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Java 基于 TCP 的 Socket 编程_java socket编程之tcp编程

作者：Gausst松鼠会 | 2024-06-11 18:27:55

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java socket编程之tcp编程

目录

1、什么是TCP协议？

2、什么是Socket(套接字)？

3、简单的TCP网络编程实现

4、一个服务端支持多个客户端连接的实现

1、什么是TCP协议？

        TCP（Transmission Control Protocol）是一种面向连接的、可靠的传输层协议，用于在计算机网络中传输数据。它是互联网协议套件（TCP/IP）中的核心协议之一。

        TCP协议提供了一种可靠的、有序的、面向字节流的数据传输机制，它能够确保数据的完整性、可靠性和顺序性。TCP协议在应用层之上建立了一种端到端的通信，通过使用IP协议进行数据包的传输。

        TCP协议的特点和功能包括：

  1. 可靠性：TCP协议通过使用序列号、确认和重传等机制，确保数据的可靠传输。接收端会确认已接收的数据，并请求重新传输丢失或损坏的数据。
  2. 有序性：TCP协议会保持发送数据的顺序，并确保接收端按照正确的顺序重组数据。这样应用程序可以按照发送顺序处理数据，而不必担心数据包乱序到达。
  3. 流量控制：TCP协议使用滑动窗口机制来控制数据的发送速率，确保发送方和接收方之间的数据流平衡，避免数据包的丢失或拥塞。
  4. 拥塞控制：TCP协议通过使用拥塞窗口和拥塞避免算法来控制数据的发送速率，并避免网络拥塞的发生。它会根据网络的拥塞情况动态调整发送速率。
  5. 面向连接：TCP协议是一种面向连接的协议，使用三次握手来建立连接，四次握手来关闭连接。在数据传输之前，发送端和接收端需要建立一个可靠的连接。

        由于TCP协议具有可靠性和有序性，以及对拥塞的控制能力，它被广泛用于可靠数据传输的应用中，如网页浏览、文件传输、电子邮件、远程登录和数据通信等。

2、什么是Socket(套接字)？

        Socket（套接字）是计算机网络编程中用于实现网络通信的一种编程接口或抽象概念。它提供了一种标准的接口，使应用程序能够通过网络与其他计算机进行通信。

        Socket可以看作是应用程序与网络之间的一个通信端点，类似于电话中的插座。通过Socket，应用程序可以创建、连接、发送和接收数据，以实现网络通信。

        Socket通常使用TCP/IP协议栈作为底层网络协议，但也可以与其他协议一起使用，如UDP（User Datagram Protocol）和ICMP（Internet Control Message Protocol）等。

        在网络编程中，通常需要以下几个步骤来使用Socket：

  1. 创建Socket：应用程序通过调用系统提供的Socket函数来创建一个新的Socket实例。创建Socket时需要指定网络协议、传输方式和地址族等参数。
  2. 绑定Socket：创建Socket后，应用程序需要将其绑定到一个特定的IP地址和端口号。绑定操作将Socket与特定的网络地址关联起来，以便其他计算机可以通过该地址与之通信。
  3. 连接Socket：如果应用程序是作为客户端与远程服务器进行通信，它需要通过调用连接函数来与目标服务器建立连接。连接操作会建立客户端与服务器之间的网络连接通道。
  4. 发送和接收数据：已经建立连接的Socket可以使用发送和接收函数来进行数据的发送和接收。应用程序可以通过Socket发送数据到远程主机，或者接收来自远程主机的数据。
  5. 关闭Socket：当通信结束或不再需要时，应用程序可以调用关闭函数来关闭Socket连接，并释放相关资源。

        通过Socket编程接口，开发人员可以轻松实现网络通信功能，包括客户端和服务器之间的数据交换、网络服务的实现、远程操作和网络应用的开发等。Socket提供了一种灵活而强大的机制，使得网络通信变得简单而高效。

3、简单的TCP网络编程实现

        在明白TCP协议和Socket概念的前提下，想要实现用Java程序来进行TCP编程其实不难，首先再重复一下编程中的相关概念：

  • IP：唯一的标识 Internet 上的某台计算机，在 Java 程序中通过 InetAddress 类获取 IP
  • 端口号：可以理解为计算机上运行的进程的入口，不同的进程有不同的端口号
  • Socket：一个应用程序通过一个 Socket 来建立一个远程连接，而 Socket 内部通过 TCP/IP 协议把数据传输到网络，Socket 是两个进程之间网络通信的桥梁。

        接下来，创建两个程序，一个充当服务器端，另一个充当客户端；服务器端会主动监听某个指定的端口，客户端必须主动连接服务器的 IP 地址和指定端口，如果连接成功，服务器端和客户端就成功地建立了一个 TCP 连接，双方后续就可以随时发送和接收数据。

        服务端程序的实现：

  1. import java.net.*;
  2. import java.io.*;
  3.  
  4. public class TcpServer {
  5.     public static void main(String[] args) {
  6.         try {
  7.             ServerSocket ss = new ServerSocket(8001); // 驻守在8001端口
  8.             Socket s = ss.accept();                   // 阻塞，等到有客户端连接上来
  9.             System.out.println("welcome to the java world");
  10.             InputStream ips = s.getInputStream();     // 有client连上来，打开输入流
  11.             OutputStream ops = s.getOutputStream();   // 打开输出流
  12.             // 同一个通道，服务端的输出流就是客户端的输入流；服务端的输入流就是客户端的输出流
  13.  
  14.             ops.write("Hello, Client!".getBytes());  // 输出一句话给客户端
  15.  
  16.             BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(ips));
  17.             // 从客户端读取一句话
  18.             System.out.println("Client said: " + br.readLine());
  19.  
  20.             ips.close();
  21.             ops.close();
  22.             s.close();
  23.             ss.close();
  24.         } catch (Exception e) {
  25.             e.printStackTrace();
  26.         }
  27.     }
  28. }

        客户端程序的实现：

  1. import java.io.BufferedReader;
  2. import java.io.DataOutputStream;
  3. import java.io.InputStream;
  4. import java.io.InputStreamReader;
  5. import java.io.OutputStream;
  6. import java.net.InetAddress;
  7. import java.net.Socket;
  8.  
  9. public class TcpClient {
  10.     public static void main(String[] args) {
  11.         try {
  12.             Socket s = new Socket(InetAddress.getByName("127.0.0.1"), 8001); //需要服务端先开启
  13.  
  14.             // 同一个通道，服务端的输出流就是客户端的输入流；服务端的输入流就是客户端的输出流
  15.             InputStream ips = s.getInputStream();    //开启通道的输入流
  16.             BufferedReader brNet = new BufferedReader(new InputStreamReader(ips));
  17.  
  18.             OutputStream ops = s.getOutputStream();  //开启通道的输出流
  19.             DataOutputStream dos = new DataOutputStream(ops);
  20.  
  21.             BufferedReader brKey = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
  22.             while (true) {
  23.                 String strWord = brKey.readLine();
  24.                 if (strWord.equalsIgnoreCase("quit")) {
  25.                     break;
  26.                 } else {
  27.                     System.out.println("I want to send: " + strWord);
  28.                     // 向服务端发送数据（使用输出流）
  29.                     dos.writeBytes(strWord + System.getProperty("line.separator"));
  30.                     // 打印接收到的数据（使用输入流）
  31.                     System.out.println("Server said: " + brNet.readLine());
  32.                 }
  33.  
  34.             }
  35.  
  36.             dos.close();
  37.             brNet.close();
  38.             brKey.close();
  39.             s.close();
  40.         } catch (Exception e) {
  41.             e.printStackTrace();
  42.         }
  43.     }
  44. }

        分别启动服务端和客户端程序，演示效果如下：

        注意：服务端需要先于客户端启动，否则客户端因连接不到指定的进程而报错。同时输入输出流还可以传各种类型的数据，详情请参考 Java 的各种 I/O 流实现。

4、一个服务端支持多个客户端连接的实现

        实际场景中，一个服务端往往可以支持多个客户端的连接，为多个客户端提供服务。如下图所示：

        此处，为了实现上述想法，可以通过多线程改进一下服务端程序的实现：

  1. import java.net.*;
  2.  
  3. public class TcpServer2 {
  4.     public static void main(String[] args) {
  5.         try {
  6.             ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8001);
  7.             while (true) {
  8.                 Socket socket = serverSocket.accept();
  9.                 System.out.println("监听到 client 连接...");
  10.                 // 启动一个线程
  11.                 new Thread(new Worker(socket)).start();
  12.             }
  13.             //ss.close();
  14.         } catch (Exception e) {
  15.             e.printStackTrace();
  16.         }
  17.     }
  18. }

        Worker.class 类的详情如下：

  1. import java.net.*;
  2. import java.io.*;
  3.  
  4. class Worker implements Runnable {
  5.  
  6.     Socket socket;
  7.  
  8.     public Worker(Socket socket) {
  9.         this.socket = socket;
  10.     }
  11.  
  12.     public void run() {
  13.         try {
  14.             System.out.println("Worker 已经启动...");
  15.             InputStream ips = socket.getInputStream();
  16.             OutputStream ops = socket.getOutputStream();
  17.  
  18.             BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(ips));
  19.             DataOutputStream dos = new DataOutputStream(ops);
  20.             while (true) {
  21.                 String strWord = br.readLine();
  22.                 System.out.println("client said:" + strWord + ":" + strWord.length());
  23.                 if (strWord.equalsIgnoreCase("quit")){
  24.                     break;
  25.                 }
  26.                 String strEcho = strWord + " 666";
  27.                 // dos.writeBytes(strWord +"---->"+ strEcho +"\r\n");
  28.                 System.out.println("server said:" + strWord + "---->" + strEcho);
  29.                 dos.writeBytes(strWord + "---->" + strEcho + System.getProperty("line.separator"));
  30.             }
  31.             br.close();
  32.             // 关闭包装类，会自动关闭包装类中所包装的底层类。所以不用调用ips.close()
  33.             dos.close();
  34.             socket.close();
  35.         } catch (Exception e) {
  36.             e.printStackTrace();
  37.         }
  38.     }
  39. }

        分别启动服务端和客户端1和2后的演示效果如下：

        在客户端1，输入Hi：

        在客户端2，输入Hello：

        服务端的输出如下：

        至此，Java 基于 TCP 的 Socket 编程结束。有关 Java 基于 UDP 的 Socket 编程，可以参考我的这篇文章：《Java 基于 UDP 的 Socket 编程》。

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