Java网络通信初步认知

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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();
        }
    }
}

简单的TCP客户端

　　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();
        }
    }
}

简单版本TCP服务器端

　　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();
        }
    }
}

多线程版本的TCP服务器端

　　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;
            }
        }
    }
}

一个简单的TCP连接池

　　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());
        }
    }
}

UDP通信客户端

　　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());
}
}
}

UDP通信服务器端

　　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());
         }
     }
 }

多播通信客户端

　　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());
         }
     }
 }

多播通信服务器端

　　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();
                 }
         }
     }
 }

NIO例子

　　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。