22. 网络编程(2)——TCP 协议

雨点打透心脏的1/2处 2022-10-23 08:05 262阅读 0赞

网络编程需要依靠Socket API，在java标准库中有两种风格：  
1.（**UDP**）DatagramSocket：面向数据报（发送接收数据，必须以一定的数据报为单位进行传输）  
2.（**TCP**）ServerSocket：面向字节流

UDP和TCP就是传输层的两个最重要的协议

## TCP ##

服务器逻辑：

> 1.初始化服务器  
> 2.进入主循环  
> 1）先去从内核中获取到一个TCP的连接  
> 2）处理这个TCP的连接  
> a）读取请求并解析  
> b）根据请求计算响应  
> c）把响应写回给客户端

服务器实现：

import java.io.*;
    import java.net.ServerSocket;
    import java.net.Socket;
    
    public class TcpEchoServer {
        
        //1.初始化服务器
        //2.进入主循环
        //  1）先去从内核中获取到一个TCP的连接
        //  2）处理这个TCP的连接
        //    a）读取请求并解析
        //    b）根据请求计算响应
        //    c）把响应写回给客户端
    
        private ServerSocket serverSocket = null;
    
        public TcpEchoServer(int port) throws IOException {
        
            serverSocket = new ServerSocket(port);
        }
    
        public void start() throws IOException {
        
            System.out.println("服务器启动");
            while (true){
        
                //  1）先去从内核中获取到一个TCP的连接
                //TCP的连接管理是由操作系统内核来管理的（先描述，再组织【使用一个阻塞队列来组织若干个连接对象】）
                //当连接建立成功，内核已经把这个连接对象放到了阻塞队列中了，代码中调用到accept就是从阻塞队列中取出一个连接对象
                //在应用程序中就是Socket对象
                //如果服务器启动后，没有客户端建立连接，此时代码中的accept就会阻塞，直到有客户建立连接了才停止阻塞
                Socket clientSocket = serverSocket.accept();
    
                //  2）处理这个TCP的连接
                processConnection(clientSocket);
            }
        }
    
        private void processConnection(Socket clientSocket) {
        
            System.out.printf("[%s:%d] 客户端上线\n",clientSocket.getInetAddress().toString(),
                    clientSocket.getPort());
            //clientSocket.getInetAddress().toString():获得出IP
            //clientSocket.getPort())：获得端口号
            //通过 clientSocket 来和客户端交互，先做好准备工作，获取到clientSocket中流对象
            try(BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream()));
                BufferedWriter bufferedWriter = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(clientSocket.getOutputStream()))) {
        
                //getInputStream()；getOutputStream()：字节流
                //InputStreamReader;OutputStreamWriter:把字节流转成字符流，
                //BufferedReader；BufferedWriter：套上缓冲区
    
                //此处是长连接版本：一次连接的过程中，需要处理多个请求和响应
                //短连接就是去掉while循环
                while (true) {
        
                    //    a）读取请求并解析
                    String request = bufferedReader.readLine();
                    //此处暗含一个信息（协议）：
                    //客户端发的数据必须是一个按行发送的数据（每一条数据占一行）
    
                    //    b）根据请求计算响应
                    String response = process(request);
    
                    //    c）把响应写回给客户端(客户端要按行来读)
                    bufferedWriter.write(response+"\n");
                    bufferedWriter.flush();
    
                    System.out.printf("[%s:%d] req: %s; resp: %s\n",clientSocket.getInetAddress().toString(),
                            clientSocket.getPort(),request,response);
                }
            } catch (IOException e) {
        
                e.printStackTrace();
                System.out.printf("[%s:%d] 客户端下线\n",clientSocket.getInetAddress().toString(),
                        clientSocket.getPort());
            }
        }
    
        private String process(String request) {
        
            return request;
        }
    
        public static void main(String[] args) throws IOException {
        
            TcpEchoServer server = new TcpEchoServer(9090);
            server.start();
        }
    
    
    }

这里的服务器方法实现中使用到了长连接，那么对应的就是短连接  
**长连接**：一个连接中，客户端和服务器之间交互N次，直到满足一定条件在断开  
**短连接**：一个连接中，客户端和服务器之间交互一次，交互完毕就断开连接

**长连接比短连接效率更高**

客户端逻辑:

> 1.启动客户端（一定不要绑定端口号）  
> 2.进入主循环  
> a）读取用户输入内容  
> b）构造一个请求发送给服务器  
> c）读取服务器的响应数据  
> d）把响应数据显示到界面上

客户端：

import java.io.*;
    import java.net.Socket;
    import java.util.Scanner;
    
    public class TcpEchoClient {
        
        //1.启动客户端（一定不要绑定端口号）
        //2.进入主循环
        //  a）读取用户输入内容
        //  b）构造一个请求发送给服务器
        //  c）读取服务器的响应数据
        //  d）把响应数据显示到界面上
    
        private Socket socket = null;
    
        public TcpEchoClient(String serverIp, int serverPort) throws IOException {
        
            socket = new Socket(serverIp,serverPort);
        }
    
        public void start(){
        
            System.out.println("客户端启动");
            Scanner scanner = new Scanner(System.in);
            try (BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
                 BufferedWriter bufferedWriter = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(socket.getOutputStream()))){
        
                while (true){
        
                    //  a）读取用户输入内容
                    System.out.println("->");
                    String request = scanner.nextLine();
                    if ("exit".equals(request)){
        
                        break;
                    }
    
                   //  b）构造一个请求发送给服务器
                    bufferedWriter.write(request + "\n");//按行写
                    bufferedWriter.flush();
                    
                    //  c）读取服务器的响应数据
                    String response = bufferedReader.readLine();
    
                    //  d）把响应数据显示到界面上
                    System.out.println(response);
                }
            } catch (Exception e) {
        
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

运行结果：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1MTM2MTg5_size_16_color_FFFFFF_t_70]

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1MTM2MTg5_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

## 存在的问题 ##

以上的服务器和客户端交互的过程中，第一个客户端发送请求，就会进入while循环，只有当第一个客户端退出的时候，第二个客户端发送的请求才会被响应，其原因就是客户端大于一个的时候，就会在accept方法中阻塞，这时，为了提高效率，也就是说为了让多个客户端一起被服务器响应，就可以利用多线程的方式

代码如下：

import java.io.*;
    import java.net.ServerSocket;
    import java.net.Socket;
    
    public class TcpThreadEchoServer {
        
        private ServerSocket serverSocket = null;
    
        public TcpThreadEchoServer(int port) throws IOException {
        
            serverSocket = new ServerSocket(port);
        }
    
        public void start() throws IOException {
        
            System.out.println("服务器启动");
            while (true){
        
                Socket clientSocket = serverSocket.accept();
                //针对这个连接，单独创建一个线程负责处理
                Thread t = new Thread(new Runnable() {
        
                    @Override
                    public void run() {
        
                        processConnection(clientSocket);
                    }
                });
                t.start();
            }
        }
    
        private void processConnection(Socket clientSocket) {
        
            System.out.printf("[%s:%d] 客户端上线\n",clientSocket.getInetAddress().toString(),
                    clientSocket.getPort());
            try(BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream()));
                BufferedWriter bufferedWriter = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(clientSocket.getOutputStream()))) {
        
                while (true) {
        
                    //    a）读取请求并解析
                    String request = bufferedReader.readLine();
    
                    //    b）根据请求计算响应
                    String response = process(request);
    
                    //    c）把响应写回给客户端(客户端要按行来读)
                    bufferedWriter.write(response+"\n");
                    bufferedWriter.flush();
    
                    System.out.printf("[%s:%d] req: %s; resp: %s\n",clientSocket.getInetAddress().toString(),
                            clientSocket.getPort(),request,response);
                }
            } catch (IOException e) {
        
                e.printStackTrace();
                System.out.printf("[%s:%d] 客户端下线\n",clientSocket.getInetAddress().toString(),
                        clientSocket.getPort());
            }
        }
    
        private String process(String request) {
        
            return request;
        }
    
       public static void main(String[] args) throws IOException {
        
            TcpThreadEchoServer server = new TcpThreadEchoServer(9090);
            server.start();
        }
    
    }

（只有start()方法变了，其他均与之前代码一样）

但是这也会存在一个问题，如果客户端太多了，那么创建的线程也太多了，服务器需要频繁的创建和销毁线程，这时就可以使用标准库中的线程池

import java.io.*;
    import java.net.ServerSocket;
    import java.net.Socket;
    import java.util.concurrent.ExecutorService;
    import java.util.concurrent.Executors;
    
    public class TcpThreadPoolEchoServer {
        
        private ServerSocket serverSocket = null;
    
        public TcpThreadPoolEchoServer(int port) throws IOException {
        
            serverSocket = new ServerSocket(port);
        }
    
        public void start() throws IOException {
        
            System.out.println("服务器启动");
    
            //先创建一个线程池
            ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
            while (true) {
        
                Socket clientSocket = serverSocket.accept();
                executorService.execute(new Runnable() {
        
                    @Override
                    public void run() {
        
                        processConnection(clientSocket);
                    }
                });
            }
        }
    
        private void processConnection(Socket clientSocket) {
        
            System.out.printf("[%s:%d] 客户端上线\n",clientSocket.getInetAddress().toString(),
                    clientSocket.getPort());
            try(BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream()));
                BufferedWriter bufferedWriter = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(clientSocket.getOutputStream()))) {
        
                while (true) {
        
                    //    a）读取请求并解析
                    String request = bufferedReader.readLine();
    
                    //    b）根据请求计算响应
                    String response = process(request);
    
                    //    c）把响应写回给客户端(客户端要按行来读)
                    bufferedWriter.write(response+"\n");
                    bufferedWriter.flush();
    
                    System.out.printf("[%s:%d] req: %s; resp: %s\n",clientSocket.getInetAddress().toString(),
                            clientSocket.getPort(),request,response);
                }
            } catch (IOException e) {
        
                e.printStackTrace();
                System.out.printf("[%s:%d] 客户端下线\n",clientSocket.getInetAddress().toString(),
                        clientSocket.getPort());
            }
        }
    
        private String process(String request) {
        
            return request;
        }
    
        public static void main(String[] args) throws IOException {
        
            TcpThreadPoolEchoServer server = new TcpThreadPoolEchoServer(9090);
            server.start();
        }
    }

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1MTM2MTg5_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20221023/450f8a2b1e6a4c9f9b3a90f4104f8a90.png
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