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java 基础知识之网络通信（TCP通信、UDP通信、多播以及NIO）总结

2019年07月22日 | 移动技术网IT编程 | 我要评论

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：

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：

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：

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：

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：

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：

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：

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：

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。

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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