网络编程 | Zero的博客

Java

JavaBasics

发布日期: 2019-05-13

文章字数: 5.4k

阅读时长: 20 分

阅读次数:

1. 网络编程基础概念

1.1 软件结构

C/S结构：全称为Client/Server结构，是指客户端和服务器结构。常见程序如QQ、迅雷等。
B/S结构：全称为Brower/Server结构，是指浏览器和服务器结构。常见浏览器如谷歌、火狐等。

两种架构各有优势，但是无论哪种架构，都离不开网络的支持。网络编程，就是在一定的协议下，实现两台计算机的通信的程序。

1.2 网络通信协议

网络通信协议：通过计算机网络可以使多台计算机实现连接，位于同一个网络中的计算机在进行连接和通信时需要遵守一定的规则，这就好比在道路中行驶的汽车一定要遵守交通规则一样。在计算机网络中，这些连接和通信的规则被称为网络通信协议，它对数据的传输格式、传输速率、传输步骤等做了统一规定，通信双方必须同时遵守才能完成数据交换。
TCP/IP协议： 传输控制协议/因特网互联协议( Transmission Control Protocol/Internet Protocol)，是Internet最基本、最广泛的协议。它定义了计算机如何连入因特网，以及数据如何在它们之间传输的标准。它的内部包含一系列的用于处理数据通信的协议，并采用了4层的分层模型，每一层都呼叫它的下一层所提供的协议来完成自己的需求。

title

上图中，TCP/IP协议中的四层分别是应用层、传输层、网络层和链路层，每层分别负责不同的通信功能。

链路层：链路层是用于定义物理传输通道，通常是对某些网络连接设备的驱动协议，例如针对光纤、网线提供的驱动。
网络层：网络层是整个TCP/IP协议的核心，它主要用于将传输的数据进行分组，将分组数据发送到目标计算机或者网络。
传输层：主要使网络程序进行通信，在进行网络通信时，可以采用TCP协议，也可以采用UDP协议。
应用层：主要负责应用程序的协议，例如HTTP协议、FTP协议等。

1.3 协议分类

通信的协议还是比较复杂的，java.net 包中包含的类和接口，它们提供低层次的通信细节。我们可以直接使用这些类和接口，来专注于网络程序开发，而不用考虑通信的细节。

java.net 包中提供了两种常见的网络协议的支持：

UDP：用户数据报协议(User Datagram Protocol)。UDP是无连接通信协议，即在数据传输时，数据的发送端和接收端不建立逻辑连接。简单来说，当一台计算机向另外一台计算机发送数据时，发送端不会确认接收端是否存在，就会发出数据，同样接收端在收到数据时，也不会向发送端反馈是否收到数据。

由于使用UDP协议消耗资源小，通信效率高，所以通常都会用于音频、视频和普通数据的传输例如视频会议都使用UDP协议，因为这种情况即使偶尔丢失一两个数据包，也不会对接收结果产生太大影响。

但是在使用UDP协议传送数据时，由于UDP的面向无连接性，不能保证数据的完整性，因此在传输重要数据时不建议使用UDP协议。UDP的交换过程如下图所示。

title

特点：数据被限制在64KB以内，超出这个范围就不能发送了。

数据报(Datagram):网络传输的基本单位

TCP：传输控制协议 (Transmission Control Protocol)。TCP协议是面向连接的通信协议，即传输数据之前，在发送端和接收端建立逻辑连接，然后再传输数据，它提供了两台计算机之间可靠无差错的数据传输。

在TCP连接中必须要明确客户端与服务器端，由客户端向服务端发出连接请求，每次连接的创建都需要经过“三次握手”。
- 三次握手：TCP协议中，在发送数据的准备阶段，客户端与服务器之间的三次交互，以保证连接的可靠。
  - 第一次握手，客户端向服务器端发出连接请求，等待服务器确认。
  - 第二次握手，服务器端向客户端回送一个响应，通知客户端收到了连接请求。
  - 第三次握手，客户端再次向服务器端发送确认信息，确认连接。整个交互过程如下图所示。

title

完成三次握手，连接建立后，客户端和服务器就可以开始进行数据传输了。由于这种面向连接的特性，TCP协议可以保证传输数据的安全，所以应用十分广泛，例如下载文件、浏览网页等。

1.4 网络编程三要素

协议

协议：计算机网络通信必须遵守的规则。

IP地址

IP地址：指互联网协议地址（Internet Protocol Address），俗称IP。IP地址用来给一个网络中的计算机设备做唯一的编号。假如我们把“个人电脑”比作“一台电话”的话，那么“IP地址”就相当于“电话号码”。

IP地址分类

IPv4：是一个32位的二进制数，通常被分为4个字节，表示成a.b.c.d 的形式，例如192.168.65.100 。其中a、b、c、d都是0~255之间的十进制整数，那么最多可以表示42亿个。
IPv6：由于互联网的蓬勃发展，IP地址的需求量愈来愈大，但是网络地址资源有限，使得IP的分配越发紧张。

　　为了扩大地址空间，拟通过IPv6重新定义地址空间，采用128位地址长度，每16个字节一组，分成8组十六进制数，表示成ABCD:EF01:2345:6789:ABCD:EF01:2345:6789，号称可以为全世界的每一粒沙子编上一个网址，这样就解决了网络地址资源数量不够的问题。

常用命令

查看本机IP地址，在控制台输入：ipconfig
检查网络是否连通，在控制台输入：ping IP地址，ping 220.181.57.216
特殊IP地址：本机IP地址127.0.0.1 or localhost

端口号

网络的通信，本质上是两个进程（应用程序）的通信。每台计算机都有很多的进程，那么在网络通信时，如何区分这些进程？

如果说IP地址可以唯一标识网络中的设备，那么端口号就可以唯一标识设备中的进程（应用程序）了。

端口号：用两个字节表示的整数，它的取值范围是0~65535。其中，0~1023之间的端口号用于一些知名的网络服务和应用，普通的应用程序需要使用1024以上的端口号。如果端口号被另外一个服务或应用所占用，会导致当前程序启动失败。

利用协议+IP地址+端口号 三元组合，就可以标识网络中的进程了，那么进程间的通信就可以利用这个标识与其它进程进行交互。

2. TCP通信程序

2.1 概述

TCP通信能实现两台计算机之间的数据交互，通信的两端，要严格区分为客户端(Client)与服务端(Server)。

两端通信时步骤：

服务端程序，需要事先启动，等待客户端的连接。
客户端主动连接服务器端，连接成功才能通信。服务端不可以主动连接客户端。

在Java中，提供了两个类用于实现TCP通信程序：

客户端：java.net.Socket 类表示。创建Socket对象，向服务端发出连接请求，服务端响应请求，两者建立连接开始通信。
服务端：java.net.ServerSocket 类表示。创建ServerSocket对象，相当于开启一个服务，并等待客户端的连接。

2.2 Socket类

Socket 类：该类实现客户端套接字，套接字指的是两台设备之间通讯的端点。

构造方法

public Socket(String host, int port) :创建套接字对象并将其连接到指定主机上的指定端口号。如果指定的host是null ，则相当于指定地址为回送地址。

Tips: 回送地址(127.x.x.x) 是本机回送地址（Loopback Address），主要用于网络软件测试以及本地机进程间通信，无论什么程序，一旦使用回送地址发送数据，立即返回，不进行任何网络传输。

代码示例:

Socket client = new Socket("127.0.0.1",8888);

成员方法

public InputStream getInputStream() ：返回此套接字的输入流。
- 如果此Socket具有相关联的通道，则生成的InputStream的所有操作也关联该通道。
- 关闭生成的InputStream也将关闭相关的Socket。
public OutputStream getOutputStream() ：返回此套接字的输出流。
- 如果此Socket具有相关联的通道，则生成的OutputStream的所有操作也关联该通道。
- 关闭生成的OutputStream也将关闭相关的Socket。
public void close() ：关闭此套接字。
- 一旦一个socket被关闭，它不可再使用。
- 关闭此socket也将关闭相关的InputStream和OutputStream 。
public void shutdownOutput() ：禁用此套接字的输出流。
- 任何先前写出的数据将被发送，随后终止输出流。

2.3 ServerSocket类

ServerSocket类：这个类实现了服务器套接字，该对象等待通过网络的请求。

构造方法

public ServerSocket(int port) ：使用该构造方法在创建ServerSocket对象时，就可以将其绑定到一个指定的端口号上，参数port就是端口号。

代码举例：

ServerSocket = server = new ServerSocket(8888);

成员方法

public Socket accept() ：监听并接受连接，返回一个新的Socket对象，用于和客户端实现通信。该方法会一直阻塞直到建立连接。

2.4 简单的TCP网络程序

TCP通信分析图解

【服务端】启动,创建ServerSocket对象，等待连接。
【客户端】启动,创建Socket对象，请求连接。
【服务端】接收连接,调用accept方法，并返回一个Socket对象。
【客户端】Socket对象，获取OutputStream，向服务端写出数据。
【服务端】Socket对象，获取InputStream，读取客户端发送的数据。

到此，客户端向服务端发送数据成功。

title

自此，服务端向客户端回写数据。

【服务端】Socket对象，获取OutputStream，向客户端回写数据。
【客户端】Socket对象，获取InputStream，解析回写数据。
【客户端】释放资源，断开连接。

客户端与服务器数据收发代码示例

// 客户端实现
public class ClientTCP {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        System.out.println("客户端，发送数据");
        // 1.1. 创建一个客户端对象Socket，构造方法绑定服务器的IP和端口号
        Socket client = new Socket("localhost",8888);
        // 2.使用Socket对象中的方法getOutputStream()获取网络字节输出流OutputStream对象
        OutputStream os= client.getOutputStream();
        // 3.使用网络字节输出流对象中的方法write，给服务器发送数据
        os.write("测试传输数据....".getBytes());
        // 4. 使用Socket对象中的方法getInputStream()获取网络字节输入流InputStream对象
        InputStream is = client.getInputStream();
        // 5. 使用网络字节输入流对象中的方法read，读取服务器回写的数据
        byte[] b = new byte[1024];
        int len = is.read(b);
        System.out.println(new String(b,0,len));
        // 6. 释放资源
        client.close();
    }
}
// 服务器端实现
public class ServerTCP {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        System.out.println("服务端启动，等待客户端连接.....");
        // 1. 创建服务器ServerSocket对象和系统要指定的端口号
        ServerSocket server = new ServerSocket(8888);
        // 2. 使用ServerSocket对象中的accept方法，获取请求的客户端对象Socket
        Socket socket = server.accept();
        // 3. 使用Socket对象中的方法getInputStream()获取网络字节输入流InputStream对象
        InputStream is = socket.getInputStream();
        // 4. 使用网络字节输入流对象中的方法read，读取客户端发送的数据
        byte[] bytes = new byte[1024];
        int len = is.read(bytes);
        String msg = new String(bytes,0,len);
        System.out.println(msg);
        // 5. 使用Socket对象中的方法getOutputStream()获取网络字节输出流OutputStream对象
        OutputStream os = socket.getOutputStream();
        // 6. 使用网络字节输出流对象中的方法write，给客户端回写数据
        os.write("服务端已接收到数据....".getBytes());
        // 7. 释放资源
        server.close();
        socket.close();
    }
}

3. 文件传输案例

3.1 案例分析

【客户端】输入流，从硬盘读取文件数据到程序中。
【客户端】输出流，写出文件数据到服务端。
【服务端】输入流，读取文件数据到服务端程序。
【服务端】输出流，写出文件数据到服务器硬盘中。

代码实现

// 客户端
public class FileUpload_Client {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        System.out.println("客户端开始发送文件...");
        // 1. 创建一个本地字节输入流FileInputStream对象，构造方法中绑定要读取的数据源
        FileInputStream fis = new FileInputStream("C:\\Users\\14908\\Desktop\\upload.jpg");
        // 2. 创建一个客户端Socket对象，构造方法中绑定服务器IP和端口号
        Socket client = new Socket("localhost",8888);
        // 3. 使用Socket中的方法getOutputStream，获取网络字节输出流OutputStream对象
        OutputStream os = client.getOutputStream();
        // 4. 使用本地字节输入流FileInputStream对象中的方法read，读取本地文件
        byte[] b = new byte[1024];
        int len;
        while ((len = fis.read(b)) != -1){
            // 5. 使用网络字节输出流OutputStream对象中的write方法，把读取的文件上传到服务器
            os.write(b,0,len);
        }
        /*
            解决阻塞问题：上传完文件，给服务器写一个结束标记
            void shutdownOutPut() 禁用此套接字的输出流
            对于TCP套接字，任何此前写入的数据都将被发送，并且后跟TCP的正常连接终止序列
         */
        client.shutdownOutput();
        // 6. 使用Socket中的方法getInputStream，获取网络字节输入流InputStream对象
        InputStream is = client.getInputStream();
        // 7. 使用网络字节输入流流InputStream对象中的方法read，读取服务器回写的数据
        while (((len = is.read(b))!=-1)){
            System.out.println(new String(b,0,len));
        }
        // 8. 释放资源(FileInputStream,Socket)
        fis.close();
        client.close();
    }
}
// 服务器端
public class FileUpload_Server {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        System.out.println("服务器启动，等待连接...");
        // 1. 创建一个本地字节输出流FileOutputStream对象，构造方法中绑定目的地
        FileOutputStream fos = new FileOutputStream("D:\\IDEA_WorkSpace\\Demo\\Demo5_13\\download.jpg");
        // 2. 创建一个服务端ServerSocket对象，构造方法中绑定侦听的端口号
        ServerSocket server = new ServerSocket(8888);
        // 3. 使用ServerSocket对象的accept方法，接收客户端的socket对象
        Socket socket = server.accept();
        // 4. 使用socket中的方法getInputStream，获取网络字节输入流InputStream对象
        InputStream is = socket.getInputStream();
        byte[] bytes = new byte[1024];
        // 5. 使用网络字节输入流InputStream对象中的read方法，读取客户端传输过来的数据
        int len;
        while ((len = is.read(bytes)) != -1){
            // 6. 使用本地字节输出流FileOutputStream对象中的方法write，将文件写出到硬盘
            fos.write(bytes,0,len);
            fos.flush();
        }
        // 7. 使用socket中的方法getOutputStream，获取网络字节输出流对象，使用write方法回写数据
        socket.getOutputStream().write("上传成功!".getBytes());
        // 8. 释放资源
        fos.close();
        socket.close();
        server.close();
    }
}

文件上传优化

文件名写死问题

服务端，保存文件的名称如果写死，那么最终导致服务器硬盘，只会保留一个文件，可以使用系统时间优化文件名称，保证文件名称唯一。
```
FileOutputStream fos = new FileOutputStream("D:\\IDEA_WorkSpace\\Demo\\Demo5_13\\"+System.currentTimeMillis()+".jpg");
```
服务器端循环接收的问题

服务器端应该保持运行，持续接收来自不同用户的文件，使用循环改进即可。
```
// 每次接收新的连接，创建一个Socket
while(true){
    Socket socket = server.accept();
    .....
}
```

效率问题

服务端在接收大文件时，可能要耗费更多的时间，此时不能接收其他用户上传的文件，所以使用多线程技术优化。

while(true){
    Socket socket = server.accept();
    // 新的socket交给子线程处理
    new Thread(() -> {
        // 处理文件保存代码
    }).start();
}

优化代码实现

// 客户端
public class FileUpload_Client {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        System.out.println("客户端开始发送文件...");
        // 1. 创建一个本地字节输入流FileInputStream对象，构造方法中绑定要读取的数据源
        FileInputStream fis = new FileInputStream("C:\\Users\\14908\\Desktop\\upload.jpg");
        // 2. 创建一个客户端Socket对象，构造方法中绑定服务器IP和端口号
        Socket client = new Socket("localhost",8888);
        // 3. 使用Socket中的方法getOutputStream，获取网络字节输出流OutputStream对象
        OutputStream os = client.getOutputStream();
        // 4. 使用本地字节输入流FileInputStream对象中的方法read，读取本地文件
        byte[] b = new byte[1024];
        int len;
        while ((len = fis.read(b)) != -1){
            // 5. 使用网络字节输出流OutputStream对象中的write方法，把读取的文件上传到服务器
            os.write(b,0,len);
        }
        /*
            解决阻塞问题：上传完文件，给服务器写一个结束标记
            void shutdownOutPut() 禁用此套接字的输出流
            对于TCP套接字，任何此前写入的数据都将被发送，并且后跟TCP的正常连接终止序列
         */
        client.shutdownOutput();
        // 6. 使用Socket中的方法getInputStream，获取网络字节输入流InputStream对象
        InputStream is = client.getInputStream();
        // 7. 使用网络字节输入流流InputStream对象中的方法read，读取服务器回写的数据
        while (((len = is.read(b))!=-1)){
            System.out.println(new String(b,0,len));
        }
        // 8. 释放资源(FileInputStream,Socket)
        fis.close();
        client.close();
    }
}
// 服务器端
public class FileUpload_Server {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        System.out.println("服务器启动，等待连接...");
        // 2. 创建一个服务端ServerSocket对象，构造方法中绑定侦听的端口号
        ServerSocket server = new ServerSocket(8888);
        // 3. 使用ServerSocket对象的accept方法，接收客户端的socket对象
        while (true) { // 循环接收socket对象
            Socket socket = server.accept();
            new Thread(() -> { // 线程优化多用户访问
                try{
                    // 4. 使用socket中的方法getInputStream，获取网络字节输入流InputStream对象
                    InputStream is = socket.getInputStream();
                    // 1. 创建一个本地字节输出流FileOutputStream对象，构造方法中绑定目的地
                    FileOutputStream fos = new FileOutputStream("D:\\IDEA_WorkSpace\\Demo\\Demo5_13\\"+System.currentTimeMillis()+".jpg");
                    byte[] bytes = new byte[1024];
                    // 5. 使用网络字节输入流InputStream对象中的read方法，读取客户端传输过来的数据
                    int len;
                    while ((len = is.read(bytes)) != -1) {
                        // 6. 使用本地字节输出流FileOutputStream对象中的方法write，将文件写出到硬盘
                        fos.write(bytes, 0, len);
                        fos.flush();
                    }
                    // 7. 使用socket中的方法getOutputStream，获取网络字节输出流对象，使用write方法回写数据
                    socket.getOutputStream().write("上传成功!".getBytes());
                    // 8. 释放资源
                    fos.close();
                    socket.close();
                }catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }).start();
        }
        // 服务器就不用关闭了
//        server.close();
    }
}

3.2 模拟B\S服务器

模拟网站服务器，使用浏览器访问自己编写的服务端程序，查看网页效果。

/*
    BS版本TCP服务器
 */
public class BServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ServerSocket server = new ServerSocket(8088);
        /*
            浏览器解析服务器回写的html页面，页面中如果有图片，那么浏览器就会单独开启一个线程，读取服务器的图片
            我们需要让服务器一直处于监听状态，客户端请求一次，服务器端回写一次。
         */
        while (true){
            Socket socket = server.accept();
            new Thread(()->{
                try{
                    InputStream is = socket.getInputStream(); // 网络字节输入流
                    // 把is网络字节输入流对象，转换为字符缓冲输入流
                    BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(is));
                    // 把客户端请求信息的第一行读取出来
                    String line = br.readLine();
                    System.out.println(line); // 输出请求的路径
                    // 把读取的信息以空格进行分离，只要中间部分
                    String[] arr = line.split(" ");
                    // 把路径前面的/去除,获取Demo5_13\web\index.html
                    String htmlpath = arr[1].substring(1);
                    // 创建一个本地字节输入流，构造方法中绑定要读取的html路径
                    FileInputStream fis = new FileInputStream("D:\\IDEA_WorkSpace\\Demo\\"+htmlpath);
                    // 使用Socket中的getOutputStream方法，获取网络字节输出流对象
                    OutputStream os = socket.getOutputStream();
                    // 写入html协议响应头，固定写法
                    os.write("HTTP/1.1 200 OK\r\n".getBytes());
                    os.write("Content-Type:text/html\r\n".getBytes());
                    //必须写入空行，否则浏览器不解析
                    os.write("\r\n".getBytes());
                    // 一读一写复制文件，把服务器读取的html文件回写到客户端
                    int len;
                    byte[] bytes = new byte[1024];
                    while ((len = fis.read(bytes)) != -1) {
                        os.write(bytes,0,len);
                    }
                    // 释放资源
                    fis.close();
                    socket.close();
                }catch (IOException E){
                    E.printStackTrace();
                }
            }).start();
        }
        //server.close();
    }
}

今日目标

能够辨别UDP和TCP协议特点。无连接和有连接，传输数据安全和传输效率高
能够说出TCP协议下两个常用类名称。Socket，ServerSocket。
能够编写TCP协议下字符串数据传输程序。OutputStream.write(“hello”.getBytes());
能够理解TCP协议下文件上传案例。本地字节输入流读取数据，通过网络字节输出流发送到服务器，服务器通过网络字节输入流循环读取数据，使用本地字节输入流写出到硬盘中。

转载请注明: Zero的博客网络编程

函数式接口

1. 函数式接口函数式接口在Java中是指：有且仅有一个抽象方法的接口。函数式接口，也称为SAM(Single Abstract Method interfaces)接口，即适用于函数式编程场景的接口。而java中的函数式编程体现就是La

2019-05-14 JavaBasics

Java

缓冲流、转换流、序列化流、打印流

1. 缓冲流缓冲流,也叫高效流，是对4个基本的FileXxx 流的增强，所以也是4个流，按照数据类型分类：字节缓冲流：BufferedInputStream，BufferedOutputStream 字符缓冲流：BufferedRea

2019-05-10 JavaBasics

Java IO流