java 基础知识之网路通信总结
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：
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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：
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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：
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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：
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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：
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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：
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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：
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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：
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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。
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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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