Java基础-网络编程篇

1. 网络编程基础

1.1 软件结构

C/S结构 ：全称为Client/Server结构，是指客户端和服务器结构。常见程序有ＱＱ、迅雷等软件。

B/S结构：全称为Browser/Server结构，是指浏览器和服务器结构。常见浏览器有谷歌、火狐等。

两种架构各有优势，但是无论哪种架构，都离不开网络的支持。网络编程，就是在一定的协议下，实现两台计算机的通信的程序。

1.2 网络通信协议

网络通信协议：通信协议是对计算机必须遵守的规则，只有遵守这些规则，计算机之间才能进行通信。这就好比在道路中行驶的汽车一定要遵守交通规则一样，协议中对数据的传输格式、传输速率、传输步骤等做了

统一规定，通信双方必须同时遵守，最终完成数据交换。

TCP/IP协议： 传输控制协议/因特网互联协议( Transmission Control Protocol/Internet Protocol)，是

Internet最基本、最广泛的协议。它定义了计算机如何连入因特网，以及数据如何在它们之间传输的标准。它

的内部包含一系列的用于处理数据通信的协议，并采用了4层的分层模型，每一层都呼叫它的下一层所提供的

协议来完成自己的需求。

1.3 协议分类

通信的协议还是比较复杂的， java.net 包中包含的类和接口，它们提供低层次的通信细节。我们可以直接使用这些类和接口，来专注于网络程序开发，而不用考虑通信的细节。

TCP：传输控制协议 (Transmission Control Protocol)。TCP协议是面向连接的通信协议，即传输数据之前，

在发送端和接收端建立逻辑连接，然后再传输数据，它提供了两台计算机之间可靠无差错的数据传输。
- 三次握手：TCP协议中，在发送数据的准备阶段，客户端与服务器之间的三次交互，以保证连接的可靠。
  1. 第一次握手，客户端向服务器端发出连接请求，等待服务器确认。
  2. 第二次握手，服务器端向客户端回送一个响应，通知客户端收到了连接请求。
  3. 第三次握手，客户端再次向服务器端发送确认信息，确认连接。整个交互过程如下图所示。
- 完成三次握手，连接建立后，客户端和服务器就可以开始进行数据传输了。由于这种面向连接的特性，TCP协议可以保证传输数据的安全，所以应用十分广泛，例如下载文件、浏览网页等。
UDP：用户数据报协议(User Datagram Protocol)。UDP协议是一个面向无连接的协议。传输数据时，不需

要建立连接，不管对方端服务是否启动，直接将数据、数据源和目的地都封装在数据包中，直接发送。每个

数据包的大小限制在64k以内。它是不可靠协议，因为无连接，所以传输速度快，但是容易丢失数据。日常应

用中,例如视频会议、QQ聊天等。

1.4 网络编程三要素

协议：计算机网络通信必须遵守的规则，已经介绍过了，不再赘述。
IP地址：
- 什么是IP地址：指互联网协议地址（Internet Protocol Address），俗称IP。IP地址用来给一个网络中的计算机设备做唯一的编号。假如我们把“个人电脑”比作“一台电话”的话，那么“IP地址”就相当于“电话号码”。
- IP地址分类：
- IPv4：是一个32位的二进制数，通常被分为4个字节，表示成 a.b.c.d 的形式，例如 192.168.65.100 。其中a、b、c、d都是0~255之间的十进制整数，那么最多可以表示42亿个。
- IPv6：由于互联网的蓬勃发展，IP地址的需求量愈来愈大，但是网络地址资源有限，使得IP的分配越发紧张。有资料显示，全球IPv4地址在2011年2月分配完毕。为了扩大地址空间，拟通过IPv6重新定义地址空间，采用128位地址长度，每16个字节一组，分成8组十六进制数，表示成 ABCD:EF01:2345:6789:ABCD:EF01:2345:6789 ，号称可以为全世界的每一粒沙子编上一个网址，这样就解决了网络地址资源数量不够的问题。
- 常用命令：
  - 查看本机IP地址，在控制台输入： ipconfig
  - 检查网络是否连通，在控制台输入：
```
ping 空格 IP地址
ping 220.181.57.216
【特殊的IP地址】
本机IP地址： 127.0.0.1 、 localhost 。
```
端口号：

网络的通信，本质上是两个进程（应用程序）的通信。每台计算机都有很多的进程，那么在网络通信时，如何区分这些进程呢？

如果说IP地址可以唯一标识网络中的设备，那么端口号就可以唯一标识设备中的进程（应用程序）了。

端口号：用两个字节表示的整数，它的取值范围是0-65535。其中，0~1023之间的端口号用于一些知名的网络服务和应用，普通的应用程序需要使用1024以上的端口号。如果端口号被另外一个服务或应用所占用，会导致当前程序启动失败。

利用协议 + IP地址 + 端口号三元组合，就可以标识网络中的进程了，那么进程间的通信就可以利用这个标识与其它进程进行交互。

2. TCP通信程序

2.1 TCP通信程序介绍

TCP通信能实现两台计算机之间的数据交互，通信的两端，要严格区分为客户端（Client）与服务端（Server）。

两端通信步骤
1. 服务端程序，需要事先启动，等待客户端的连接。
2. 客户端主动连接服务器端，连接成功才能通信。服务端不可以主动连接客户端。
在Java中，提供了两个类用于实现TCP通信程序
1. 客户端： java.net.Socket 类表示。创建 Socket 对象，向服务端发出连接请求，服务端响应请求，两者建立连接开始通信。
2. 服务端： java.net.ServerSocket 类表示。创建 ServerSocket 对象，相当于开启一个服务，并等待客户端的连接。

2.2 Socket类

Socket 类：该类实现客户端套接字，套接字指的是两台设备之间通讯的端点。

构造方法：
- public Socket(String host, int port) :创建套接字对象并将其连接到指定主机上的指定端口号。如果指定的host是null ，则相当于指定地址为回送地址。
- 回送地址(127.x.x.x) 是本机回送地址（Loopback Address），主要用于网络软件测试以及本地机进程间通信，无论什么程序，一旦使用回送地址发送数据，立即返回，不进行任何网络传输。
- 代码
```
Socket client = new Socket("127.0.0.1", 6666);
```
成员方法：
- public InputStream getInputStream() ：返回此套接字的输入流。
  - 如果此Scoket具有相关联的通道，则生成的InputStream 的所有操作也关联该通道。
  - 关闭生成的InputStream也将关闭相关的Socket。
- public OutputStream getOutputStream() ：返回此套接字的输出流。
  - 如果此Scoket具有相关联的通道，则生成的OutputStream 的所有操作也关联该通道。
  - 关闭生成的OutputStream也将关闭相关的Socket。
- public void close() ：关闭此套接字。
  - 一旦一个socket被关闭，它不可再使用。
  - 关闭此socket也将关闭相关的InputStream和OutputStream 。
- public void shutdownOutput() ：禁用此套接字的输出流。
  - 任何先前写出的数据将被发送，随后终止输出流。

2.3 ServerSocket类

ServerSocket 类：这个类实现了服务器套接字，该对象等待通过网络的请求。

构造方法：public ServerSocket(int port)：使用该构造方法在创建ServerSocket对象时，就可以将其绑定到一个指定的端口号上，参数port就是端口号。
- 代码
```
ServerSocket server = new ServerSocket(6666);
```
成员方法：public Socket accept()：侦听并接受连接，返回一个新的Socket对象，用于和客户端实现通信。该方法会一直阻塞直到建立连接。

2.4 简单的TCP网络程序

TCP通信分析图解
1. 【服务端】启动,创建ServerSocket对象，等待连接。
2. 【客户端】启动,创建Socket对象，请求连接。
3. 【服务端】接收连接,调用accept方法，并返回一个Socket对象。
4. 【客户端】Socket对象，获取OutputStream，向服务端写出数据。
5. 【服务端】Scoket对象，获取InputStream，读取客户端发送的数据。
6. 【服务端】Socket对象，获取OutputStream，向客户端回写数据。
7. 【客户端】Scoket对象，获取InputStream，解析回写数据。
8. 【客户端】释放资源，断开连接。

客户端向服务器发送数据

服务端代码

public static void main(String[] args) throws IOException {
    System.out.println("启动服务端...");
    // 1. 创建ServerSocket对象
    ServerSocket server = new ServerSocket(6666);
    // 2. 接收客户端的socket对象
    Socket socket = server.accept();
    // 3. 创建字节输入流对象
    InputStream is = socket.getInputStream();
    // 4. 读取数据
    int len = 0;
    byte[]bts = new byte[1024];
    len = is.read(bts);
    System.out.println(new String(bts,0,len));
    // 关闭网络流
    is.close();
    // 关闭socket
    socket.close();

  }

客户端代码

public static void main(String[] args) throws IOException {
    System.out.println("启动客户端");
    // 1. 创建Socket对象
    Socket sk = new Socket("127.0.0.1",6666);
    // 2. 创建字节网络流输出对象
    OutputStream os = sk.getOutputStream();
    // 3. 输出内容
    os.write("你好哈，服务端大大".getBytes());
    // 关闭网络流
    os.close();
    // 关闭socket
    sk.close();
  }

服务器向客户端回写数据

服务端代码

public static void main(String[] args) throws IOException {
    System.out.println("启动服务端...");
    // 1. 创建ServerSocket对象
    ServerSocket server = new ServerSocket(6666);
    // 2. 接收客户端的socket对象
    Socket socket = server.accept();
    // 3. 创建字节输入流对象
    InputStream is = socket.getInputStream();
    // 4. 读取数据
    int len = 0;
    byte[]bts = new byte[1024];
    len = is.read(bts);
    System.out.println(new String(bts,0,len));
    // 【-------服务端回写数据--------】
    // 1. 创建输出网络流
    OutputStream os = socket.getOutputStream();
    // 2. 写入内容
    os.write("我很好，谢谢，思密达".getBytes());
    // 关闭socket
    socket.close();
    server.close();

  }

客户端代码

public static void main(String[] args) throws IOException {
    System.out.println("启动客户端");
    // 1. 创建Socket对象
    Socket sk = new Socket("127.0.0.1",6666);
    // 2. 创建字节网络流输出对象
    OutputStream os = sk.getOutputStream();
    // 3. 输出内容
    os.write("你好哈，服务端大大".getBytes());
    // 【解析服务端的回应】
    // 1. 创建输入网络流
    InputStream is = sk.getInputStream();
    // 2. 读取数据
    int len = 0;
    byte[]bs = new byte[1024];
    len = is.read(bs);
    System.out.println(new String(bs,0,len));
    // 关闭socket
    sk.close();
  }

3. 文件上传

3.1 文件上传分析图

3.2 基本实现

服务端代码

  public static void main(String[] args) throws IOException {
    System.out.println("启动服务端...");
    // 1. 创建SeverSocket对象，用来处理客户端请求
    ServerSocket sever = new ServerSocket(6666);
    // 2. 获取socket对象，用来处理请求
    Socket socket = sever.accept();
    // 3. 创建本地输入流对象，用来读取客户端发送的数据
    BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(socket.getInputStream());
    // 4. 创建本地输出流对象，把客户端上传的文件写入本地
    String fileName = System.currentTimeMillis() + "" + (new Random().nextInt(99999)) + ".jpg";
    File file = new File("d:\\upload");
    if(!file.exists()){
      file.mkdirs();
    }
    BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream(file +"\\"+ fileName));
    // 5. 循环读取客户端数据
    int len = 0;
    byte[]bts = new byte[1024];
    while((len=bis.read(bts))!=-1){
      bos.write(bts,0,len);
    }
    // 关闭资源
    bis.close();
    bos.close();
    socket.close();
    sever.close();

  }

客户端代码

  public static void main(String[] args) throws IOException {
    System.out.println("启动客户端...");
    // 1. 创建Socket对象，连接服务端
    Socket socket = new Socket("127.0.0.1",6666);
    // 2. 创建本地输入流对象，读取本地文件
    BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(new FileInputStream("C:\\Users\\Bruce\\Desktop\\logo\\logo01.png"));
    // 3. 创建网络输出流对象，向服务端传送数据
    BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(socket.getOutputStream());
    // 4. 定义字节数组，设置每次读取的字节
    int len = 0;
    byte[]bts = new byte[1024];
    // 5. 循环读取本地文件数据，并向服务端输出
    while ((len=bis.read(bts))!=-1){
      bos.write(bts,0,len);
    }
    System.out.println("客户端：文件上传完毕！");
    // 关闭资源
    bis.close();
    bos.close();
    socket.close();
  }

3.3 优化分析

循环接收问题
- 问题：服务端，指保存一个文件就关闭了，之后的用户无法再上传，这是不符合实际的，使用循环改进，可以不断的接收不同用户的文件
- 代码：
```
while（true）{
   Socket accept = serverSocket.accept();
   ......
}
```

效率问题

问题：服务端，在接收大文件时，可能耗费几秒钟的时间，此时不能接收其他用户上传，所以，使用多线程技术优化

代码：

while（true）{
    Socket accept = serverSocket.accept();
    // accept 交给子线程处理.
    new Thread(() ‐> {
        ......
        InputStream bis = accept.getInputStream();
        ......
    }).start();
}

代码

public static void main(String[] args) throws IOException {
    System.out.println("启动服务端...");
    // 1. 创建SeverSocket对象，用来处理客户端请求
    ServerSocket sever = new ServerSocket(6666);
    while (true){
      new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
          try {
            // 2. 获取socket对象，用来处理请求
            Socket socket = sever.accept();
            // 3. 创建本地输入流对象，用来读取客户端发送的数据
            BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(socket.getInputStream());
            // 4. 创建本地输出流对象，把客户端上传的文件写入本地
            String fileName = System.currentTimeMillis() + "" + (new Random().nextInt(99999)) + ".jpg";
            File file = new File("d:\\upload");
            if(!file.exists()){
              file.mkdirs();
            }
            BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream(file +"\\"+ fileName));
            // 5. 循环读取客户端数据
            int len = 0;
            byte[]bts = new byte[1024];
            while((len=bis.read(bts))!=-1){
              bos.write(bts,0,len);
            }
            // 关闭资源
            bis.close();
            bos.close();
            socket.close();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":已经保存到本地！");
          }catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
          }
        }
      }).start();
    }

  }

3.4 回写实现

图解

代码

服务端

  public static void main(String[] args) throws IOException {
    System.out.println("启动服务端...");
    // 1. 创建SeverSocket对象，用来处理客户端请求
    ServerSocket sever = new ServerSocket(6666);
    while (true){
      new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
          try {
            // 2. 获取socket对象，用来处理请求
            Socket socket = sever.accept();
            // 3. 创建本地输入流对象，用来读取客户端发送的数据
            BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(socket.getInputStream());
            // 4. 创建本地输出流对象，把客户端上传的文件写入本地
            String fileName = System.currentTimeMillis() + "" + (new Random().nextInt(99999)) + ".jpg";
            File file = new File("d:\\upload");
            if(!file.exists()){
              file.mkdirs();
            }
            BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream(file +"\\"+ fileName));
            // 5. 循环读取客户端数据
            int len = 0;
            byte[]bts = new byte[1024];
            while((len=bis.read(bts))!=-1){
              bos.write(bts,0,len);
            }
            // 回写客户端----------------
            OutputStream os = socket.getOutputStream();
            os.write("服务器端：已经保存在服务端本地".getBytes());
            // 关闭资源
            bis.close();
            bos.close();
            os.close();
            socket.close();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":已经保存到本地！");
          }catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
          }
        }
      }).start();
    }

  }

客户端

  public static void main(String[] args) throws IOException {
    System.out.println("启动客户端...");
    // 1. 创建Socket对象，连接服务端
    Socket socket = new Socket("127.0.0.1",6666);
    // 2. 创建本地输入流对象，读取本地文件
    BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(new FileInputStream("C:\\Users\\Bruce\\Desktop\\logo\\logo01.png"));
    // 3. 创建网络输出流对象，向服务端传送数据
    BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(socket.getOutputStream());
    // 4. 定义字节数组，设置每次读取的字节
    int len = 0;
    byte[]bts = new byte[1024];
    // 5. 循环读取本地文件数据，并向服务端输出
    while ((len=bis.read(bts))!=-1){
      bos.write(bts,0,len);
    }
    bos.flush();
    // 关闭输出流,通知服务端,写出数据完毕
    socket.shutdownOutput();
    System.out.println("客户端：文件上传完毕！");
    // 接收服务返回的信息
    InputStream is = socket.getInputStream();
    while ((len=is.read(bts))!=-1){
      System.out.print(new String(bts,0,len));
    }
    // 关闭资源
    is.close();
    bis.close();
    socket.close();
  }

4. 模拟B/S服务器

项目中有一个web项目，我们写服务端代码，然后通过浏览器输入地址127.0.0.1:8888/web/index.html

访问网页。

代码：

public class WebSever {
  public static void main(String[] args) throws IOException {
    // 创建ServerSocket对象
   ServerSocket server = new ServerSocket(8888);
   while (true){
     new Thread(new Runnable() {
       @Override
       public void run() {
        try{
          // 获取socket对象
          Socket socket = server.accept();
          // 读取接收的内容
          BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
          String line = reader.readLine(); // GET /web/index.html HTTP/1.1
          String path = line.split(" ")[1].substring(1);
          // 创建本地字节输入流
          FileInputStream fis = new FileInputStream("day09_Socket\\" +path);
          // 创建网络输出流
          OutputStream os = socket.getOutputStream();
          // 写入HTTP协议响应头,固定写法
          os.write("HTTP/1.1 200 OK\r\n".getBytes());
          os.write("Content‐Type:text/html\r\n".getBytes());
          // 必须要写入空行,否则浏览器不解析
          os.write("\r\n".getBytes());
          int len = 0;
          byte[]bts = new byte[1024];

          while((len=fis.read(bts))!=-1){
            os.write(bts,0,len);
          }
          // 关闭资源
          os.close();
          fis.close();
          reader.close();
          socket.close();
        } catch (IOException e){
          e.printStackTrace();
        }
       }
     }).start();
   }
  }
}

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