java 基礎知識之網(wǎng)路通信總結
在這篇文章里，我們主要討論如何使用Java實現(xiàn)網(wǎng)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：
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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：
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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(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(fā)現(xiàn)，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(chuàng)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：
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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(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：
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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(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：
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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：
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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(fā)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(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注：joinGroup和leaveGroup。
下面是一個多播的例子，Client端代碼如下：
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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：
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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(qū)管理、網(wǎng)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(wǎng)絡通信來說，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格有很大的不同。
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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，然后將其內容打印出來。
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