TCP编程

黑派客     最近更新时间:2020-01-17 09:35:49

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在开发网络应用程序的时候,我们又会遇到Socket这个概念。Socket是一个抽象概念,一个应用程序通过一个Socket来建立一个远程连接,而Socket内部通过TCP/IP协议把数据传输到网络:

┌───────────┐                                   ┌───────────┐
│Application│                                   │Application│
├───────────┤                                   ├───────────┤
│  Socket   │                                   │  Socket   │
├───────────┤                                   ├───────────┤
│    TCP    │                                   │    TCP    │
├───────────┤      ┌──────┐       ┌──────┐      ├───────────┤
│    IP     │<────>│Router│<─────>│Router│<────>│    IP     │
└───────────┘      └──────┘       └──────┘      └───────────┘

Socket、TCP和部分IP的功能都是由操作系统提供的,不同的编程语言只是提供了对操作系统调用的简单的封装。例如,Java提供的几个Socket相关的类就封装了操作系统提供的接口。

为什么需要Socket进行网络通信?因为仅仅通过IP地址进行通信是不够的,同一台计算机同一时间会运行多个网络应用程序,例如浏览器、QQ、邮件客户端等。当操作系统接收到一个数据包的时候,如果只有IP地址,它没法判断应该发给哪个应用程序,所以,操作系统抽象出Socket接口,每个应用程序需要各自对应到不同的Socket,数据包才能根据Socket正确地发到对应的应用程序。

一个Socket就是由IP地址和端口号(范围是0~65535)组成,可以把Socket简单理解为IP地址加端口号。端口号总是由操作系统分配,它是一个0~65535之间的数字,其中,小于1024的端口属于特权端口,需要管理员权限,大于1024的端口可以由任意用户的应用程序打开。

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使用Socket进行网络编程时,本质上就是两个进程之间的网络通信。其中一个进程必须充当服务器端,它会主动监听某个指定的端口,另一个进程必须充当客户端,它必须主动连接服务器的IP地址和指定端口,如果连接成功,服务器端和客户端就成功地建立了一个TCP连接,双方后续就可以随时发送和接收数据。

因此,当Socket连接成功地在服务器端和客户端之间建立后:

  • 对服务器端来说,它的Socket是指定的IP地址和指定的端口号;

  • 对客户端来说,它的Socket是它所在计算机的IP地址和一个由操作系统分配的随机端口号。

服务器端

要使用Socket编程,我们首先要编写服务器端程序。Java标准库提供了ServerSocket来实现对指定IP和指定端口的监听。ServerSocket的典型实现代码如下:

public class Server {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ServerSocket ss = new ServerSocket(6666); // 监听指定端口
        System.out.println("server is running...");        for (;;) {
            Socket sock = ss.accept();
            System.out.println("connected from " + sock.getRemoteSocketAddress());
            Thread t = new Handler(sock);
            t.start();
        }
    }
}class Handler extends Thread {
    Socket sock;    public Handler(Socket sock) {        this.sock = sock;
    }    @Override
    public void run() {        try (InputStream input = this.sock.getInputStream()) {            try (OutputStream output = this.sock.getOutputStream()) {
                handle(input, output);
            }
        } catch (Exception e) {            try {                this.sock.close();
            } catch (IOException ioe) {
            }
            System.out.println("client disconnected.");
        }
    }    private void handle(InputStream input, OutputStream output) throws IOException {
        var writer = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(output, StandardCharsets.UTF_8));
        var reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(input, StandardCharsets.UTF_8));
        writer.write("hello\n");
        writer.flush();        for (;;) {
            String s = reader.readLine();            if (s.equals("bye")) {
                writer.write("bye\n");
                writer.flush();                break;
            }
            writer.write("ok: " + s + "\n");
            writer.flush();
        }
    }
}

服务器端通过代码:

ServerSocket ss = new ServerSocket(6666);

在指定端口6666监听。这里我们没有指定IP地址,表示在计算机的所有网络接口上进行监听。

如果ServerSocket监听成功,我们就使用一个无限循环来处理客户端的连接:

for (;;) {
    Socket sock = ss.accept();
    Thread t = new Handler(sock);
    t.start();}

注意到代码ss.accept()表示每当有新的客户端连接进来后,就返回一个Socket实例,这个Socket实例就是用来和刚连接的客户端进行通信的。由于客户端很多,要实现并发处理,我们就必须为每个新的Socket创建一个新线程来处理,这样,主线程的作用就是接收新的连接,每当收到新连接后,就创建一个新线程进行处理。

我们在多线程编程的章节中介绍过线程池,这里也完全可以利用线程池来处理客户端连接,能大大提高运行效率。

如果没有客户端连接进来,accept()方法会阻塞并一直等待。如果有多个客户端同时连接进来,ServerSocket会把连接扔到队列里,然后一个一个处理。对于Java程序而言,只需要通过循环不断调用accept()就可以获取新的连接。

客户端

相比服务器端,客户端程序就要简单很多。一个典型的客户端程序如下:

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