Socket编程

Posted 2020-11-06 Janeiro

  对TCP/IP、UDP、Socket编程这些词你不会很陌生吧？随着网络技术的发展，这些词充斥着我们的耳朵。那么我想问：

1.         什么是TCP/IP、UDP？
2.         Socket在哪里呢？
3.         Socket是什么呢？
4.         你会使用它们吗？

什么是TCP/IP、UDP？

         TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）即传输控制协议/网间协议，是一个工业标准的协议集，它是为广域网（WANs）设计的。
         UDP（User Data Protocol，用户数据报协议）是与TCP相对应的协议。它是属于TCP/IP协议族中的一种。
        这里有一张图，表明了这些协议的关系。

                                                                                

                                                                        图1

       TCP/IP协议族包括运输层、网络层、链路层。现在你知道TCP/IP与UDP的关系了吧。
Socket在哪里呢？
       在图1中，我们没有看到Socket的影子，那么它到底在哪里呢？还是用图来说话，一目了然。

 

图2

       原来Socket在这里。
Socket是什么呢？
       Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层，它是一组接口。在设计模式中，Socket其实就是一个门面模式，它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面，对用户来说，一组简单的接口就是全部，让Socket去组织数据，以符合指定的协议。
你会使用它们吗？
       前人已经给我们做了好多的事了，网络间的通信也就简单了许多，但毕竟还是有挺多工作要做的。以前听到Socket编程，觉得它是比较高深的编程知识，但是只要弄清Socket编程的工作原理，神秘的面纱也就揭开了。
       一个生活中的场景。你要打电话给一个朋友，先拨号，朋友听到电话铃声后提起电话，这时你和你的朋友就建立起了连接，就可以讲话了。等交流结束，挂断电话结束此次交谈。    生活中的场景就解释了这工作原理，也许TCP/IP协议族就是诞生于生活中，这也不一定。

      

图3

       先从服务器端说起。服务器端先初始化Socket，然后与端口绑定(bind)，对端口进行监听(listen)，调用accept阻塞，等待客户端连接。在这时如果有个客户端初始化一个Socket，然后连接服务器(connect)，如果连接成功，这时客户端与服务器端的连接就建立了。客户端发送数据请求，服务器端接收请求并处理请求，然后把回应数据发送给客户端，客户端读取数据，最后关闭连接，一次交互结束。
       在这里我就举个简单的例子，我们走的是TCP协议这条路（见图2）。例子用MFC编写，运行的界面如下：

 

图4

 

图5

       在客户端输入服务器端的IP地址和发送的数据，然后按发送按钮，服务器端接收到数据，然后回应客户端。客户端读取回应的数据，显示在界面上。

       下面是接收数据和发送数据的函数：

 

 

 

ServerSocket类
   创建一个ServerSocket类，同时在运行该语句的计算机的指定端口处建立一个监听服务，如：
    ServerSocket MyListener=new ServerSocket(600)；
    这里指定提供监听服务的端口是600，一台计算机可以同时提供多个服务，这些不同的服务之间通过端口号来区别，不同的端口号上提供不同的服务。为了随时监听可能的Client请求，执行如下的语句：
    Socket LinkSocket=MyListener．accept()；
    该语句调用了ServerSocket对象的accept()方法，这个方法的执行将使Server端的程序处于等待状态，程序将一直阻塞直到捕捉到一个来自Client端的请求，并返回一个用于与该Client通信的Socket对象Link-Socket。此后Server程序只要向这个Socket对象读写数据，就可以实现向远端的Client读写数据。结束监听时，关闭ServerSocket对象：
    Mylistener．close()；

是用作服务器端程序设计的
    在服务器端，利用ServerSocket类的构造函数ServerSocket(int port)创建一个ServerSocket类的对象，port参数传递端口，这个端口就是服务器监听连接请求的端口，如果在这时出现错误将抛出IOException异常对象，否则将创建ServerSocket对象并开始准备接收连接请求。
    服务程序从调用ServerSocket的accept()方法开始，直到连接建立。在建立连接后，accept()返回一个最近创建的Socket对象，该Socket对象绑定了客户程序的IP地址或端口号。

Socket类
    当Client程序需要从Server端获取信息及其他服务时，应创建一个Socket对象：
    Socket MySocket=new Socket(“ServerComputerName”，600)；
    Socket类的构造函数有两个参数，第一个参数是欲连接到的Server计算机的主机地址，第二个参数是该Server机上提供服务的端口号。
    Socket对象建立成功之后，就可以在Client和Server之间建立一个连接，并通过这个连接在两个端点之间传递数据。利用Socket类的方法getOutputStream()和getInputStream()分别获得向Socket读写数据的输入／输出流，最后将从Server端读取的数据重新返还到Server端。
    当Server和Client端的通信结束时，可以调用Socket类的close()方法关闭Socket，拆除连接。

ServerSocket 一般仅用于设置端口号和监听，真正进行通信的是服务器端的Socket与客户端的Socket，在ServerSocket 进行accept之后，就将主动权转让了。

客户端程序设计
    当客户程序需要与服务器程序通信时，需在客户机创建一个Socket对象。Socket类有构造函数Socket(InetAddress addr，int port)和Socket(String host，intport)，两个构造函数都创建了一个基于Socket的连接服务器端流套接字的流套接字。对于第一个InetAd-dress子类对象通过addr参数获得服务器主机的IP地址，对于第二个函数host参数包被分配到InetAddress对象中，如果没有IP地址与host参数相一致，那么将抛出UnknownHostException异常对象。两个函数都通过参数port获得服务器的端口号。假设已经建立连接了，网络API将在客户端基于Socket的流套接字中捆绑客户程序的IP地址和任意一个端口号，否则两个函数都会抛出一个IOException对象。
    如果创建了一个Socket对象，那么它可通过get-InputStream()方法从服务程序获得输入流读传送来的信息，也可通过调用getOutputStream()方法获得输出流来发送消息。在读写活动完成之后，客户程序调用close()方法关闭流和流套接字。

 

交互过程

 

Socket与ServerSocket的交互，下面的图片我觉得已经说的很详细很清楚了。

 

Socket

构造函数

 

Socket()

Socket(InetAddress address, int port)throws UnknownHostException, IOException

Socket(InetAddress address, int port, InetAddress localAddress, int localPort)throws IOException

Socket(String host, int port)throws UnknownHostException, IOException

Socket(String host, int port, InetAddress localAddress, int localPort)throws IOException

 

除去第一种不带参数的之外，其它构造函数会尝试建立与服务器的连接。如果失败会抛出IOException错误。如果成功，则返回Socket对象。

InetAddress是一个用于记录主机的类，其静态getHostByName(String msg)可以返回一个实例，其静态方法getLocalHost()也可以获得当前主机的IP地址，并返回一个实例。Socket(String host, int port, InetAddress localAddress, int localPort)构造函数的参数分别为目标IP、目标端口、绑定本地IP、绑定本地端口。

 

Socket方法

getInetAddress();    　　远程服务端的IP地址

getPort();    　　　　　　远程服务端的端口

getLocalAddress()    　　本地客户端的IP地址

getLocalPort()    　　　　本地客户端的端口

getInputStream();    　获得输入流

getOutStream();    　　获得输出流

值得注意的是，在这些方法里面，最重要的就是getInputStream()和getOutputStream()了。

 

Socket状态

isClosed();        　　　　//连接是否已关闭，若关闭，返回true；否则返回false

isConnect();　　　　　　//如果曾经连接过，返回true；否则返回false

isBound();        　　　　//如果Socket已经与本地一个端口绑定，返回true；否则返回false

如果要确认Socket的状态是否处于连接中，下面语句是很好的判断方式。

boolean isConnection=socket.isConnected() && !socket.isClosed();   //判断当前是否处于连接

 

半关闭Socket

很多时候，我们并不知道在获得的输入流里面到底读多长才结束。下面是一些比较普遍的方法：

• 自定义标识符（譬如下面的例子，当受到“bye”字符串的时候，关闭Socket）
• 告知读取长度（有些自定义协议的，固定前几个字节表示读取的长度的）
• 读完所有数据
• 当Socket调用close的时候关闭的时候，关闭其输入输出流

 

ServerSocket

构造函数

ServerSocket()throws IOException

ServerSocket(int port)throws IOException

ServerSocket(int port, int backlog)throws IOException

ServerSocket(int port, int backlog, InetAddress bindAddr)throws IOException

 

注意点：

1. port服务端要监听的端口；backlog客户端连接请求的队列长度；bindAddr服务端绑定IP

2. 如果端口被占用或者没有权限使用某些端口会抛出BindException错误。譬如1~1023的端口需要管理员才拥有权限绑定。

3. 如果设置端口为0，则系统会自动为其分配一个端口；

4. bindAddr用于绑定服务器IP，为什么会有这样的设置呢，譬如有些机器有多个网卡。

5. ServerSocket一旦绑定了监听端口，就无法更改。ServerSocket()可以实现在绑定端口前设置其他的参数。

单线程的ServerSocket例子

public void service(){
    while(true){
        Socket socket=null;
        try{
            socket=serverSocket.accept();//从连接队列中取出一个连接，如果没有则等待
            System.out.println("新增连接："+socket.getInetAddress()+":"+socket.getPort());
            ...//接收和发送数据
        }catch(IOException e){e.printStackTrace();}finally{
            try{
                if(socket!=null) socket.close();//与一个客户端通信结束后，要关闭Socket
            }catch(IOException e){e.printStackTrace();}
        }
    }
}

 

多线程的ServerSocket

多线程的好处不用多说，而且大多数的场景都是多线程的，无论是我们的即时类游戏还是IM，多线程的需求都是必须的。下面说说实现方式：

• 主线程会循环执行ServerSocket.accept()；
• 当拿到客户端连接请求的时候，就会将Socket对象传递给多线程，让多线程去执行具体的操作；

实现多线程的方法要么继承Thread类，要么实现Runnable接口。当然也可以使用线程池，但实现的本质都是差不多的。

 

这里举例：

下面代码为服务器的主线程。为每个客户分配一个工作线程：

public void service(){
    while(true){
        Socket socket=null;
        try{
            socket=serverSocket.accept();                        //主线程获取客户端连接
            Thread workThread=new Thread(new Handler(socket));    //创建线程
            workThread.start();                                    //启动线程
        }catch(Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

 

当然这里的重点在于如何实现Handler这个类。Handler需要实现Runnable接口：

class Handler implements Runnable{
    private Socket socket;
    public Handler(Socket socket){
        this.socket=socket;
    }
    
    public void run(){
        try{
            System.out.println("新连接:"+socket.getInetAddress()+":"+socket.getPort());
            Thread.sleep(10000);
        }catch(Exception e){e.printStackTrace();}finally{
            try{
                System.out.println("关闭连接:"+socket.getInetAddress()+":"+socket.getPort());
                if(socket!=null)socket.close();
            }catch(IOException e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

当然是先多线程还有其它的方式，譬如线程池，或者JVM自带的线程池都可以。这里就不说明了。