这可能是最容易入门的socket教程了

Posted 2021-03-23 nedulee

前言：

　　如今，网络编程已然成为了一个后端开发工程师需要具备的核心技能之一。因此，该博客力求提供最简单、通俗的描述方式，来描绘网络编程中常见的知识点，同时附带代码示例，后期会加上具体的抓包分析，实际项目、框架案例，希望可以和大家共同探索网络世界。

什么是socket？

　　在计算机通讯领域，socket被翻译为“套接字”。

　　但是这种翻译方法其实是不优雅的，因为从字面意思来看，我们并不能很直白的理解socket的具体用途。如果可以的话，我更希望它被翻译成“通讯插头”。

 

 

　　我们可以这样想象一下，现在有一根“网线”，一头连接着客户端，一头连接着服务器，客户端和服务器的数据通过这跟“网线”来进行传输，而socket的作用，其实就相当于连接网线的插头。在通讯之前，客户端和服务器都要建立一个socket。

socket在网络编程中的位置

socket是基于TCP、UDP协议的，如果你熟悉TCP/IP协议。你就会知道，TCP、UDP属于传输层。由于我们主要是学习Socket，所以这里只是简单介绍一下这两种协议：

1. 1. TCP是面向连接的、UDP是面向无连接的，所谓面向连接，指的就是通讯双方会维护一组状态，保证连接的可靠性。
   2. TCP的数据包结构相对复杂，而UDP则相对简单。无论是TCP还是UDP，他们的包头上都应该有端口号和目标端口号，TCP的包头上有序号（顺序），确认序号（不丢包）、窗口大小（流量控制 & 拥塞控制）、状态码（FIN ACK SYN）等。TCP和UDP的包头如下图。
   3. TCP数据传输方式是基于数据流的，而UDP则是基于数据报。

 

udp包头

 

 

 tcp包头

（我们将在其他博文中对TCP和UDP进行具体讲解）

　一个包在网络中传输，一定不会只有上层没下层。TCP、UDP处于传输层。TCP/IP协议从上到下分别为：应用层、传输层、网络层、链路层、物理层。所以传输层的数据包想要在网络中传输，除了端口号，我们还需要网络层中的ip地址（网络层）。socket的创建需要提供的信息就是 ip+端口。

如何使用socket：

TCP是基于数据流的，所以如果是基于TCP的Socket，我们就需要建立连接，然后获取数据流，再进行通讯，每对连接需要建立一组socket，具体步骤如下：

 

 

代码：

服务器：

import java.io.BufferedReader;
import java.io.BufferedWriter;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.OutputStream;
import java.io.OutputStreamWriter;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

/**
 * 服务器.
 *
 * @author jialin.li
 * @date 2019-12-10 19:45
 */
public class TcpServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        int port = 8099;
        ServerSocket connectionSocket = new ServerSocket(port);
        // 监听端口，accept为阻塞方法
        System.out.println("Get socket successfully, wait for request...");
        Socket communicationSocket = connectionSocket.accept();
        // 获取输入流，读取数据
        InputStream inputStream = communicationSocket.getInputStream();
        InputStreamReader inputStreamReader = new InputStreamReader(inputStream);
        BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(inputStreamReader);
        String message;
        while ((message = bufferedReader.readLine()) != null) {
            System.out.printf("get message from client : %s",message);
        }
        communicationSocket.shutdownInput();
        // 获取输出流,返回结果
        OutputStream outputStream = communicationSocket.getOutputStream();
        OutputStreamWriter outputStreamWriter = new OutputStreamWriter(outputStream);
        BufferedWriter bufferedWriter = new BufferedWriter(outputStreamWriter);
        bufferedWriter.write("I got your message and the communication is over.");
        bufferedWriter.flush();
        communicationSocket.shutdownOutput();
        // 关闭资源
        bufferedWriter.close();
        bufferedReader.close();
    }
}

客户端：

import java.io.BufferedReader;
import java.io.BufferedWriter;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.OutputStream;
import java.io.OutputStreamWriter;
import java.net.Socket;

/**
 * 客户端.
 *
 * @author jialin.li
 * @date 2019-12-10 22:30
 */
public class TcpClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 指定ip 端口，创建socket
        String host = "127.0.0.1";
        int port = 8099;
        Socket communicationSocket = new Socket(host, port);
        // 获取输出流,写入数据
        OutputStream outputStream = communicationSocket.getOutputStream();
        OutputStreamWriter outputStreamWriter = new OutputStreamWriter(outputStream);
        BufferedWriter bufferedWriter = new BufferedWriter(outputStreamWriter);
        bufferedWriter.write("hello world");
        bufferedWriter.flush();
        communicationSocket.shutdownOutput();
        // 获取输入流,读取服务器返回信息
        InputStream inputStream = communicationSocket.getInputStream();
        InputStreamReader inputStreamReader = new InputStreamReader(inputStream);
        BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(inputStreamReader);
        String message;
        while ((message = bufferedReader.readLine()) != null) {
            System.out.printf("get message from server : %s", message);
        }
        communicationSocket.shutdownInput();
        // 关闭资源
        bufferedWriter.close();
        bufferedReader.close();
    }
}

执行结果：

server：

Get socket successfully, wait for request...
get message from client : hello world

client：

get message from server : I got your message and the communication is over.

outputStream.close与shutdownOutput的区别：

　　这里只对outputStream进行分析，inputStream与之相同。

　　可以看出，上述代码，我们在执行完输入/输出动作之后，会调用一个shutdownInput/shutdownOutput方法，这个方法有什么作用呢？可不可以用close方法替代？

　　首先，我们阅读jdk中关于该方法的doc注释：

Disables the output stream for this socket.
For a TCP socket, any previously written data will be sent
followed by TCP‘s normal connection termination sequence.

If you write to a socket output stream after invoking
shutdownOutput() on the socket, the stream will throw
an IOException.

　　大体意思是说，该方法会禁用socket的输出流，对于基于TCP协议的Socket，任何在方法执行之前发送数据，都可以被正常发送，如果在这个方法执行后发送数据，就会抛出一个IO异常。通过该方法关闭流，Socket连接不会收到影响，但是如果我们直接使用close方法关闭流，那么Socket连接也会随之关闭。接下来我们来测试一下，在Server中用inputStream.close来代替socket.shutdownInput方法。

结果是由于inputStream.close提前关闭了socket，导致服务器在输出数据的时，socket.getOutputStream方法抛出异常：java.net.SocketException: Socket is closed　

为什么我们每次调用BufferedWrite的write方法，都要调用flush方法：

　　这个问题不属于网络编程的范畴，但却是我们在写socket程序时，很容易犯的一个错误。bufferedWrite是字符缓存流，它的原理其实很简单，在内存中设置一个缓存区，将原本逐个发送的字符缓存起来，批量发送（有很多框架也采用了这种思想，比如kafka的批量发送），flush方法是手动的将我们缓存区中的数据刷出。缓存区中的数据，将会在流关闭之前，进行flush。但是由于我们在发送数据之后，调用了shutdownOutput方法，导致最后close的时候，没办法将缓存区中的数据flush，因此会抛出一个写入失败的异常：java.net.SocketException: Broken pipe (Write failed)。

UDP是基于数据报的，因此不需要每对连接都建立一组socket，而是只要有一个socket，就能与多个客户端通讯，所以只需要通过创建数据报，然后通过socket发送即可，具体步骤如下：

代码：

服务器：

import java.net.DatagramPacket;
import java.io.IOException;
import java.net.DatagramSocket;

/**
 * 服务器.
 *
 * @author jialin.li
 * @date 2019-12-10 19:45
 */
public class UdpServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 监听端口，阻塞方法
        int port = 8099;
        DatagramSocket socket = new DatagramSocket(port);
        // 创建数据报，用于接收客户端发送的数据
        byte[] data = new byte[1024];
        DatagramPacket packet = new DatagramPacket(data, data.length);
        // 接收客户端发送的数据
        System.out.println("Get socket successfully, wait for request...");
        socket.receive(packet);
        String message = new String(data, 0, packet.getLength());
        System.out.printf("get message from client : %s", message);

        // 向客户端发送数据
        byte[] data2 = "I got your message and the communication is over.".getBytes();
        DatagramPacket packet2 = new DatagramPacket(data2, data2.length, packet.getAddress(), packet.getPort());
        socket.send(packet2);
        socket.close();
    }
}

客户端：

import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.InetAddress;

/**
 * 客户端.
 *
 * @author jialin.li
 * @date 2019-12-11 11:32
 */
public class UdpClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 封装数据报：ip、端口、数据
        InetAddress ip = InetAddress.getByName("127.0.0.1");
        int port = 8099;
        byte[] data = "hello world".getBytes();
        DatagramPacket packet = new DatagramPacket(data, data.length, ip, port);
        // 创建socket，发送数据报
        DatagramSocket socket = new DatagramSocket();
        socket.send(packet);

        // 读取服务器返回信息
        byte[] data2 = new byte[1024];
        DatagramPacket packet2 = new DatagramPacket(data2, data2.length);
        socket.receive(packet2);
        // 读取数据
        String message = new String(data2, 0, packet2.getLength());
        System.out.printf("get message from server : %s", message);
        //关闭资源
        socket.close();
    }
}