【JavaEE网络】TCP套接字编程详解：从概念到实现

TCP流套接字编程

TCP用的协议比UDP更多，可靠性

提供的api主要有两个类ServerSocket（给服务器使用的socket），Socket（既会给服务器使用也会给客户端使用）

字节流：一个字节一个字节进行传输的
一个tcp数据报，就是一个字节数组byte[]

ServerSocket API

ServerSocket 是创建TCP服务端Socket的API。

ServerSocket 构造方法：

方法签名	方法说明
ServerSocket(int port)	创建一个服务端流套接字Socket，并绑定到指定端口

ServerSocket 方法：

方法签名	方法说明
Socket accept()	开始监听指定端口（创建时绑定的端口），有客户端连接后，返回一个服务端Socket对象，并基于该Socket建立与客户端的连接，否则阻塞等待
void close()	关闭此套接字

Socket API

Socket 是客户端Socket，或服务端中接收到客户端建立连接（accept方法）的请求后，返回的服务端Socket。

不管是客户端还是服务端Socket，都是双方建立连接以后，保存的对端信息，及用来与对方收发数据的。

Socket 构造方法：

方法签名	方法说明
Socket(String host, int port)	创建一个客户端流套接字Socket，并与对应IP的主机上，对应端口的进程建立连接

Socket 方法：

方法签名	方法说明
InetAddress getInetAddress()	返回套接字所连接的地址
InputStream getInputStream()	返回此套接字的输入流
OutputStream getOutputStream()	返回此套接字的输出流

TCP回显客户端服务器

TCP版本的回显服务器，进入循环之后要做的事情不是读取客户端的请求，而是先处理客户端的“连接”

服务器代码流程：

读取请求并分析
根据请求计算响应
把响应写回客户端

//处理连接的过程=>此时可能客户端还没来，accept就阻塞等待了
Socket clientSocket = serverSocket.accept();
//把内核中的连接获取到应用程序中了=>这个过程类似于“生产者消费者模型”

accept 是把内核中已经建立好的连接，给拿到应用程序中。

但是这里的返回值并非是一个"Connection"这样的对象，而只是一个 Socket 对象，这个 Socket 对象就像一个耳麦一样，就可以说话，也能听到对方的声音

通过 Socket 对象和对方进行网络通信

一次0,主要是经历两个部分

等（阻塞）
拷贝数据

此处是先握手吗？

不是！握手是系统内核负责的.写代码过程感知不到握手的过程

此处主要是处理连接,也就是握手之后得到的东西

一个服务器,要对应很多客户端，服务器内核里有很多客户端的连接。虽然内核中连接很多，但是在应用程序中，还是得一个一个的处理的。

内核中的“连接”就像一个一个“待办事项“。这些待办事项在一个队列的数据结构中。应用程序就需要一个一个完成这些任务

而要完成任务,就需要先取任务

TCP中涉及到两种socket

serverSocket
clientSocket

Socket clientSocket = serverSocket.accept();
//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）

通过processConnection这个方法（自己实现）来处理一个连接的逻辑

try (InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream();//相当于耳麦（clientSocket）的耳机（inputStream）
     OutputStream outputStream = clientSocket.getOutputStream()) {//相当于耳麦（clientSocket）的麦克风（outputStream）

public class TcpEchoServer {
    private ServerSocket serverSocket = null;
    //此处不应该创建一个固定线程数目的线程池，不然就有上限了
    private ExecutorService service= Executors.newCachedThreadPool();

    //这个操作就会绑定端口号
    public TcpEchoServer(int port) throws IOException {
        serverSocket = new ServerSocket(port);
    }

    //启动服务器
    public void start() throws IOException {
        System.out.println("服务器启动");
        while (true) {
            //处理连接的过程=>此时可能客户端还没来，accept就阻塞等待了
            Socket clientSocket = serverSocket.accept();
            //把内核中的连接获取到应用程序中了

            processConnection(clientSocket);

        }
    }

    //通过这个方法来处理一个连接的逻辑
    private void processConnection(Socket clientSocket) {
        System.out.printf("[%s:%d] 客户端上线\n", clientSocket.getInetAddress().toString(), clientSocket.getPort());
        //接下来就可以 读取请求，根据请求计算响应，返回响应 三步走了
        // Socket 对象内部包含了两个字节流对象，可以把这两字节流对象，完成后续的读写工作
        try (InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream();
             OutputStream outputStream = clientSocket.getOutputStream()) {
            //一次连接中，可能会涉及到多次请求/响应
            while (true) {
                //1、读取请求并解析，为了读取方便，直接使用Scanner
                Scanner sc = new Scanner(inputStream);
                if (!sc.hasNext()) {
                    //读取完毕，客户端下线了
                    System.out.printf("[%s:%d] 客户端下线\n", clientSocket.getInetAddress().toString(), clientSocket.getPort());
                    break;
                }
                //这个代码暗含一个约定，客户端发过来的请求得是文本数据，同时还得带有空白符作为分割，（比如换行这种）
                String request = sc.next();
                //2、根据请求计算响应
                String response = process(request);
                //3、把响应写回客户端，把OutputStream使用PrinterWriter包裹一下，方便进行发数据
                PrintWriter writer = new PrintWriter(outputStream);
                //  使用PrintWriter的println方法把响应返回给客户端
                //  此处用println而不是print就是为了在结尾加上\n，方便客户端读取响应，使用Scanner.next读取
                writer.println(response);
                //  还需要加入一个"刷新缓冲区"操作

                //网络程序讲究的就是客户端和服务器能“配合”

                writer.flush();//“上完厕所冲一下”。
                //这里加上 flush 更稳妥，不加也不一定就出错!!缓冲区内置了一定的刷新策略
                //比如缓冲区满了，就会触发刷新; 再比如，程序退出，也会触发刷新......推荐大家把 flush 刷新给加上

                /*
                IO操作是比较有开销的，相比于访问内存。进入IO操作次数越多，程序的速度越慢。
                方法：使用一块内存作为缓冲区，写数据的时候，先写到缓冲区，攒一波数据，统一进入IO。
                PrintWriter内置了缓冲区，手动刷新，确保这里的数据是真的通过网卡发出去了，而不是残留在内存缓冲区中
                 */

                //日志，打印当前的请求详情
                System.out.printf("[%s:%d] req: %s, resp: %s\n", clientSocket.getInetAddress().toString(), clientSocket.getPort(),
                        request, response);
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public String process(String request) {
        return request;
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        TcpEchoServer server = new TcpEchoServer(9090);
        server.start();
    }
}

以上代码有两个问题：

但没有线程安全问题，因为没有多线程

1、关闭

在这个程序中，设计到两类Socket：

ServerSocket（只有一个，生命周期跟随程序，不关闭也没事）
while (true) {
    //处理连接的过程=>此时可能客户端还没来，accept就阻塞等待了
    Socket clientSocket = serverSocket.accept();
    //把内核中的连接获取到应用程序中了

    processConnection(clientSocket);

}
而Socket在1w个客户端就有1w个Socket，此处的Socket是被反复创建的。因此要确保在连接断开后，socket能被关闭
catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
} finally {
    //在finally中加入close，确保当前socket被及时关闭
    try {
        clientSocket.close();
    } catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}
//在trycatch后关闭socket
写到这以上代码中对于Scanner和PrintWriter没有close是否会有文件资源泄露呢？不会

因为流对象持有的资源有两个部分：

内存（对象销毁，内存就回收了）while循环一圈内存自然销毁
文件描述符（scanner和printWriter没有持有文件描述符；持有的是inputStream和outputStream的引用，这两个进行关闭了，或者更准确的说是socket对象持有的，socket对象关闭了就ok）

不是每个流对象都持有文件描述符，持有文件描述符是要调用操作系统提供的open方法（系统调用，是要在内核完成的，相当重量/严肃的事情）

2、第二个问题是在写完客户端后再说

客户端代码流程：

从控制台读取用户的输入
把输入的内容构造请求并发送给服务器
从服务器读取响应
把响应显示到控制台上

public class TcpEchoClient {
    private Socket socket=null;

    //要和服务器通信，就需要先知道，服务器所在的位置
    public TcpEchoClient(String serverIp,int serverPort) throws IOException {
        //完成这个new操作就完成了tcp连接的建议
        socket=new Socket(serverIp,serverPort);
    }

    public void start(){
        System.out.println("客户端启动");
        Scanner scConsole=new Scanner(System.in);
        try(InputStream inputStream=socket.getInputStream();
            OutputStream outputStream=socket.getOutputStream()){
            while(true){
                //1、从控制台输入一个字符串
                System.out.print("-> ");
                String request = scConsole.next();
                //2、把请求发送给服务器
                PrintWriter printWriter=new PrintWriter(outputStream);
                //使用println带上换行，后续服务器读取请求，就可以使用Scanner.next来读取了
                printWriter.println(request);
                //别忘记flush，确保数据真的发出去了
                printWriter.flush();
                //3、从服务器读取响应
                Scanner scNetwork=new Scanner(inputStream);
                String response = scNetwork.next();
                //4、把响应打印出来
                System.out.println(response);
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        TcpEchoClient client=new TcpEchoClient("127.0.0.1",9090);
        client.start();
    }
}

//以目前以上的代码执行结果
//服务器
服务器启动
[/127.0.0.1:63945] 客户端上线
[/127.0.0.1:63945] req: 你好, resp: 你好
[/127.0.0.1:63945] req: hello, resp: hello
[/127.0.0.1:63945] 客户端下线
//客户端
客户端启动
-> 你好
你好
-> hello
hello
-> //这里客户端退出了

回到上面遗留的第二个问题

现象：当第一个客户端连接好了之后，第二个客户端不能正确被处理，服务器看不到客户端上线，同时客户端发来的请求也无法被处理，当第一个客户端退出之后，之前第二个客户端发的请求，就能正确响应了。

问题出在：在服务器这边，当一个客户端来了，accept就可以正确返回，进入processConnection，然后进入循环处理该客户端的请求，一直等到这个客户端结束，才能回到start方法中

问题关键在于，处理一个客户端的请求过程中，无法第二次调用accept（即使第二个客户端来了也无法处理）

我们期望能够同时让多个客户端进入调用accept，因此用到多线程

主线程负责找到客户端，在有客户端到来时，创建新的线程，让新的线程负责处理客户端的各种请求

以下是改进方式：

//启动服务器
public void start() throws IOException {
    System.out.println("服务器启动");
    while (true) {
        //处理连接的过程=>此时可能客户端还没来，accept就阻塞等待了
        Socket clientSocket = serverSocket.accept();
        //把内核中的连接获取到应用程序中了

        //单个线程不太方便同时完成多个任务，因此要多线程，主线程主要负责寻找客户端，每有一个客户端就创建一个新的线程
    /*
        Thread t=new Thread(()->{
            processConnection(clientSocket);
        });
        t.start();
    */
        //使用线程池
        service.submit(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                processConnection(clientSocket);
            }
        });
    }
}

TCP程序的时候，涉及到两种写法：

一个连接中只传输一次请求和响应（短连接）
一个连接中可以传输多次请求和响应（长连接）

而由于我们只是通过普通的方式创建线程，有一个连接就创建一个线程，如果有多个客户端，频繁连接/断开，服务器就频繁创建/释放线程了，因此我们直接采用线程池的方式

但注意：我们上述的不能写成这种方式

try(Socket clientSocket = serverSocket.accept()){
    service.submit(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            processConnection(clientSocket);
        }
    });
};
/*
processConnection 和主线程就是不同线程了
执行 processConnection 过程中，主线程 try 就执行完毕了。
这就会导致 clientSocket 还没用完呢，就关闭了
因此，还是要把clientSocket交给processConnection里来关闭
*/

虽然使用了线程池，避免了频繁创建销毁线程，但如果仍然很多客户端，创建大量线程仍有很大开销，可以称为高并发

方法：解决高并发引入了很多技术手段，IO多路复用/IO多路转接（但不是说用了一下子就解决了）

解决高并发（四个字）：

开源：引入更多的硬件资源（本质上是减少线程的数量）
节流：提高单位硬件资源能够处理的请求数

（同样的请求数，消耗的硬件资源更少）

完整代码

服务器

public class TcpEchoServer {
    private ServerSocket serverSocket = null;
    //此处不应该创建一个固定线程数目的线程池，不然就有上限了
    private ExecutorService service= Executors.newCachedThreadPool();

    //这个操作就会绑定端口号
    public TcpEchoServer(int port) throws IOException {
        serverSocket = new ServerSocket(port);
    }

    //启动服务器
    public void start() throws IOException {
        System.out.println("服务器启动");
        while (true) {
            //处理连接的过程=>此时可能客户端还没来，accept就阻塞等待了
            Socket clientSocket = serverSocket.accept();
            //把内核中的连接获取到应用程序中了

            //单个线程不太方便同时完成多个任务，因此要多线程，主线程主要负责寻找客户端，每有一个客户端就创建一个新的线程
        /*
            Thread t=new Thread(()->{
                processConnection(clientSocket);
            });
            t.start();
        */
            //使用线程池
            service.submit(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    processConnection(clientSocket);
                }
            });
        }
    }

    //通过这个方法来处理一个连接的逻辑
    //服务器一启动，就会执行accept，并阻塞等待，当客户端连接上之后，就会立即执行这个方法
    private void processConnection(Socket clientSocket) {
        System.out.printf("[%s:%d] 客户端上线\n", clientSocket.getInetAddress().toString(), clientSocket.getPort());
        //接下来就可以 读取请求，根据请求计算响应，返回响应 三步走了
        // Socket 对象内部包含了两个字节流对象，可以把这两字节流对象，完成后续的读写工作
        try (InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream();
             OutputStream outputStream = clientSocket.getOutputStream()) {
            //一次连接中，可能会涉及到多次请求/响应
            while (true) {
                //1、读取请求并解析，为了读取方便，直接使用Scanner
                Scanner sc = new Scanner(inputStream);
                //hasNext这里在客户端没有发请求的时候也会阻塞等待，等到客户端真正发数据或者客户端退出，hasNext就返回了
                if (!sc.hasNext()) {
                    //读取完毕，客户端下线了
                    System.out.printf("[%s:%d] 客户端下线\n", clientSocket.getInetAddress().toString(), clientSocket.getPort());
                    break;
                }
                //这个代码暗含一个约定，客户端发过来的请求得是文本数据，同时还得带有空白符作为分割，（比如换行这种）
                String request = sc.next();
                //2、根据请求计算响应
                String response = process(request);
                //3、把响应写回客户端，把OutputStream使用PrinterWriter包裹一下，方便进行发数据
                PrintWriter writer = new PrintWriter(outputStream);
                //  使用PrintWriter的println方法把响应返回给客户端
                //  此处用println而不是print就是为了在结尾加上\n，方便客户端读取响应，使用Scanner.next读取
                writer.println(response);
                //  还需要加入一个"刷新缓冲区"操作

                //网络程序讲究的就是客户端和服务器能“配合”

                writer.flush();//“上完厕所冲一下”。
                //这里加上 flush 更稳妥，不加也不一定就出错!!缓冲区内置了一定的刷新策略
                //比如缓冲区满了，就会触发刷新; 再比如，程序退出，也会触发刷新......推荐大家把 flush 刷新给加上

                /*
                IO操作是比较有开销的，相比于访问内存。进入IO操作次数越多，程序的速度越慢。
                方法：使用一块内存作为缓冲区，写数据的时候，先写到缓冲区，攒一波数据，统一进入IO。
                PrintWriter内置了缓冲区，手动刷新，确保这里的数据是真的通过网卡发出去了，而不是残留在内存缓冲区中
                 */

                //日志，打印当前的请求详情
                System.out.printf("[%s:%d] req: %s, req: %s\n", clientSocket.getInetAddress().toString(), clientSocket.getPort(),
                        request, response);
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            //在finally中加入close，确保当前socket被及时关闭
            try {
                clientSocket.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    public String process(String request) {
        return request;
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        TcpEchoServer server = new TcpEchoServer(9090);
        server.start();
    }
}

客户端

public class TcpEchoClient {
    private Socket socket=null;

    //要和服务器通信，就需要先知道，服务器所在的位置
    public TcpEchoClient(String serverIp,int serverPort) throws IOException {
        //完成这个new操作就完成了tcp连接的建议
        socket=new Socket(serverIp,serverPort);
    }

    public void start(){
        System.out.println("客户端启动");
        Scanner scConsole=new Scanner(System.in);
        try(InputStream inputStream=socket.getInputStream();
            OutputStream outputStream=socket.getOutputStream()){
            while(true){
                //1、从控制台输入一个字符串
                System.out.print("-> ");
                String request = scConsole.next();
                //2、把请求发送给服务器
                PrintWriter printWriter=new PrintWriter(outputStream);
                //使用println带上换行，后续服务器读取请求，就可以使用Scanner.next来读取了
                printWriter.println(request);
                //别忘记flush，确保数据真的发出去了
                printWriter.flush();
                //3、从服务器读取响应
                Scanner scNetwork=new Scanner(inputStream);
                String response = scNetwork.next();
                //4、把响应打印出来
                System.out.println(response);
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        TcpEchoClient client=new TcpEchoClient("127.0.0.1",9090);
        client.start();
    }
}