Socket 编程

Posted 2020-11-26 fdy-study-consist

tags:

篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了Socket 编程相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

套接字（socket）是一个抽象层，应用程序可以通过它发送或接收数据，可对其进行像对文件一样的打开、读写和关闭等操作。套接字允许应用程序将I/O插入到网络中，并与网络中的其他应用程序进行通信。网络套接字是IP地址与端口的组合。

传输层实现端到端的通信，因此，每一个传输层连接有两个端点。那么，传输层连接的端点是什么呢？不是主机，不是主机的IP地址，不是应用进程，也不是传输层的协议端口。传输层连接的端点叫做套接字（socket）。根据RFC793的定义：端口号拼接到IP地址就构成了套接字。所谓套接字，实际上是一个通信端点，每个套接字都有一个套接字序号，包括主机的IP地址与一个16位的主机端口号，即形如（主机IP地址：端口号）。例如，如果IP地址是210.37.145.1，而端口号是23，那么得到套接字就是（210.37.145.1：23）。

总之，套接字Socket=（IP地址：端口号），套接字的表示方法是点分十进制的IP地址后面写上端口号，中间用冒号或逗号隔开。每一个传输层连接唯一地被通信两端的两个端点（即两个套接字）所确定。

套接字可以看成是两个网络应用程序进行通信时，各自通信连接中的一个端点。通信时，其中的一个网络应用程序将要传输的一段信息写入它所在主机的Socket中，该Socket通过网络接口卡的传输介质将这段信息发送给另一台主机的Socket中，使这段信息能传送到其他程序中。因此，两个应用程序之间的数据传输要通过套接字来完成。

在网络应用程序设计时，由于TCP/IP的核心内容被封装在操作系统中，如果应用程序要使用TCP/IP，可以通过系统提供的TCP/IP的编程接口来实现。在Windows环境下，网络应用程序编程接口称作Windows Socket。为了支持用户开发面向应用的通信程序，大部分系统都提供了一组基于TCP或者UDP的应用程序编程接口（API），该接口通常以一组函数的形式出现，也称为套接字（Socket）。

Socket 编程

通信的步骤

套接字使用TCP提供了两台计算机之间的通信机制。客户端程序创建一个套接字，并尝试连接服务器的套接字。

当连接建立时，服务器会创建一个 Socket 对象。客户端和服务器现在可以通过对 Socket 对象的写入和读取来进行通信。

java.net.Socket 类代表一个套接字，并且 java.net.ServerSocket 类为服务器程序提供了一种来监听客户端，并与他们建立连接的机制。

以下步骤在两台计算机之间使用套接字建立TCP连接时会出现：

服务器实例化一个 ServerSocket 对象，表示通过服务器上的端口通信。
服务器调用 ServerSocket 类的 accept() 方法，该方法将一直等待，直到客户端连接到服务器上给定的端口。
服务器正在等待时，一个客户端实例化一个 Socket 对象，指定服务器名称和端口号来请求连接。
Socket 类的构造函数试图将客户端连接到指定的服务器和端口号。如果通信被建立，则在客户端创建一个 Socket 对象能够与服务器进行通信。
在服务器端，accept() 方法返回服务器上一个新的 socket 引用，该 socket 连接到客户端的 socket。

连接建立后，通过使用 I/O 流在进行通信，每一个socket都有一个输出流和一个输入流，客户端的输出流连接到服务器端的输入流，而客户端的输入流连接到服务器端的输出流。

简单实例操作,用maven创建的工程

创建客户端

package com.fdy.socket;

import java.io.*;
import java.net.Socket;

/**
 * @Description: Socket 客户端实例
 * javac -encoding utf-8 -d . GreetingServer.java进行编译
 * -encoding utf-8设置编译字符为utf-8
 */
public class GreetingClient {

    public static void main(String[] args) {
        String serverName= args[0];
        int port = Integer.parseInt(args[1]);
        System.out.println("连接到主机：" + serverName + " ，端口号：" + port);
        try {
            Socket client = new Socket(serverName, port); // 创建客户端
            System.out.println("远程主机地址: "+client.getRemoteSocketAddress());// 获取服务器地址
            OutputStream outToServer = client.getOutputStream(); // 输出到服务端的流
            DataOutputStream out = new DataOutputStream(outToServer);// 创建输出的

            out.writeUTF("Hello from "+client.getLocalSocketAddress());// 本地客户端的地址
            InputStream inFromServer = client.getInputStream();
            DataInputStream in = new DataInputStream(inFromServer);
            System.out.println("服务器响应： " + in.readUTF());
            client.close();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

创建服务端

package com.fdy.socket;

import java.io.DataInputStream;
import java.io.DataOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.net.SocketTimeoutException;

/**
 * @Description: Socket 服务端实例
 */
public class GreetingServer extends Thread{
    private ServerSocket serverSocket;

    public GreetingServer(int port) throws IOException {
        serverSocket= new ServerSocket(port);
        serverSocket.setSoTimeout(10000);
    }
    // 重写run方法
    @Override
    public void run() {
        while(true){
            try
            {
                System.out.println("等待远程连接，端口号为：" + serverSocket.getLocalPort() + "...");
                Socket server = serverSocket.accept();
                System.out.println("远程主机地址：" + server.getRemoteSocketAddress());
                DataInputStream in = new DataInputStream(server.getInputStream());
                System.out.println(in.readUTF());
                DataOutputStream out = new DataOutputStream(server.getOutputStream());
                out.writeUTF("谢谢连接我：" + server.getLocalSocketAddress() + "
Goodbye!");
                server.close();
            }catch(SocketTimeoutException s)
            {
                System.out.println("Socket timed out!");
                break;
            }catch(IOException e)
            {
                e.printStackTrace();
                break;
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {

        int port = Integer.parseInt(args[0]);
        try {
            GreetingServer greetingServer = new GreetingServer(port);
            greetingServer.run();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

然后进行编译和运行

编译命令:

技术图片

运行命令:

java -cp E:game01myMergeDemosocket_demosrcmainjavacomfdysocket com.fdy.socket.GreetingServer 6066

java -cp E:game01myMergeDemosocket_demosrcmainjavacomfdysocket com.fdy.socket.GreetingClient localhost 6066

运行结果:

技术图片

服务端结果:

技术图片

TCP 是一个双向的通信协议，因此数据可以通过两个数据流在同一时间发送.以下是一些类提供的一套完整的有用的方法来实现 socket。

同步和异步：同步和异步是针对应用程序和内核的交互而言的，同步指的是用户进程触发IO 操作并等待或者轮询的去查看IO 操作是否就绪，而异步是指用户进程触发IO 操作以后便开始做自己的事情，而当IO 操作已经完成的时候会得到IO 完成的通知。

以银行取款为例：

同步：自己亲自出马持银行卡到银行取钱（使用同步 IO 时，Java 自己处理IO 读写）；

异步：委托一小弟拿银行卡到银行取钱，然后给你（使用异步IO 时，Java 将 IO 读写委托给OS 处理，需要将数据缓冲区地址和大小传给OS(银行卡和密码)，OS 需要支持异步IO操作API）；

阻塞和非阻塞：阻塞和非阻塞是针对于进程在访问数据的时候，根据IO操作的就绪状态来采取的不同方式，说白了是一种读取或者写入操作方法的实现方式，阻塞方式下读取或者写入函数将一直等待，而非阻塞方式下，读取或者写入方法会立即返回一个状态值。

以银行取款为例：

阻塞： ATM排队取款，你只能等待（使用阻塞IO时，Java调用会一直阻塞到读写完成才返回）；

非阻塞 ：柜台取款，取个号，然后坐在椅子上做其它事，等号广播会通知你办理，没到号你就不能去，你可以不断问大堂经理排到了没有，大堂经理如果说还没到你就不能去（使用非阻塞IO时，如果不能读写Java调用会马上返回，当IO事件分发器通知可读写时再继续进行读写，不断循环直到读写完成）

1.BIO 编程

Blocking IO：同步阻塞的编程方式。

BIO编程方式通常是在JDK1.4版本之前常用的编程方式。编程实现过程为：首先在服务端启动一个ServerSocket来监听网络请求，客户端启动Socket发起网络请求，默认情况下ServerSocket回建立一个线程来处理此请求，如果服务端没有线程可用，客户端则会阻塞等待或遭到拒绝。

且建立好的连接，在通讯过程中，是同步的。在并发处理效率上比较低。大致结构如下：

同步并阻塞，服务器实现模式为一个连接一个线程，即客户端有连接请求时服务器端就需要启动一个线程进行处理，如果这个连接不做任何事情会造成不必要的线程开销，当然可以通过线程池机制改善。

BIO方式适用于连接数目比较小且固定的架构，这种方式对服务器资源要求比较高，并发局限于应用中，JDK1.4以前的唯一选择，但程序直观简单易理解。

使用线程池机制改善后的BIO模型图如下:

2.NIO 编程：Unblocking IO（New IO）：同步非阻塞的编程方式。

NIO本身是基于事件驱动思想来完成的，其主要想解决的是BIO的大并发问题，NIO基于Reactor，当socket有流可读或可写入socket时，操作系统会相应的通知引用程序进行处理，应用再将流读取到缓冲区或写入操作系统。也就是说，这个时候，已经不是一个连接就要对应一个处理线程了，而是有效的请求，对应一个线程，当连接没有数据时，是没有工作线程来处理的。

NIO的最重要的地方是当一个连接创建后，不需要对应一个线程，这个连接会被注册到多路复用器上面，所以所有的连接只需要一个线程就可以搞定，当这个线程中的多路复用器进行轮询的时候，发现连接上有请求的话，才开启一个线程进行处理，也就是一个请求一个线程模式。

在NIO的处理方式中，当一个请求来的话，开启线程进行处理，可能会等待后端应用的资源(JDBC连接等)，其实这个线程就被阻塞了，当并发上来的话，还是会有BIO一样的问题

3.AIO编程：Asynchronous IO：异步非阻塞的编程方式。

与NIO不同，当进行读写操作时，只须直接调用API的read或write方法即可。这两种方法均为异步的，对于读操作而言，当有流可读取时，操作系统会将可读的流传入read方法的缓冲区，并通知应用程序；对于写操作而言，当操作系统将write方法传递的流写入完毕时，操作系统主动通知应用程序。即可以理解为，read/write方法都是异步的，完成后会主动调用回调函数。在JDK1.7中，这部分内容被称作NIO.2，主要在java.nio.channels包下增加了下面四个异步通道：AsynchronousSocketChannel、AsynchronousServerSocketChannel、AsynchronousFileChannel、AsynchronousDatagramChannel

bio示例

client示例：

package com.fdy.socket;
import java.io.*;
import java.net.Socket;
import java.util.Scanner;

/**
 * @Description:
 */
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        String host = null;
        int port = 0;
        if(args.length > 2){
            host = args[0];
            port = Integer.parseInt(args[1]);
        }else{
            host = "127.0.0.1";
            port = 9999;
        }

        Socket socket = null;
        BufferedReader reader = null;
        PrintWriter writer = null;
        Scanner s = new Scanner(System.in);
        try{
            socket = new Socket(host, port);
            String message = null;

            reader = new BufferedReader(
                    new InputStreamReader(socket.getInputStream(), "UTF-8"));
            writer = new PrintWriter(
                    socket.getOutputStream(), true);
            while(true){
                message = s.nextLine();
                if(message.equals("exit")){// 输入为exit就退出客户端
                    break;
                }
                writer.println(message);
                writer.flush();
                System.out.println(reader.readLine());
            }
        }catch(Exception e){
            e.printStackTrace();
        }finally{
            if(socket != null){
                try {
                    socket.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            socket = null;
            if(reader != null){
                try {
                    reader.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            reader = null;
            if(writer != null){
                writer.close();
            }
            writer = null;
        }
    }
}

server实例:

package com.fdy.socket;

import java.io.*;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

/**
 * @Description:*/
public class Server {

    public static void main(String[] args) {
        int port = genPort(args);// 设置服务器端口
        ServerSocket server = null;
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(50);// 创建线程池
        try{
            server = new ServerSocket(port);
            System.out.println("server started!");
            while(true){
                Socket socket = server.accept();// 等待客户端的请求
                service.execute(new Handler(socket));
            }
        }catch(Exception e){
            e.printStackTrace();
        }finally{
            if(server != null){
                try {
                    server.close();// 关闭客户端
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            server = null;
        }
    }

    static class Handler implements Runnable{
        Socket socket = null;
        public Handler(Socket socket){
            this.socket = socket;
        }

        public void run() {
            BufferedReader reader = null;
            PrintWriter writer = null;
            try{
                System.out.println(socket.getRemoteSocketAddress());
                System.out.println(socket.getLocalSocketAddress());
                reader = new BufferedReader(
                        new InputStreamReader(socket.getInputStream(), "UTF-8"));
                writer = new PrintWriter(
                        new OutputStreamWriter(socket.getOutputStream(), "UTF-8"));
                String readMessage = null;
                while(true){
                    System.out.println("server reading... ");
                    if((readMessage = reader.readLine()) == null){
                        break;
                    }
                    System.out.println(readMessage);
                    writer.println("server recive : " + readMessage);
                    writer.flush();
                }
            }catch(Exception e){
                e.printStackTrace();
            }finally{
                if(socket != null){
                    try {
                        socket.close();
                    } catch (IOException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                socket = null;
                if(reader != null){
                    try {
                        reader.close();
                    } catch (IOException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                reader = null;
                if(writer != null){
                    writer.close();
                }
                writer = null;
            }
        }

    }

    private static int genPort(String[] args){
        if(args.length > 0){
            try{
                return Integer.parseInt(args[0]);
            }catch(NumberFormatException e){
                return 9999;
            }
        }else{
            return 9999;
        }
    }

}

直接进行运行即可.

资料来源: https://www.runoob.com/java/java-networking.html

　　　　 https://baike.baidu.com/

以上是关于Socket 编程的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

VSCode自定义代码片段——JS中的面向对象编程

VSCode自定义代码片段9——JS中的面向对象编程

使用 Pygments 检测代码片段的编程语言

面向面试编程代码片段之GC

如何在 Django Summernote 中显示编程片段的代码块？

Linux系统编程—网络编程—socket代码实现