java 基礎(chǔ)知識之網(wǎng)絡(luò)通信(TCP通信、UDP通信、多播以及NIO)總結(jié)
java 基礎(chǔ)知識之網(wǎng)路通信總結(jié)
在這篇文章里,我們主要討論如何使用Java實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信,包括TCP通信、UDP通信、多播以及NIO。
TCP連接
TCP的基礎(chǔ)是Socket,在TCP連接中,我們會使用ServerSocket和Socket,當客戶端和服務(wù)器建立連接以后,剩下的基本就是對I/O的控制了。
我們先來看一個簡單的TCP通信,它分為客戶端和服務(wù)器端。
客戶端代碼如下:
簡單的TCP客戶端 import java.net.*; import java.io.*; public class SimpleTcpClient { public static void main(String[] args) throws IOException { Socket socket = null; BufferedReader br = null; PrintWriter pw = null; BufferedReader brTemp = null; try { socket = new Socket(InetAddress.getLocalHost(), 5678); br = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream())); pw = new PrintWriter(socket.getOutputStream()); brTemp = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in)); while(true) { String line = brTemp.readLine(); pw.println(line); pw.flush(); if (line.equals("end")) break; System.out.println(br.readLine()); } } catch(Exception ex) { System.err.println(ex.getMessage()); } finally { if (socket != null) socket.close(); if (br != null) br.close(); if (brTemp != null) brTemp.close(); if (pw != null) pw.close(); } } }
服務(wù)器端代碼如下:
簡單版本TCP服務(wù)器端 import java.net.*; import java.io.*; public class SimpleTcpServer { public static void main(String[] args) throws IOException { ServerSocket server = null; Socket client = null; BufferedReader br = null; PrintWriter pw = null; try { server = new ServerSocket(5678); client = server.accept(); br = new BufferedReader(new InputStreamReader(client.getInputStream())); pw = new PrintWriter(client.getOutputStream()); while(true) { String line = br.readLine(); pw.println("Response:" + line); pw.flush(); if (line.equals("end")) break; } } catch(Exception ex) { System.err.println(ex.getMessage()); } finally { if (server != null) server.close(); if (client != null) client.close(); if (br != null) br.close(); if (pw != null) pw.close(); } } }
這里的服務(wù)器的功能非常簡單,它接收客戶端發(fā)來的消息,然后將消息“原封不動”的返回給客戶端。當客戶端發(fā)送“end”時,通信結(jié)束。
上面的代碼基本上勾勒了TCP通信過程中,客戶端和服務(wù)器端的主要框架,我們可以發(fā)現(xiàn),上述的代碼中,服務(wù)器端在任何時刻,都只能處理來自客戶端的一個請求,它是串行處理的,不能并行,這和我們印象里的服務(wù)器處理方式不太相同,我們可以為服務(wù)器添加多線程,當一個客戶端的請求進入后,我們就創(chuàng)建一個線程,來處理對應(yīng)的請求。
改善后的服務(wù)器端代碼如下:
多線程版本的TCP服務(wù)器端 import java.net.*; import java.io.*; public class SmartTcpServer { public static void main(String[] args) throws IOException { ServerSocket server = new ServerSocket(5678); while(true) { Socket client = server.accept(); Thread thread = new ServerThread(client); thread.start(); } } } class ServerThread extends Thread { private Socket socket = null; public ServerThread(Socket socket) { this.socket = socket; } public void run() { BufferedReader br = null; PrintWriter pw = null; try { br = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream())); pw = new PrintWriter(socket.getOutputStream()); while(true) { String line = br.readLine(); pw.println("Response:" + line); pw.flush(); if (line.equals("end")) break; } } catch(Exception ex) { System.err.println(ex.getMessage()); } finally { if (socket != null) try { socket.close(); } catch (IOException e1) { e1.printStackTrace(); } if (br != null) try { br.close(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } if (pw != null) pw.close(); } } }
修改后的服務(wù)器端,就可以同時處理來自客戶端的多個請求了。
在編程的過程中,我們會有“資源”的概念,例如數(shù)據(jù)庫連接就是一個典型的資源,為了提升性能,我們通常不會直接銷毀數(shù)據(jù)庫連接,而是使用數(shù)據(jù)庫連接池的方式來對多個數(shù)據(jù)庫連接進行管理,已實現(xiàn)重用的目的。對于Socket連接來說,它也是一種資源,當我們的程序需要大量的Socket連接時,如果每個連接都需要重新建立,那么將會是一件非常沒有效率的做法。
和數(shù)據(jù)庫連接池類似,我們也可以設(shè)計TCP連接池,這里的思路是我們用一個數(shù)組來維持多個Socket連接,另外一個狀態(tài)數(shù)組來描述每個Socket連接是否正在使用,當程序需要Socket連接時,我們遍歷狀態(tài)數(shù)組,取出第一個沒被使用的Socket連接,如果所有連接都在使用,拋出異常。這是一種很直觀簡單的“調(diào)度策略”,在很多開源或者商業(yè)的框架中(Apache/Tomcat),都會有類似的“資源池”。
TCP連接池的代碼如下:
一個簡單的TCP連接池 import java.net.*; import java.io.*; public class TcpConnectionPool { private InetAddress address = null; private int port; private Socket[] arrSockets = null; private boolean[] arrStatus = null; private int count; public TcpConnectionPool(InetAddress address, int port, int count) { this.address = address; this.port = port; this .count = count; arrSockets = new Socket[count]; arrStatus = new boolean[count]; init(); } private void init() { try { for (int i = 0; i < count; i++) { arrSockets[i] = new Socket(address.getHostAddress(), port); arrStatus[i] = false; } } catch(Exception ex) { System.err.println(ex.getMessage()); } } public Socket getConnection() { if (arrSockets == null) init(); int i = 0; for(i = 0; i < count; i++) { if (arrStatus[i] == false) { arrStatus[i] = true; break; } } if (i == count) throw new RuntimeException("have no connection availiable for now."); return arrSockets[i]; } public void releaseConnection(Socket socket) { if (arrSockets == null) init(); for (int i = 0; i < count; i++) { if (arrSockets[i] == socket) { arrStatus[i] = false; break; } } } public void reBuild() { init(); } public void destory() { if (arrSockets == null) return; for(int i = 0; i < count; i++) { try { arrSockets[i].close(); } catch(Exception ex) { System.err.println(ex.getMessage()); continue; } } } }
UDP連接
UDP是一種和TCP不同的連接方式,它通常應(yīng)用在對實時性要求很高,對準確定要求不高的場合,例如在線視頻。UDP會有“丟包”的情況發(fā)生,在TCP中,如果Server沒有啟動,Client發(fā)消息時,會報出異常,但對UDP來說,不會產(chǎn)生任何異常。
UDP通信使用的兩個類時DatagramSocket和DatagramPacket,后者存放了通信的內(nèi)容。
下面是一個簡單的UDP通信例子,同TCP一樣,也分為Client和Server兩部分,Client端代碼如下:
UDP通信客戶端 import java.net.*; import java.io.*; public class UdpClient { public static void main(String[] args) { try { InetAddress host = InetAddress.getLocalHost(); int port = 5678; BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in)); while(true) { String line = br.readLine(); byte[] message = line.getBytes(); DatagramPacket packet = new DatagramPacket(message, message.length, host, port); DatagramSocket socket = new DatagramSocket(); socket.send(packet); socket.close(); if (line.equals("end")) break; } br.close(); } catch(Exception ex) { System.err.println(ex.getMessage()); } } }
Server端代碼如下:
UDP通信服務(wù)器端 import java.net.*; import java.io.*; public class UdpServer { public static void main(String[] args) { try { int port = 5678; DatagramSocket dsSocket = new DatagramSocket(port); byte[] buffer = new byte[1024]; DatagramPacket packet = new DatagramPacket(buffer, buffer.length); while(true) { dsSocket.receive(packet); String message = new String(buffer, 0, packet.getLength()); System.out.println(packet.getAddress().getHostName() + ":" + message); if (message.equals("end")) break; packet.setLength(buffer.length); } dsSocket.close(); } catch(Exception ex) { System.err.println(ex.getMessage()); } } }
這里,我們也假設(shè)和TCP一樣,當Client發(fā)出“end”消息時,認為通信結(jié)束,但其實這樣的設(shè)計不是必要的,Client端可以隨時斷開,并不需要關(guān)心Server端狀態(tài)。
多播(Multicast)
多播采用和UDP類似的方式,它會使用D類IP地址和標準的UDP端口號,D類IP地址是指224.0.0.0到239.255.255.255之間的地址,不包括224.0.0.0。
多播會使用到的類是MulticastSocket,它有兩個方法需要關(guān)注:joinGroup和leaveGroup。
下面是一個多播的例子,Client端代碼如下:
多播通信客戶端 import java.net.*; import java.io.*; public class MulticastClient { public static void main(String[] args) { BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in)); try { InetAddress address = InetAddress.getByName("230.0.0.1"); int port = 5678; while(true) { String line = br.readLine(); byte[] message = line.getBytes(); DatagramPacket packet = new DatagramPacket(message, message.length, address, port); MulticastSocket multicastSocket = new MulticastSocket(); multicastSocket.send(packet); if (line.equals("end")) break; } br.close(); } catch(Exception ex) { System.err.println(ex.getMessage()); } } }
服務(wù)器端代碼如下:
多播通信服務(wù)器端 import java.net.*; import java.io.*; public class MulticastServer { public static void main(String[] args) { int port = 5678; try { MulticastSocket multicastSocket = new MulticastSocket(port); InetAddress address = InetAddress.getByName("230.0.0.1"); multicastSocket.joinGroup(address); byte[] buffer = new byte[1024]; DatagramPacket packet = new DatagramPacket(buffer, buffer.length); while(true) { multicastSocket.receive(packet); String message = new String(buffer, packet.getLength()); System.out.println(packet.getAddress().getHostName() + ":" + message); if (message.equals("end")) break; packet.setLength(buffer.length); } multicastSocket.close(); } catch(Exception ex) { System.err.println(ex.getMessage()); } } }
NIO(New IO)
NIO是JDK1.4引入的一套新的IO API,它在緩沖區(qū)管理、網(wǎng)絡(luò)通信、文件存取以及字符集操作方面有了新的設(shè)計。對于網(wǎng)絡(luò)通信來說,NIO使用了緩沖區(qū)和通道的概念。
下面是一個NIO的例子,和我們上面提到的代碼風(fēng)格有很大的不同。
NIO例子 import java.io.*; import java.nio.*; import java.nio.channels.*; import java.nio.charset.*; import java.net.*; public class NewIOSample { public static void main(String[] args) { String host="127.0.0.1"; int port = 5678; SocketChannel channel = null; try { InetSocketAddress address = new InetSocketAddress(host,port); Charset charset = Charset.forName("UTF-8"); CharsetDecoder decoder = charset.newDecoder(); CharsetEncoder encoder = charset.newEncoder(); ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024); CharBuffer charBuffer = CharBuffer.allocate(1024); channel = SocketChannel.open(); channel.connect(address); String request = "GET / \r\n\r\n"; channel.write(encoder.encode(CharBuffer.wrap(request))); while((channel.read(buffer)) != -1) { buffer.flip(); decoder.decode(buffer, charBuffer, false); charBuffer.flip(); System.out.println(charBuffer); buffer.clear(); charBuffer.clear(); } } catch(Exception ex) { System.err.println(ex.getMessage()); } finally { if (channel != null) try { channel.close(); } catch (IOException e) { // TODO Auto-generated catch block e.printStackTrace(); } } } }
上述代碼會試圖訪問一個本地的網(wǎng)址,然后將其內(nèi)容打印出來。
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