	String host = “127.0.0.1”;
	int port = 10001;
	//将发送的内容转换为byte数组
	byte[] b = s.getBytes();
	//将服务器IP转换为InetAddress对象
	InetAddress server = InetAddress.getByName(host);
	//构造发送的数据包对象
	DatagramPacket sendDp = new DatagramPacket(b,b.length,server,port);
	//发送数据
	ds.send(sendDp);
下面介绍一下UDP客户端编程中接收数据的实现。当数据发送出去以后，就可以接收服务器端的反馈信息了。接收数据在Java语言中的实现是这样的：首先构造一个数据缓冲数组，该数组用于存储接收的服务器端反馈数据，该数组的长度必须大于或等于服务器端反馈的实际有效数据的长度。然后以该缓冲数组为基础构造一个DatagramPacket数据包对象，最后调用连接对象的receive方法接收数据即可。接收到的服务器端反馈数据存储在DatagramPacket类型的对象内部。实现接收数据以及显示服务器端反馈内容的示例代码如下：

	//构造缓冲数组
	byte[] data = new byte[1024];
	//构造数据包对象
	DatagramPacket received = new DatagramPacket(data,data.length);
	//接收数据
	ds.receive(receiveDp);
	//输出数据内容
	byte[] b = receiveDp.getData(); //获得缓冲数组
	int len = receiveDp.getLength(); //获得有效数据长度
	String s = new String(b,0,len);
	System.out.println(s);
UDP方式客户端网络编程的最后一个步骤就是关闭连接。虽然UDP方式不建立专用的虚拟连接，但是连接对象还是需要占用系统资源，所以在使用完成以后必须关闭连接。关闭连接使用连接对象中的close方法即可，实现的代码如下：

	ds.close();

（4）UDP方式网络编程的服务器端实现和TCP方式的服务器端实现类似。

首先UDP方式服务器端网络编程需要建立一个连接，该连接监听某个端口，实现的代码为：

	DatagramSocket ds = new DatagramSocket(10010);
接收到客户端发送过来的数据以后，服务器端对该数据进行逻辑处理，然后将处理以后的结果再发送给客户端，在这里发送时就比客户端要麻烦一些，因为服务器端需要获得客户端的IP和客户端使用的端口号，这个都可以从接收到的数据包中获得。示例代码如下：

	//获得客户端的IP
	InetAddress clientIP = receiveDp.getAddress();
	//获得客户端的端口号
	Int clientPort = receiveDp.getPort();
最后，当服务器端实现完成以后，关闭服务器端连接，实现的方式为调用连接对象的close方法，示例代码如下：

	ds.close();

（5）UDP网络编程的基本使用示例：

（6）客户端多次发送以及服务器端支持多个数据包同时处理的程序结构示例：

• 网络协议

  1.网络协议是指对于网络中传输的数据格式的规定。网络协议的实质也是客户端程序和服务器端程序对于数据的一种约定，使用数字来代表内容，进行设计时一般遵循“简单、通用、容易解析”的原则进行。

  2.在网络编程中，对于同一个网络程序来说，一般都会涉及到两个网络协议格式：客户端发送数据格式和服务器端反馈数据格式，在实际设计时，需要一一对应。

  3.客户端程序和服务器端程序需要进行协议处理的代码分别如下。

  客户端程序需要完成的处理为：

    1、 客户端发送协议格式的生成
    2、 服务器端反馈数据格式的解析
  

  服务器端程序需要完成的处理为：

    1、 服务器端反馈协议格式的生成
    2、 客户端发送协议格式的解析
  

  4.对于一种网络程序来说，网络协议格式是该程序最核心的技术秘密。

• 网络编程示例

  1.质数判别示例

  （1）程序功能

  客户端程序功能：

    a)         接收用户控制台输入
    b)         判断输入内容是否合法
    c)         按照协议格式生成发送数据
    d)         发送数据
    e)         接收服务器端反馈
    f)          解析服务器端反馈信息，并输出
  

  服务器端程序功能：

    a)         接收客户端发送数据
    b)         按照协议格式解析数据
    c)         判断数字是否是质数
    d)         根据判断结果，生成协议数据
    e)         将数据反馈给客户端
  

  （2）协议格式

  客户端发送协议格式：

    将用户输入的数字转换为字符串，再将字符串转换为byte数组即可。
    客户端发送“quit”字符串代表结束连接。
  

  服务器端发送协议格式：

    反馈数据长度为1个字节。数字0代表是质数，1代表不是质数，2代表协议格式错误。
  

  （3)以TCP方式实现程序：
  
  

  2.猜数字小游戏

  （1）程序功能

  客户端程序功能列表：

    1、 接收用户控制台输入
    2、 判断输入内容是否合法
    3、 按照协议格式发送数据
    4、 根据服务器端的反馈给出相应提示
  

  服务器端程序功能列表：

    1、 接收客户端发送数据
    2、 按照协议格式解析数据
    3、 判断发送过来的数字和随机数字的关系
    4、 根据判断结果生产协议数据
    5、 将生产的数据反馈给客户端
  

  （2）协议格式

  客户端程序协议格式如下：

    1、 将用户输入的数字转换为字符串，然后转换为byte数组
    2、 发送“quit”字符串代表退出
  

  服务器端程序协议格式如下：

    1、 反馈长度为1个字节，数字0代表相等(猜中)，1代表大了，2代表小了，其它数字代表错误。
  

  （3）示例：
  
  

本周代码托管截图

本周代码行数

学习进度条

	代码行数（新增/累积）	博客量（新增/累积）	学习时间（新增/累积）	重要成长
目标	5000行	30篇	400小时
第一周	150/150	1/2	15/15	学会搭建Java环境，学会写Hello World小程序
第二周	350/500	1/3	20/35	掌握IDE的使用方法，学会Java的基本语法规则
第三周	400/900	1/4	35/70	学会代码托管，学习了类类型、面向对象、函数等知识
第四周	990/1890	1/5	40/110	学会使用wc统计代码行数，学会将多个class文件放在一个包内
第五周	992/2882	1/6	30/140	了解Java的异常处理，学习Collection和Map架构
第六周	1486/4368	2/8	30/170	了解串流设计和线程，完成第一次实验
第七周	408/4776	2/10	15/185	了解Date及其相关知识，完成第二次实验
第八周	246/5022	2/12	15/200	了解通用API等相关知识，完成第三次实验
第九周	438/5460	2/14	15/215	了解通用JDBC等相关知识，完成第四次实验
第十周	1314/6774	2/16	25/240	了解网络编程等相关知识，完成第五次实验

参考资料

• Java学习笔记(第8版)
• 《Java学习笔记(第8版)》学习指导
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