网络编程初识

注：此博文为本人学习过程中的笔记

1.socket api

这是操作系统提供的一组api，由传输层向应用层提供。

2.传输层的两个核心协议

传输层的两个核心协议分别是TCP协议和UDP协议，它们的差别非常大，编写代码的风格也不同，因此socket提供了两套api。TCP协议是有连接，可靠传输，面向字节流，全双工。UDP协议是无连接，不可靠传输，面向数据报，全双工。

1.有连接/无连接

这里的有无连接是抽象的概念，对于网络通信来说，物理上（网线）的连接时必须的。这里的连接是指在通信的时候有没有保存对方的信息。

对于TCP协议来说，A和B通信，会让A保存B的信息，B保存A的信息，让它们彼此知道谁是和它建立连接的那一个。

对于UDP协议来说，不保存对方的协议。当然程序员可以在自己的代码中保存对方的信息，但这不属于UDP协议的行为。

2.可靠传输/不可靠传输

网络上，数据是非常容易出现丢失的情况，用来传输的光/电信号很容易受到外界的影响。所以我们不能指望一个数据包发送之后，能百分之一百到达对方。

可靠传输的意思不是保证数据包百分之一百到达，而是尽可能提高传输成功的概率，如果丢包了，可以感知到。

不可靠传输就是指数据包发送之后就不管了。

3.面向字节流/面向数据报

面向字节流是指读写数据的时候以字节为单位。它可以灵活地控制读写的长度，但是容易出现粘包问题。

面向数据报是指读写数据的时候以数据报为单位。一次必须读取一个数据报的长度，但不容易出现粘包问题。

4.全双工/半双工

全双工是指一个通信链路支持双向通信

半双工是指一个通信链路只支持单向通信

3.使用socket api进行编程

1.UDP服务器

这是操作系统提供的功能，Java进行了封装。这里我们先讲解基于UDP协议的写法。

1.DatagramSocket

计算机中的文件广义上还能代指硬件设备，将它们抽象成文件。这里我们将网卡抽象成socket文件，操作网卡的时候和普通的文件差不多，打开（也会在文件描述符表分配一个表项）->读写->关闭。直接操作网卡不好操作，把网卡操作转换成socket文件操作更加方便。

1.构造方法

DatagramSocket()

创建一个UDP数据报套接字的Socket，绑定到本机任意一个随机端口（一般用于客户端）

DatagramSocket(int port)

创建一个UDP数据报套接字的Socket,绑定到本机指定的端口（一般用于服务器）

2.DatagramPacket

这个类表示一个完整的UDP数据报

1.构造方法

UDP数据报的载荷可以通过构造方法来指定

DatagramPacket(byte[] buf, int length)

构造一个DatagramPacket用来接收数据报，接收的数据报保存在字节数组，指定长度

DatagramPacket(byte[] buf, int offset, int length, SocketAddress address)

构造一个DatagramPacket用来接收数据报，接收的数据报保存在字节数组，指定数组下标，数组长度，目的IP和端口号

2.receive/send

1.void receive(DatagramPacket p)

接收数据报，没有接收到会阻塞等待

2.void send(DatagramPacket p)

发送数据报

3.代码示例

这里我们使用回显服务器，回显服务器是指响应和请求都是相同的服务器。我们实现的功能是用户输入一个字符串，服务器返回这个字符串。

1.服务器代码

代码展示

import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.SocketException;public class UdpEchoServer {private DatagramSocket socket = null;public UdpEchoServer(int port) throws SocketException {//指定了一个固定端口号让服务器使用socket = new DatagramSocket(port);}public void start() throws IOException {//启动服务器System.out.println("服务器启动");while(true) {//循环一次相当处理一次请求//处理请求的过程，典型的服务器分为三个步骤//1.读取请求并解析//DatagramPacket就表示一个UDP数据报，此处传入的字节数组保存UDP的载荷部分DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(new byte[4096], 4096);socket.receive(requestPacket);//把读取到的二进制数据转化成字符串，只读取有效的部分String request = new String(requestPacket.getData(), 0,         requestPacket.getLength());//2.根据请求，计算响应（服务器最关键的逻辑）//因为我们写的是回显服务器，所以这个步骤省略了String response = process(request);//3.把响应返回给客户端//根据response构造DatagramPacket返回给客户端DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(response.getBytes(), 0, response.getBytes().length, requestPacket.getSocketAddress());socket.send(responsePacket);}}private String process(String request) {return request;}public static void main(String[] args) throws IOException {UdpEchoServer udpEchoServer = new UdpEchoServer(9090);udpEchoServer.start();}
}

解析

1. socket对象代表网卡文件，读这个文件相当于从网卡收数据，写这个文件相当于向网卡发数据

2.启动服务器，在循环中做三件事

3. 读取请求并解析

a)构造DatagramPacket对象，这个对象就代表UDP数据报，有表头和载荷（创建字节数组来保存数据） 

b)调用receive接收数据，这里使用的是输出型参数，所以虽然我们是接收一个UDP数据报，但我们还是创建了一个空的DatagramPacket对象。

c)根据字节数组构造纯出一个String

4.根据请求计算响应

5.把响应返回给客户端

这里构造响应的数据报时，传入了字节数组作为载荷，指定了数组下标和有效长度，传入了目的端口和IP。 

6.socket不用close

一个文件是否要关闭，需要考虑这个文件的生命周期，这里的socket对象自始至终都会伴随整个UDP服务器，如果服务器关闭，会自动释放PCB的文件描述附表里面的所有资源，所以就不用手动关闭了。

2.客户端代码

import java.io.IOException;
import java.net.*;
import java.util.Scanner;public class UdpEchoClient {private DatagramSocket socket = null;//UDP本身不保存对端的信息，所以我们在自己的代码保存一下private String serverIp;private int serverPort;//和服务器不同，这里的构造方法需要指定访问服务器的地址public UdpEchoClient(String serverIp, int serverPort) throws SocketException {this.serverIp = serverIp;this.serverPort = serverPort;//这里的DatagramSocket不推荐使用固定端口号，如果客户端是固定端口，//很可能在这个程序运行的时候指定的端口被其他程序占用了，客户端在用户手上，//程序员不能控制socket = new DatagramSocket();}public void start() throws IOException {Scanner scanner = new Scanner(System.in);//1.从控制台读取用户输入的内容System.out.println("请输入要发送的内容");String request = scanner.next();//2.把请求放松给服务器，需要构造DatagramPacket对象//构造过程中，不光要构造载荷，还要指定服务器的IP和端口号DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(request.getBytes(), request.getBytes().length,InetAddress.getByName(serverIp), serverPort);//3.发送数据报socket.send(requestPacket);//4.接收服务器的响应DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(new byte[4096], 4096);socket.receive(responsePacket);//5.把从服务器读取出来的数据开始解析，打印出来String response = new String(responsePacket.getData(), 0, responsePacket.getLength());System.out.println(response);}public static void main(String[] args) throws IOException {//127.0.0.1是一个环回ip，非常特殊，无论你的主机是什么，都可以用这个ip表示当前主机，相当于thisUdpEchoClient udpEchoClient = new UdpEchoClient("127.0.0.1", 9090);udpEchoClient.start();}
}

2.TCP服务器 

因为TCP服务器进行网络通信的基本单位是字节，所以它不像UDP服务器的那样有DatagramPacket类作为基本单位，可以直接使用InputStream/OutputStream。

1.ServerSocket

这个类是专门给服务器用的，作为一开始的牵头人，和客户端建立连接后，就会使用Socket和客户端进行通信

ServerSocket(int port)

创建一个服务器端流套接字，并指定端口号

accept()

和客户端进行连接

2.Socket

这个类服务器和客户端都会使用

Socket(String host, int port)

这两个参数指的是需要指定的服务器IP和端口号

InputStream getInputStream()/OutputStream getOutputStream()

这两个方法是字节流对象

3.代码解析和修改

初始服务器代码

public class TcpEchoServer {private ServerSocket serverSocket= null;//这里和Udp服务器类似，也是在构造的时候指定端口号public TcpEchoServer(int port) throws IOException {serverSocket = new ServerSocket(port);}public void start() throws IOException {System.out.println("启动服务器");while(true) {//对于tcp来说，需要向处理客户端发过来的连接//通过读写clientSocket和客户端进行通信//如果没有客户端发送连接，那么accept就会阻塞Socket clientSocket = serverSocket.accept();processConnection(clientSocket);}}//处理一个客户端的连接//可能涉及多个客户端的连接和响应，这里暂不涉及private void processConnection(Socket clientSocket) {try(InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream();OutputStream outputStream = clientSocket.getOutputStream()) {Scanner scanner = new Scanner(inputStream);PrintWriter writer = new PrintWriter(outputStream);//处理三个步骤while(true) {//1.读取请求并解析,可以直接read，也可以借助scannerif(!scanner.hasNext()) {break;}String request = scanner.next();//2.根据请求计算响应String response = procoss(request);//3.返回响应到客户端writer.println(response);}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}private String procoss(String request) {return request;}public static void main(String[] args) throws IOException {TcpEchoServer tcpEchoServer = new TcpEchoServer(9090);tcpEchoServer.start();}
}

初始客户端代码

public class TcpEchoClient {private Socket socket = null;public TcpEchoClient(String serverIp, int port) throws IOException {//这里可以直接使用字符串的ip作为参数socket = new Socket(serverIp, port);}public void start() {Scanner scanner = new Scanner(System.in);try(InputStream inputStream = socket.getInputStream();OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()) {//为了方便使用，套壳操作Scanner scannerNet = new Scanner(inputStream);PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream);//从控制台读取请求String request = scanner.next();//发送给服务器printWriter.println(request);//获取服务器的响应String response = scannerNet.next();//打印到控制台System.out.println(response);} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}public static void main(String[] args) throws IOException {TcpEchoClient tcpEchoClient = new TcpEchoClient("127.0.0.1", 9090);tcpEchoClient.start();}
}

问题1

当我们把客户端关闭再启动时，输入数据服务器没有响应。原因在于println只是把数据写入“发送缓冲区”，并没有真正写入网卡，此时我们需要用flush方法来属性缓冲区，让数据真正写入网卡。

问题2

这里的pringln里的ln是加上了换行，如果这里我们把ln删去，那么数据能发送过去，而服务器接收不到。

因为hasNext是以空白符（换行，回车，制表符，翻页符...）为基准，遇到空白符则是一个完整的next()，否则就会阻塞。 

编写客户端代码的时候是需要约定请求和响应之间的分隔符的，这里我们使用的是\n

问题3

如果没有客户端连接，就会阻塞在accept这里

如果客户端不发送请求， 就会阻塞在hasNext这里

我们的服务器无法同时等待accept和客户端请求，当我们在等待客户端发送请求时，如果这时有新的客户端想要连接进来，就无法连接。

在这个场景下，我们就能引入多线程，让一个线程专门负责连接服务器。同时可以引入线程池优化效率。

问题4

服务器的socket要记得及时关闭，因为这个socket的生命周期不再是跟随整个服务器了

问题5

当我们的客户端多到一定程度时，服务器无法承担，此时我们就可以使用操作系统中内置的IO多路复用，这个操作本质上是让一个线程处理多个客户端的请求。多个客户端发送数据大概率不是同时的，客户端很可能在阻塞等待。

优化后服务器代码

public class TcpEchoServer {private ServerSocket serverSocket= null;//这里和Udp服务器类似，也是在构造的时候指定端口号public TcpEchoServer(int port) throws IOException {serverSocket = new ServerSocket(port);}public void start() throws IOException {ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();System.out.println("启动服务器");while(true) {//对于tcp来说，需要向处理客户端发过来的连接//通过读写clientSocket和客户端进行通信//如果没有客户端发送连接，那么accept就会阻塞//主线程负责进行accept，每次accept到一个新客户端，就创建一个新线程来处理客户端的请求Socket clientSocket = serverSocket.accept();executorService.submit(() -> {processConnection(clientSocket);});}}//处理一个客户端的连接//可能涉及多个客户端的连接和响应，这里暂不涉及private void processConnection(Socket clientSocket) {try(InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream();OutputStream outputStream = clientSocket.getOutputStream()) {Scanner scanner = new Scanner(inputStream);PrintWriter writer = new PrintWriter(outputStream);//处理三个步骤while(true) {//1.读取请求并解析,可以直接read，也可以借助scannerif(!scanner.hasNext()) {break;}String request = scanner.next();//2.根据请求计算响应String response = procoss(request);//3.返回响应到客户端writer.println(response);writer.flush();}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}private String procoss(String request) {return request;}public static void main(String[] args) throws IOException {TcpEchoServer tcpEchoServer = new TcpEchoServer(9090);tcpEchoServer.start();}
}

优化后客户端代码

public class TcpEchoClient {private Socket socket = null;public TcpEchoClient(String serverIp, int port) throws IOException {//这里可以直接使用字符串的ip作为参数socket = new Socket(serverIp, port);}public void start() {Scanner scanner = new Scanner(System.in);try(InputStream inputStream = socket.getInputStream();OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()) {//为了方便使用，套壳操作Scanner scannerNet = new Scanner(inputStream);PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream);//从控制台读取请求String request = scanner.next();//发送给服务器printWriter.println(request);//加上刷新缓冲区操作，才是真正写入网卡printWriter.flush();//获取服务器的响应String response = scannerNet.next();//打印到控制台System.out.println(response);} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}public static void main(String[] args) throws IOException {TcpEchoClient tcpEchoClient = new TcpEchoClient("127.0.0.1", 9090);tcpEchoClient.start();}
}