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java 基礎知識之網路通信總結
在這篇文章里，我們主要討論如何使用Java實現網絡通信，包括TCP通信、UDP通信、多播以及NIO。
TCP連接
TCP的基礎是Socket，在TCP連接中，我們會使用ServerSocket和Socket，當客戶端和服務器建立連接以后，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();
}
}
}
服務器端代碼如下：
簡單版本TCP服務器端
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();
}
}
}
這里的服務器的功能非常簡單，它接收客戶端發來的消息，然后將消息“原封不動”的返回給客戶端。當客戶端發送“end”時，通信結束。
上面的代碼基本上勾勒了TCP通信過程中，客戶端和服務器端的主要框架，我們可以發現，上述的代碼中，服務器端在任何時刻，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器處理方式不太相同，我們可以為服務器添加多線程，當一個客戶端的請求進入后，我們就創建一個線程，來處理對應的請求。
改善后的服務器端代碼如下：
多線程版本的TCP服務器端
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，例如數據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據庫連接，而是使用數據庫連接池的方式來對多個數據庫連接進行管理，已實現重用的目的。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。
和數據庫連接池類似，我們也可以設計TCP連接池，這里的思路是我們用一個數組來維持多個Socket連接，另外一個狀態數組來描述每個Socket連接是否正在使用，當程序需要Socket連接時，我們遍歷狀態數組，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“調度策略”，在很多開源或者商業的框架中（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”的情況發生，在TCP中，如果Server沒有啟動，Client發消息時，會報出異常，但對UDP來說，不會產生任何異常。
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，我們也假設和TCP一樣，當Client發出“end”消息時，認為通信結束，但其實這樣的設計不是必要的，Client端可以隨時斷開，并不需要關心Server端狀態。
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());
}
}
}
服務器端代碼如下：
多播通信服務器端
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，它在緩沖區管理、網絡通信、文件存取以及字符集操作方面有了新的設計。對于網絡通信來說，NIO使用了緩沖區和通道的概念。
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址，然后將其內容打印出來。
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