本文由 程序喵正在路上 原创,CSDN首发!
系列专栏:Java从入门到大牛
首发时间:2023年11月23日
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目录
- 网络编程
- 基本的通信架构
- 网络通信三要素
- IP地址
- 端口号
- 协议
- UDP通信-快速入门
- UDP通信-多发多收
- TCP通信-快速入门
- TCP通信-多发多收
- TCP通信-支持与多个客户端同时通信
- TCP通信-综合案例
- 即时通信-群聊
- 实现一个简易版的BS架构
- 改进
网络编程
什么是网络编程?
可以让设备中的程序与网络上的其他设备中的程序进行数据交互,也就是实现网络通信
Java的 java.net.* 包下提供了网络编程的解决方案
基本的通信架构
基本的通信架构有两种形式:CS架构(Client客户端/Server服务端)、BS架构(Brower浏览器/Server服务端)
无论是CS架构,还是BS架构的软件都必须依赖网络编程
网络通信三要素
IP地址
- IP(Internet Protocol):全称 “互联网协议地址”, 是分配给上网设备的唯一标志
- IP地址有两种形式:IPv4、IPv6
IPv4
IPv6
- IPv6:共128位,号称可以为地球每一粒沙子编号
- IPv6分成8段表示,每段每四位编码成一个十六进制位表示,数之间用冒号分开
IP域名
由于IP地址比较难记住,所以有了IP域名,例如 www.baidu.com 等等
公网IP,内网IP
- 公网IP,是可以连接互联网的IP地址;内网IP,也叫局域网IP,只能组织机构内部使用
- 192.168. 开头的就是常见的局域网地址,范围即为 192.168.0.0-192.168.255.255,专门为组织机构内部使用
特殊IP地址
- 127.0.0.1、localhost:代表本机IP,只会寻找当前所在的主机
IP常用命令
- ipconfig:查看本机IP地址
- ping IP地址:检查网络是否连通
InetAddress
- 代表IP地址
InetAddress的常用方法如下
应用
import java.net.InetAddress;/** * 目标:掌握InetAddress类的使用 */public class InetAddressTest {public static void main(String[] args) throws Exception {// 1、获取本机IP地址对象的InetAddress ip1 = InetAddress.getLocalHost();System.out.println(ip1.getHostName());System.out.println(ip1.getHostAddress());// 2、获取指定IP或者域名的IP地址对象。InetAddress ip2 = InetAddress.getByName("www.baidu.com");System.out.println(ip2.getHostName());System.out.println(ip2.getHostAddress());// ping www.baidu.comSystem.out.println(ip2.isReachable(6000));}}
端口号
端口
- 标记正在计算机设备上运行的应用程序的,被规定为一个16位的二进制,范围是0~65535
分类
- 周知端口:0~1023,被预先定义的知名应用占用,如HTTP占用80,FTP占用21
- 注册端口:1024~49151,分配给用户进程或某些应用程序
- 动态端口:49152~65535,之所以被称为动态端口,是因为它一般不固定分配某种进程,而是动态分配
注意:我们自己开发的程序一般选择使用注册端口,且一个设备中不能出现两个程序的端口号一样,否则会出错
协议
通信协议
- 网络上通信的设备,事先规定的连接规则,以及传输数据的规则被称为网络通信协议
开放式网络互联标准:OSI网络参考模型
- OSI网络参考模型:全球网络互联标准
- TCP/IP网络模型:事实上的国际标准
传输层的两个通信协议
- UDP (User Datagram Protocol):用户数据报协议; TCP (Transmission Control Protocol) :传输控制协议
UDP协议
- 特点:无连接、不可靠通信,通信效率高,通常用于语音通话、视频直播等
- 不事先建立连接,数据按照包发,一包数据包含:自己的IP、程序端口,目的地IP、程序端口和数据(限制在64KB内)等
- 发送方不管对方是否在线,数据在中间丢失也不管,如果接收方收到数据也不返回确认,故是不可靠的
TCP协议
- 特点:面向连接、可靠通信,通信效率相对不高,通常用于网页、文件下载、支付等
- TCP的最终目的:要保证在不可靠的信道上实现可靠的传输
- TCP主要有三个步骤实现可靠传输:三次握手建立连接,传输数据进行确认,四次挥手断开连接
TCP协议:三次握手建立可靠连接
- 可靠连接:确定通信双方,收发消息都是正常无问题的!(全双工)
TCP协议:四次挥手断开连接
- 目的:确保双方数据的收发都已经完成
UDP通信-快速入门
Java提供了一个 java.net.DatagramSocket 类来实现UDP通信
DatagramSocket: 用于创建客户端、服务端
DatagramPacket:创建数据包
实战:使用UDP通信实现发送消息、接收消息
Client.java
import java.net.DatagramPacket;import java.net.DatagramSocket;import java.net.InetAddress;/** * 目标:完成UDP通信快速入门:实现1发1收。 */public class Client {public static void main(String[] args) throws Exception {// 1、创建客户端对象DatagramSocket socket = new DatagramSocket();// 2、创建数据包对象封装要发出去的数据byte[] bytes = "我是快乐的客户端,我爱你abc".getBytes();DatagramPacket packet = new DatagramPacket(bytes, bytes.length, InetAddress.getLocalHost(),6666);// 3、开始正式发送这个数据包的数据出去了socket.send(packet);System.out.println("客户端数据发送完毕~~~");socket.close(); // 释放资源!}}
Server.java
import java.net.DatagramPacket;import java.net.DatagramSocket;/** * 目标:完成UDP通信快速入门-服务端开发 */public class Server {public static void main(String[] args) throws Exception {System.out.println("----服务端启动----");// 1、创建一个服务端对象,注册端口DatagramSocket socket = new DatagramSocket(6666);// 2、创建一个数据包对象,用于接收数据的byte[] buffer = new byte[1024 * 64]; // 64KB.DatagramPacket packet = new DatagramPacket(buffer, buffer.length);// 3、开始正式使用数据包来接收客户端发来的数据socket.receive(packet);// 4、从字节数组中,把接收到的数据直接打印出来// 接收多少就倒出多少// 获取本次数据包接收了多少数据int len = packet.getLength();String rs = new String(buffer, 0 , len);System.out.println(rs);System.out.println(packet.getAddress().getHostAddress());System.out.println(packet.getPort());socket.close(); // 释放资源}}
先启动服务端,再启动客户端
UDP通信-多发多收
客户端可以反复发送数据
- 创建DatagramSocket对象(发送端对象)
- 使用while死循环不断的接收用户的数据输入,如果用户输入的exit则退出程序
- 如果用户输入的不是exit, 把数据封装成DatagramPacket
- 使用DatagramSocket对象的send方法将数据包对象进行发送
- 释放资源
接收端可以反复接收数据
- 创建DatagramSocket对象并指定端口(接收端对象)
- 创建DatagramPacket对象接收数据(数据包对象)
- 使用DatagramSocket对象的receive方法传入DatagramPacket对象
- 使用while死循环不断的进行第3步
Client.java
import java.net.DatagramPacket;import java.net.DatagramSocket;import java.net.InetAddress;import java.util.Scanner;/** * 目标:完成UDP通信快速入门:实现客户端反复的发 */public class Client {public static void main(String[] args) throws Exception {// 1、创建客户端对象DatagramSocket socket = new DatagramSocket();// 2、创建数据包对象封装要发出去的数据Scanner sc = new Scanner(System.in);while (true) {System.out.println("请说:");String msg = sc.nextLine();// 一旦发现用户输入的exit命令,就退出客户端if("exit".equals(msg)){System.out.println("欢迎下次光临!退出成功!");socket.close(); // 释放资源break; // 跳出死循环}byte[] bytes = msg.getBytes();DatagramPacket packet = new DatagramPacket(bytes, bytes.length, InetAddress.getLocalHost(),6666);// 3、开始正式发送这个数据包的数据出去了socket.send(packet);}}}
Server.java
import java.net.DatagramPacket;import java.net.DatagramSocket;/** * 目标:完成UDP通信快速入门-服务端反复的收 */public class Server {public static void main(String[] args) throws Exception {System.out.println("----服务端启动----");// 1、创建一个服务端对象DatagramSocket socket = new DatagramSocket(6666);// 2、创建一个数据包对象,用于接收数据的byte[] buffer = new byte[1024 * 64]; // 64KB.DatagramPacket packet = new DatagramPacket(buffer, buffer.length);while (true) {// 3、开始正式使用数据包来接收客户端发来的数据socket.receive(packet);// 4、从字节数组中,把接收到的数据直接打印出来// 接收多少就倒出多少// 获取本次数据包接收了多少数据int len = packet.getLength();String rs = new String(buffer, 0 , len);System.out.println(rs);System.out.println(packet.getAddress().getHostAddress());System.out.println(packet.getPort());System.out.println("--------------------------------------");}}}
在这个基础上,我们还可以实现多个客户端同时向服务端发送消息
首先,我们需要在IDEA里面修改一下客户端这个程序的配置,让它可以同时运行多个客户端,具体步骤如下
1、在IDEA右上角找到这个,点击进入
2、如图操作,注意是客户端
3、多次执行 Client.java 这个程序,我们就可以得到多个客户端
TCP通信-快速入门
Java提供了一个 java.net.Socket 类来实现TCP通信
TCP通信之客户端开发
- 客户端程序就是通过java.net包下的Socket类来实现的
客户端发送消息
- 创建客户端的Socket对象,请求与服务端的连接
- 使用socket对象调用getOutputStream()方法得到字节输出流
- 使用字节输出流完成数据的发送
- 释放资源:关闭socket管道
Client.java
import java.io.DataOutputStream;import java.io.OutputStream;import java.net.Socket;/** *目标:完成TCP通信快速入门-客户端开发:实现1发1收 */public class Client {public static void main(String[] args) throws Exception {// 1、创建Socket对象,并同时请求与服务端程序的连接Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 8888);// 2、从socket通信管道中得到一个字节输出流,用来发数据给服务端程序OutputStream os = socket.getOutputStream();// 3、把低级的字节输出流包装成数据输出流DataOutputStream dos = new DataOutputStream(os);// 4、开始写数据出去了dos.writeUTF("在一起,好吗?");dos.close();socket.close(); // 释放连接资源}}
TCP通信之服务端程序的开发
- 服务端是通过java.net包下的ServerSocket类来实现的
服务端接收消息
- 创建ServerSocket对象,注册服务端端口
- 调用ServerSocket对象的accept()方法,等待客户端的连接,并得到Socket管道对象
- 通过Socket对象调用getInputStream()方法得到字节输入流、完成数据的接收
- 释放资源:关闭socket管道
Server.java
import java.io.DataInputStream;import java.io.InputStream;import java.net.ServerSocket;import java.net.Socket;/** *目标:完成TCP通信快速入门-服务端开发:实现1发1收 */public class Server {public static void main(String[] args) throws Exception {System.out.println("-----服务端启动成功-------");// 1、创建ServerSocket的对象,同时为服务端注册端口。ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8888);// 2、使用serverSocket对象,调用一个accept方法,等待客户端的连接请求Socket socket = serverSocket.accept();// 3、从socket通信管道中得到一个字节输入流InputStream is = socket.getInputStream();// 4、把原始的字节输入流包装成数据输入流DataInputStream dis = new DataInputStream(is);// 5、使用数据输入流读取客户端发送过来的消息String rs = dis.readUTF();System.out.println(rs);// 其实我们也可以获取客户端的IP地址System.out.println(socket.getRemoteSocketAddress());dis.close();socket.close();}}
TCP通信-多发多收
使用TCP通信实现:多发多收消息
- 客户端使用死循环,让用户不断输入消息
- 服务端也使用死循环,控制服务端收完消息,继续等待接收下一个消息
Client.java
import java.io.DataOutputStream;import java.io.OutputStream;import java.net.Socket;import java.util.Scanner;/** *目标:完成TCP通信快速入门-客户端开发:实现客户端可以反复的发消息出去 */public class Client {public static void main(String[] args) throws Exception {// 1、创建Socket对象,并同时请求与服务端程序的连接。Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 8888);// 2、从socket通信管道中得到一个字节输出流,用来发数据给服务端程序OutputStream os = socket.getOutputStream();// 3、把低级的字节输出流包装成数据输出流DataOutputStream dos = new DataOutputStream(os);Scanner sc = new Scanner(System.in);while (true) {System.out.println("请说:");String msg = sc.nextLine();// 一旦用户输入了exit,就退出客户端程序if("exit".equals(msg)){System.out.println("欢迎您下次光临!退出成功!");dos.close();socket.close();break;}// 4、开始写数据出去了dos.writeUTF(msg);dos.flush();}}}
Server.java
import java.io.DataInputStream;import java.io.InputStream;import java.net.ServerSocket;import java.net.Socket;/** *目标:完成TCP通信快速入门-服务端开发:实现服务端反复发消息 */public class Server {public static void main(String[] args) throws Exception {System.out.println("-----服务端启动成功-------");// 1、创建ServerSocket的对象,同时为服务端注册端口。ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8888);// 2、使用serverSocket对象,调用一个accept方法,等待客户端的连接请求Socket socket = serverSocket.accept();// 3、从socket通信管道中得到一个字节输入流InputStream is = socket.getInputStream();// 4、把原始的字节输入流包装成数据输入流DataInputStream dis = new DataInputStream(is);while (true) {try {// 5、使用数据输入流读取客户端发送过来的消息String rs = dis.readUTF();System.out.println(rs);} catch (Exception e) {System.out.println(socket.getRemoteSocketAddress() + "离线了!");dis.close();socket.close();break;}}}}
TCP通信-支持与多个客户端同时通信
如果我们像刚才UDP通信那样,同时启动多个客户端,你会发现服务端只能接收到一个客户端发送的消息,那么我们该如何实现服务端与多个客户端同时通信呢
目前我们开发的服务端程序,是不可以与多个客户端同时通信的,因为服务端只有一个主线程,只能处理一个客户端的消息
Client.java 不变
添加一个 ServerReaderThread 线程类,每个线程处理一个客户端
import java.io.DataInputStream;import java.io.InputStream;import java.net.Socket;public class ServerReaderThread extends Thread{private Socket socket;public ServerReaderThread(Socket socket){this.socket = socket;}@Overridepublic void run() {try {InputStream is = socket.getInputStream();DataInputStream dis = new DataInputStream(is);while (true){try {String msg = dis.readUTF();System.out.println(msg);} catch (Exception e) {System.out.println("有人下线了:" + socket.getRemoteSocketAddress());dis.close();socket.close();break;}}} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}}
Server.java
import java.net.ServerSocket;import java.net.Socket;/** *目标:完成TCP通信快速入门-服务端开发:要求实现与多个客户端同时通信 */public class Server {public static void main(String[] args) throws Exception {System.out.println("-----服务端启动成功-------");// 1、创建ServerSocket的对象,同时为服务端注册端口。ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8888);while (true) {// 2、使用serverSocket对象,调用一个accept方法,等待客户端的连接请求Socket socket = serverSocket.accept();System.out.println("有人上线了:" + socket.getRemoteSocketAddress());// 3、把这个客户端对应的socket通信管道,交给一个独立的线程负责处理new ServerReaderThread(socket).start();}}}
TCP通信-综合案例
即时通信-群聊
什么是群聊?怎么实现?
- 是指一个客户端把消息发出去,其他在线的全部客户端都可以收到消息
- 需要用到端口转发的设计思想
- 服务端需要把在线的Socket管道存起来,一旦收到一个消息要推送给其他管道
TCP通信-端口转发
代码实现
改进 Client.java
import java.io.DataOutputStream;import java.io.OutputStream;import java.net.Socket;import java.util.Scanner;/** *目标:完成TCP通信快速入门-客户端开发:实现客户端可以反复的发消息出去 */public class Client {public static void main(String[] args) throws Exception {// 1、创建Socket对象,并同时请求与服务端程序的连接。Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 8888);// 改进:创建一个独立的线程,负责随机从socket中接收服务端发送过来的消息new ClentReaderThread(socket).start();// 2、从socket通信管道中得到一个字节输出流,用来发数据给服务端程序OutputStream os = socket.getOutputStream();// 3、把低级的字节输出流包装成数据输出流DataOutputStream dos = new DataOutputStream(os);Scanner sc = new Scanner(System.in);while (true) {System.out.println("请说:");String msg = sc.nextLine();// 一旦用户输入了exit,就退出客户端程序if("exit".equals(msg)){System.out.println("欢迎您下次光临!退出成功!");dos.close();socket.close();break;}// 4、开始写数据出去了dos.writeUTF(msg);dos.flush();}}}
添加 ClientReaderThread.java
import java.io.DataInputStream;import java.io.InputStream;import java.net.Socket;// 该线程不停接收服务端转发过来的消息并打印,相当于收到群聊里别人的信息// 思路和服务端接收消息差不多public class ClentReaderThread extends Thread{private Socket socket;public ClentReaderThread(Socket socket){this.socket = socket;}@Overridepublic void run() {try {InputStream is = socket.getInputStream();DataInputStream dis = new DataInputStream(is);while (true){try {String msg = dis.readUTF();System.out.println(msg);} catch (Exception e) {System.out.println("自己下线了:" + socket.getRemoteSocketAddress());dis.close();socket.close();break;}}} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}}
改进 Server.java
import java.net.ServerSocket;import java.net.Socket;import java.util.ArrayList;import java.util.List;/** *目标:完成TCP通信快速入门-服务端开发:要求实现与多个客户端同时通信 */public class Server {// 改进:添加一个集合保存在线的所有客户端,便于转发消息public static List<Socket> onLineSockets = new ArrayList<>();public static void main(String[] args) throws Exception {System.out.println("-----服务端启动成功-------");// 1、创建ServerSocket的对象,同时为服务端注册端口。ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8888);while (true) {// 2、使用serverSocket对象,调用一个accept方法,等待客户端的连接请求Socket socket = serverSocket.accept();onLineSockets.add(socket);// 有客户端上线就添加System.out.println("有人上线了:" + socket.getRemoteSocketAddress());// 3、把这个客户端对应的socket通信管道,交给一个独立的线程负责处理。new ServerReaderThread(socket).start();}}}
改进 ServerReaderThread.java
import java.io.*;import java.net.Socket;public class ServerReaderThread extends Thread{private Socket socket;public ServerReaderThread(Socket socket){this.socket = socket;}@Overridepublic void run() {try {InputStream is = socket.getInputStream();DataInputStream dis = new DataInputStream(is);while (true){try {String msg = dis.readUTF();System.out.println(msg);// 把这个消息分发给全部客户端进行接收。sendMsgToAll(msg);} catch (Exception e) {System.out.println("有人下线了:" + socket.getRemoteSocketAddress());Server.onLineSockets.remove(socket);// 客户端下线就删除dis.close();socket.close();break;}}} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}// 添加消息转发方法private void sendMsgToAll(String msg) throws IOException {// 发送给全部在线的socket管道接收。for (Socket onLineSocket : Server.onLineSockets) {OutputStream os = onLineSocket.getOutputStream();DataOutputStream dos = new DataOutputStream(os);dos.writeUTF(msg);dos.flush();}}}
实现一个简易版的BS架构
需求描述
要求从浏览器中访问服务器,并立即让服务器响应一个很简单的网页给浏览器展示
BS架构的基本原理
BS架构的客户端就是浏览器,客户从浏览器访问服务器的方法就是通过网址来访问,一般的格式是 http://服务器IP:服务器端口
注意:服务器必须给浏览器响应HTTP协议规定的数据格式,否则浏览器不会识别返回的数据,也就是说,服务端返回数据不能还是用以前那种打印语句直接打印
HTTP协议规定:响应给浏览器的数据格式必须满足如下格式
需求实现
Server.java,和前面的一样
import java.net.ServerSocket;import java.net.Socket;/** *目标:完成TCP通信快速入门-服务端开发:要求实现与多个客户端同时通信。 */public class Server {public static void main(String[] args) throws Exception {System.out.println("-----服务端启动成功-------");// 1、创建ServerSocket的对象,同时为服务端注册端口。ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080);while (true) {// 2、使用serverSocket对象,调用一个accept方法,等待客户端的连接请求Socket socket = serverSocket.accept();System.out.println("有人上线了:" + socket.getRemoteSocketAddress());// 3、把这个客户端对应的socket通信管道,交给一个独立的线程负责处理。new ServerReaderThread(socket).start();}}}
改进 ServerReaderThread.java
import java.io.OutputStream;import java.io.PrintStream;import java.net.Socket;public class ServerReaderThread extends Thread{private Socket socket;public ServerReaderThread(Socket socket){this.socket = socket;}@Overridepublic void run() {//立即响应一个网页内容给浏览器展示。try {OutputStream os = socket.getOutputStream();PrintStream ps = new PrintStream(os);ps.println("HTTP/1.1 200 OK");ps.println("Content-Type:text/html;charset=UTF-8");ps.println(); // 必须换行ps.println("66666666666");// 访问完就要关闭ps.close();socket.close();} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}}
效果
随便打开一个浏览器,输入网址 127.0.0.1:8080
回车即可,其中 127.0.0.1 代表本机IP,8080 是我们在服务端指定的端口
改进
在上面的程序中,客户端的每次请求都会开一个新的线程,这样做好不好呢?
其实是不好的,当访问人数特别多时,也就是高并发时,就会很容易宕机
很明显,我们都知道要使用线程池来进行优化
优化后的代码
Server.java
import java.net.ServerSocket;import java.net.Socket;import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;import java.util.concurrent.Executors;import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;import java.util.concurrent.TimeUnit;/** *目标:完成TCP通信快速入门-服务端开发:要求实现与多个客户端同时通信。 */public class Server {public static void main(String[] args) throws Exception {System.out.println("-----服务端启动成功-------");// 1、创建ServerSocket的对象,同时为服务端注册端口ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080);// 创建出一个线程池,负责处理通信管道的任务ThreadPoolExecutor pool = new ThreadPoolExecutor(16 * 2, 16 * 2, 0, TimeUnit.SECONDS,new ArrayBlockingQueue<>(8), Executors.defaultThreadFactory(),new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy());while (true) {// 2、使用serverSocket对象,调用一个accept方法,等待客户端的连接请求Socket socket = serverSocket.accept();// 3、把这个客户端对应的socket通信管道,交给一个独立的线程负责处理pool.execute(new ServerReaderRunnable(socket));}}}
ServerReaderRunnable.java
import java.io.OutputStream;import java.io.PrintStream;import java.net.Socket;public class ServerReaderRunnable implements Runnable{private Socket socket;public ServerReaderRunnable(Socket socket){this.socket = socket;}@Overridepublic void run() {//立即响应一个网页内容给浏览器展示try {OutputStream os = socket.getOutputStream();PrintStream ps = new PrintStream(os);ps.println("HTTP/1.1 200 OK");ps.println("Content-Type:text/html;charset=UTF-8");ps.println(); // 必须换行ps.println("88888");ps.close();socket.close();} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}}