简单的服务器 TCP版本 熟悉其 API 网络

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了简单的服务器 TCP版本 熟悉其 API 网络相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

前言: 上篇,我们写了 UDP 版本的简单服务器,本篇通过写一个简单的服务器来了解 TCP 的常用API

目录

TCP 版本 (以长连接为例)

面向字节流

服务器程序

流程梳理:

  1. 初始化服务器
  2. 进入主循环
    2.1) 先从内核中获取到一个 TCP 连接
    2.2) 处理 TCP 连接
    a) 读取请求并解析
    b) 根据请求计算响应
    c) 把响应结果写到客户端

仍以简单的 echo sever 为例

1.初始化操作

// 创建一个 socket 对象
private ServerSocket serverSocket = null;

public TcpEchoServer(int port) throws IOException 
    // 和 UDP 类似,绑定端口号
    serverSocket = new ServerSocket(port);

2.1 从内核中获取到一个 TCP 连接

Socket clientSocket = serverSocket.accept();

TCP 连接管理是由操作系统内核来管理的
所谓的连接管理:先描述(通信中的五元组),再组织(使用一个阻塞队列来组织若干个对象)
.
客户端和服务器建立连接的过程,完全由内核来进行负责,应用程序的代码感知不到
当连接建立成功,此时内核已经把这个连接对象放到阻塞队列中了
.
代码中调用的 accept: 就是从阻塞队列中取出一个连接对象(在应用程序中的化身就是 Socket 对象)
若服务器启动之后,没有客户端进行连接,此时代码中调用 accept 就会阻塞,阻塞到真的有客户端建立连接为止

2.2 处理 TCP 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());
    // 通过 clientSocket 来和客户端交互,先做好准备工作, 获取到 clientSocket 中的流对象
    try (BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream()));
         BufferedWriter bufferedWriter = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(clientSocket.getOutputStream()))) 
     catch (IOException ioException) 
        ioException.printStackTrace();
    

clientSocket 里有 getInputStream( ) 方法,和 getOutputStream( ) 方法
此处得到的两个对象都是 “字节流
InputStream,用来进行读取
OutputStream,用来进行写入
.

private void processConnection(Socket clientSocket) 
	System.out.printf("[%s:%d] 客户端上线\\n", clientSocket.getInetAddress().toString(),
						clientSocket.getPort());
	// 通过 clientSocket 来和客户端交互,先做好准备工作, 获取到 clientSocket 中的流对象
	try (BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream()));
		 BufferedWriter bufferedWriter = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(clientSocket.getOutputStream()))) 
	// 此处实现一个 "长连接" 版本的服务器
	// 一次连接的处理过程中需要处理多个请求和响应
	// 当客户端断开连接时,服务器再调用 readLine 或 write都会触发异常 (IOException),循环结束
	while (true)
	// a)读取请求并解析
	String request = bufferedReader.readLine(); // 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)把响应写回客户端
	bufferedWriter.write(response + "\\n"); // 因为客户端要按行来读
	bufferedWriter.flush(); // 刷新缓冲区
	
	// 打印日志
	System.out.printf("[%s:%d] req: %s; resp: %s\\n",clientSocket.getInetAddress().toString(),
					clientSocket.getPort(),request,response);
	

 catch (IOException e) 
	System.out.printf("[%s:%d] 客户端下线\\n", clientSocket.getInetAddress().toString(),
					clientSocket.getPort());
	

附完整代码:

public class TcpEchoServer 
    // 创建一个 socket 对象
    private ServerSocket serverSocket = null;

    public TcpEchoServer(int port) throws IOException 
        // 和 UDP 类似,绑定端口号
        serverSocket = new ServerSocket(port);
    

    public void start() throws IOException 
        System.out.println("服务器启动..");
        while (true)
            // 2.1) 先从内核中获取到一个 TCP 连接
            Socket clientSocket = serverSocket.accept();
            // 2.2) 处理 TCP 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());
        // 通过 clientSocket 来和客户端交互,先做好准备工作, 获取到 clientSocket 中的流对象
        try (BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream()));
             BufferedWriter bufferedWriter = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(clientSocket.getOutputStream()))) 
            // 此处实现一个 "长连接" 版本的服务器
            // 一次连接的处理过程中需要处理多个请求和响应
            // 当客户端断开连接时,服务器再调用 readLine 或 write都会触发异常 (IOException),循环结束
            while (true)
                // a)读取请求并解析
                String request = bufferedReader.readLine(); // 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)把响应写回客户端
                bufferedWriter.write(response + "\\n"); // 因为客户端要按行来读
				bufferedWriter.flush(); // 刷新缓冲区
				
                // 打印日志
                System.out.printf("[%s:%d] req: %s; resp: %s\\n",clientSocket.getInetAddress().toString(),
                        clientSocket.getPort(),request,response);
            

         catch (IOException e) 
            System.out.printf("[%s:%d] 客户端下线\\n", clientSocket.getInetAddress().toString(),
                    clientSocket.getPort());
        
    

    public String process(String request) 
        // 回显服务器
        return request;
    

    public static void main(String[] args) throws IOException 
        TcpEchoServer server = new TcpEchoServer(6060);
        server.start();
    

服务器的处理方式:

TCP发送数据时,需要先建立连接,什么时候关闭连接就决定是短连接还是长连接

短连接

一个连接中,客户端和服务器之间只交互一次,交互完毕,就断开连接
每次接收到数据并返回响应后,都关闭连接;也就是说,短连接只能一次收发数据

长连接

一个连接中,客户端和服务器之间交互 N 次,直到满足一定条件再断开连接
不关闭连接,一直保持连接状态,双方不停的收发数据;也就是说,长连接可以多次收发数据
一般认为,长连接效率更高,避免了反复建立连接和断开连接的过程

客户端程序

核心流程:

  1. 启动客户端(一定不要绑定端口号),和服务器建立连接
  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 
	// 此处实例化 socket 过程,就是在建立 TCP连接
	socket = new Socket(serverIP,serverPort);

a) 读取用户输入内容

System.out.print("-> ");
String request = scan.nextLine();
if(request.equals("exit"))
    break;

此处的读操作也会阻塞 (用户不一定立刻就输入) —— 阻塞等待用户输入数据
若发生生阻塞,则一直阻塞到用户真的输入了数据为止

b) 构造一个请求发送给服务器

bufferedWriter.write(request + "\\n"); 
// "\\n" 为了和服务器中的 readLine 相对应

bufferedWriter.flush();  // 刷新缓冲区

此处的 write 发送成功后,服务器就会从 readLine 中返回
注意: 有缓冲区的 IO操作,真正传输数据,需要刷新缓冲区

c) 读取服务器响应数据

String response = bufferedReader.readLine();

在服务器返回数据之前,此处的 readLine 也会阻塞 —— 阻塞等待服务器返回响应

d) 把响应数据显示到界面上

System.out.println(response);

完整代码:

public class TcpEchoClient 
    private Socket socket = null;

    public TcpEchoClient(String serverIP,int serverPort) throws IOException 
        // 此处实例化 socket 过程,就是在建立 TCP连接
        socket = new Socket(serverIP,serverPort);
    

    public void start()
        System.out.println("客户端启动...");
        Scanner scan = 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.print("-> ");
                String request = scan.nextLine();
                if(request.equals("exit"))
                    break;
                
                // b)构造一个请求发送给服务器
                bufferedWriter.write(request + "\\n"); // "\\n" 为了和服务器中的 readLine 相对应
                bufferedWriter.flush();  // 刷新缓冲区
                // c)读取服务器响应数据
                String response = bufferedReader.readLine();
                // d)把响应数据显示到界面上
                System.out.println(response);
            
         catch (IOException e) 
            e.printStackTrace();
        
    
    public static void main(String[] args) throws IOException 
    	TcpEchoClient client = new TcpEchoClient("127.0.0.1",6060);
    	client.start();
    

多线程改进服务器

上述代码:是一个服务器只能给一个客户端服务,那这个服务器太low了,可以使用多线程对其改进:

代码实现:

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..");

        // 此处的 while 可以反复快速的调用到 accept ,于是就可以同时处理多个客户端的连接了
        while (true)
            Socket clientSocket = serverSocket.accept();
            // 针对这个连接,单独创建一个线程进行处理
            Thread t = new Thread()
                @Override
                public void run()
                    // accept 和 processConnection 是并发执行的
                    processConnection(clientSocket);
                
            ;
            t.start();
        
    
    public 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(); // 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)把响应写回客户端
                bufferedWriter.write(response + "\\n"); // 因为客户端要按行来读
                bufferedWriter.flush(); // 刷新缓冲区

                // 打印日志
                System.out.printf("[%s:%d] req: %s; resp: %s\\n",clientSocket.getInetAddress().toString(),
                        clientSocket.getPort(),request,response);
            
         catch (IOException e) 
            e.printStackTrace();
        
    

    public String process(String request) 
        return request;
    

    public static void main(String[] args) throws IOException 
        TcpThreadEchoServer server = new TcpThreadEchoServer(6060);
        server.start();
    


先接收请求,再分配线程
主线程专门负责 accept,其他线程负责和客户端具体沟通

虽然使用多线程解决了 “一个服务器只能给一个客户端服务” 的问题
但是,每次来一个客户端,都要分配一个线程,对于一个服务器来说,随时可能会来大量的客户端,随时也会有大量的客户端断开连接,那么服务器也就需要频繁的创建和销毁线程 (线程的创建和销毁比较轻量,但是也"来不住"量大)
那么,就可以使用 线程池 来解决

线程池再改进:

通过使用线程池,就可以节省频繁创建和销毁线程带来的开销

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..");

        // 创建一个线程池实例
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();

        // 此处的 while 就可以反复快速的调用到 accept ,于是就可以同时处理多个客户端的连接了
        while (true)
            Socket clientSocket = serverSocket.accept();

            // 针对这个连接,单独创建一个线程进行处理
            executorService.execute(new Runnable() 
                @Override
                public void run() 
                    processConnection(clientSocket);
                
            );
        
    
    public 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(); // 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)把响应写回客户端
                bufferedWriter.write(response + "\\n"); // 因为客户端要按行来读
                bufferedWriter.flush(); // 刷新缓冲区

                // 打印日志
                System.out.printf("[%s:%d] req: %s; resp: %s\\n",clientSocket.getInetAddress().toString(),
                        clientSocket.getPort(),request,response);
            
         catch (IOException e) 
            e.printStackTrace();
        
    

    public String process(String request) 
        return request;
    

    public static void main(String[] args) throws IOException 
        TcpThreadPoolEchoServer server = new TcpThreadPoolEchoServer(6060);
        server.start();
    

总结

方法总结:

  1. ServerSocket API

ServerSocket 是创建TCP服务端Socket的API

  • ServerSocket 构造方法
方法签名方法说明
ServerSocket(int port)创建一个服务端流套接字Socket,并绑定到指定端口