第一章 网络编程入门
1.1软件结构
C/S结构:全称为Client/Server结构,是指客户端和服务器结构。常见程序有QQ、迅雷等软件。
B/S结构 :全称为Browser/Server结构,是指浏览器和服务器结构。常见浏览器有谷歌、火狐等。
两种架构各有优势,但是无论哪种架构,都离不开网络的支持。网络编程,就是在一定的协议下,实现两台计算机的通信的程序。
1.2 网络通信协议
- 网络通信协议:通信协议是对计算机必须遵守的规则,只有遵守这些规则,计算机之间才能进行通信。这就好比在道路中行驶的汽车一定要遵守交通规则一样,协议中对数据的传输格式、传输速率、传输步骤等做了统一规定,通信双方必须同时遵守,最终完成数据交换。
- TCP/IP协议: 传输控制协议/因特网互联协议( Transmission Control Protocol/Internet Protocol),是Internet最基本、最广泛的协议。它定义了计算机如何连入因特网,以及数据如何在它们之间传输的标准。它的内部包含一系列的用于处理数据通信的协议,并采用了4层的分层模型,每一层都呼叫它的下一层所提供的协议来完成自己的需求。
1.3 协议分类
通信的协议还是比较复杂的,java.net
包中包含的类和接口,它们提供低层次的通信细节。我们可以直接使用这些类和接口,来专注于网络程序开发,而不用考虑通信的细节。
java.net
包中提供了两种常见的网络协议的支持:
- TCP:传输控制协议 (Transmission Control Protocol)。TCP协议是面向连接的通信协议,即传输数据之前,在发送端和接收端建立逻辑连接,然后再传输数据,它提供了两台计算机之间可靠无差错的数据传输。
- 三次握手:TCP协议中,在发送数据的准备阶段,客户端与服务器之间的三次交互,以保证连接的可靠。
- 第一次握手,客户端向服务器端发出连接请求,等待服务器确认。
- 第二次握手,服务器端向客户端回送一个响应,通知客户端收到了连接请求。
- 第三次握手,客户端再次向服务器端发送确认信息,确认连接。整个交互过程如下图所示。
完成三次握手,连接建立后,客户端和服务器就可以开始进行数据传输了。由于这种面向连接的特性,TCP协议可以保证传输数据的安全,所以应用十分广泛,例如下载文件、浏览网页等。
- UDP:用户数据报协议(User Datagram Protocol)。UDP协议是一个面向无连接的协议。传输数据时,不需要建立连接,不管对方端服务是否启动,直接将数据、数据源和目的地都封装在数据包中,直接发送。每个数据包的大小限制在64k以内。它是不可靠协议,因为无连接,所以传输速度快,但是容易丢失数据。日常应用中,例如视频会议、QQ聊天等。
1.4 网络编程三要素
协议
- 协议:计算机网络通信必须遵守的规则,已经介绍过了,不再赘述。
IP地址
- IP地址:指互联网协议地址(Internet Protocol Address),俗称IP。IP地址用来给一个网络中的计算机设备做唯一的编号。假如我们把“个人电脑”比作“一台电话”的话,那么“IP地址”就相当于“电话号码”。
IP地址分类
IPv4:是一个32位的二进制数,通常被分为4个字节,表示成a.b.c.d
的形式,例如192.168.65.100
。其中a、b、c、d都是0~255之间的十进制整数,那么最多可以表示42亿个。
IPv6:由于互联网的蓬勃发展,IP地址的需求量愈来愈大,但是网络地址资源有限,使得IP的分配越发紧张。有资料显示,全球IPv4地址在2011年2月分配完毕。
为了扩大地址空间,拟通过IPv6重新定义地址空间,采用128位地址长度,每16个字节一组,分成8组十六进制数,表示成ABCD:EF01:2345:6789:ABCD:EF01:2345:6789
,号称可以为全世界的每一粒沙子编上一个网址,这样就解决了网络地址资源数量不够的问题。
特殊的IP地址
端口号
网络的通信,本质上是两个进程(应用程序)的通信。每台计算机都有很多的进程,那么在网络通信时,如何区分这些进程呢?
如果说IP地址可以唯一标识网络中的设备,那么端口号就可以唯一标识设备中的进程(应用程序)了。
- 端口号:用两个字节表示的整数,它的取值范围是0~65535。其中,0~1023之间的端口号用于一些知名的网络服务和应用,普通的应用程序需要使用1024以上的端口号。如果端口号被另外一个服务或应用所占用,会导致当前程序启动失败。
利用协议
+IP地址
+端口号
三元组合,就可以标识网络中的进程了,那么进程间的通信就可以利用这个标识与其它进程进行交互。
第二章 TCP通信程序
2.1 概述
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)。
两端通信时步骤:
- 服务端程序,需要事先启动,等待客户端的连接。
- 客户端主动连接服务器端,连接成功才能通信。服务端不可以主动连接客户端。
在Java中,提供了两个类用于实现TCP通信程序:
- 客户端:
java.net.Socket
类表示。创建Socket
对象,向服务端发出连接请求,服务端响应请求,两者建立连接开始通信。
- 服务端:
java.net.ServerSocket
类表示。创建ServerSocket
对象,相当于开启一个服务,并等待客户端的连接。
2.2 Socket类
Socket
类:该类实现客户端套接字,套接字指的是两台设备之间通讯的端点。
构造方法
构造举例,代码如下:
1
| Socket client = new Socket("127.0.0.1", 6666);
|
成员方法
public InputStream getInputStream()
: 返回此套接字的输入流。
- 如果此Scoket具有相关联的通道,则生成的InputStream 的所有操作也关联该通道。
- 关闭生成的InputStream也将关闭相关的Socket。
public OutputStream getOutputStream()
: 返回此套接字的输出流。
- 如果此Scoket具有相关联的通道,则生成的OutputStream 的所有操作也关联该通道。
- 关闭生成的OutputStream也将关闭相关的Socket。
public void close()
:关闭此套接字。
- 一旦一个socket被关闭,它不可再使用。
- 关闭此socket也将关闭相关的InputStream和OutputStream 。
public void shutdownOutput()
: 禁用此套接字的输出流。
2.3 ServerSocket类
ServerSocket
类:这个类实现了服务器套接字,该对象等待通过网络的请求。
构造方法
public ServerSocket(int port)
:使用该构造方法在创建ServerSocket对象时,就可以将其绑定到一个指定的端口号上,参数port就是端口号。
构造举例,代码如下:
1
| ServerSocket server = new ServerSocket(6666);
|
成员方法
public Socket accept()
:侦听并接受连接,返回一个新的Socket对象,用于和客户端实现通信。该方法会一直阻塞直到建立连接。
2.4 简单的TCP网络程序
TCP通信分析图解
- 【服务端】启动,创建ServerSocket对象,等待连接。
- 【客户端】启动,创建Socket对象,请求连接。
- 【服务端】接收连接,调用accept方法,并返回一个Socket对象。
- 【客户端】Socket对象,获取OutputStream,向服务端写出数据。
- 【服务端】Scoket对象,获取InputStream,读取客户端发送的数据。
到此,客户端向服务端发送数据成功。
自此,服务端向客户端回写数据。
- 【服务端】Socket对象,获取OutputStream,向客户端回写数据。
- 【客户端】Scoket对象,获取InputStream,解析回写数据。
- 【客户端】释放资源,断开连接。
客户端向服务器发送数据
服务端实现:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38
| import java.io.IOException; import java.io.InputStream; import java.net.ServerSocket; import java.net.Socket;
public class ServerTCP { public static void main(String[] args) throws IOException {
System.out.println("服务端启动, 等待连接 ...");
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8888);
Socket socket = serverSocket.accept();
InputStream in = socket.getInputStream();
byte[] buf = new byte[1024]; int len = -1; while ((len = in.read(buf)) != -1) { String str = new String(buf, 0, len); System.out.println("服务端读取的数据为 : " + str); }
serverSocket.close();
System.out.println("服务端关闭, 结束连接."); } }
输出结果 : 服务端启动, 等待连接 ... 服务端读取的数据为 : 在吗? 服务端关闭, 结束连接.
|
客户端实现:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
| import java.io.IOException; import java.io.OutputStream; import java.net.Socket;
public class ClientTCP { public static void main(String[] args) throws IOException {
Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 8888);
OutputStream out = socket.getOutputStream();
out.write("在吗?".getBytes());
socket.close(); } }
|
服务器向客户端回写数据
服务端实现:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48
| import java.io.IOException; import java.io.InputStream; import java.io.OutputStream; import java.net.ServerSocket; import java.net.Socket;
public class ServerTCP { public static void main(String[] args) throws IOException {
System.out.println("服务端启动, 等待连接 ...");
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8888);
Socket socket = serverSocket.accept();
InputStream in = socket.getInputStream();
byte[] buf = new byte[1024]; int len = -1; while ((len = in.read(buf)) != -1) { String str = new String(buf, 0, len); System.out.println("服务端读取的数据为 : " + str); }
OutputStream out = socket.getOutputStream();
out.write("在".getBytes()); socket.shutdownOutput();
serverSocket.close();
System.out.println("服务端关闭, 结束连接."); } }
输出结果 : 服务端启动, 等待连接 ... 服务端读取的数据为 :在吗? 服务端关闭, 结束连接.
|
客户端实现:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38
| import java.io.IOException; import java.io.InputStream; import java.io.OutputStream; import java.net.Socket;
public class ClientTCP { public static void main(String[] args) throws IOException {
Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 8888);
OutputStream out = socket.getOutputStream();
out.write("在吗?".getBytes()); socket.shutdownOutput();
InputStream in = socket.getInputStream();
byte[] buf = new byte[1024]; int len = -1; while ((len = in.read(buf)) != -1) { String str = new String(buf, 0, len); System.out.println("客户端读写服务端的回写数据为 : " + str); }
socket.close(); } }
输出结果 : 客户端读写服务端的回写数据为 : 在
|
第三章 综合案例
3.1 文件上传案例
文件上传分析图解
- 【客户端】输入流,从硬盘读取文件数据到程序中。
- 【客户端】输出流,写出文件数据到服务端。
- 【服务端】输入流,读取文件数据到服务端程序。
- 【服务端】输出流,写出文件数据到服务器硬盘中。
基本实现
服务端实现:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60
| import java.io.*; import java.net.ServerSocket; import java.net.Socket;
public class FileUploadServer { public static void main(String[] args) throws IOException {
System.out.println("服务端已启动, 等待客户端连接.");
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8888);
Socket socket = serverSocket.accept();
BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(socket.getInputStream()); File parentFile = new File("D:/upload"); if (parentFile.exists() == false) { parentFile.mkdirs(); } String ip = socket.getInetAddress().getHostAddress(); File file = new File(parentFile, ip + ".jpg"); BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream(file));
byte[] buf = new byte[1024]; int len = -1; while ((len = bis.read(buf)) != -1) { bos.write(buf, 0, len); bos.flush(); }
OutputStream out = socket.getOutputStream(); out.write("上传成功!".getBytes()); socket.shutdownOutput();
serverSocket.close();
System.out.println("文件保存成功!"); } }
输出结果 : 服务端已启动, 等待客户端连接. 文件保存成功!
|
客户端实现:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42
| import java.io.*; import java.net.Socket;
public class FileUploadClient { public static void main(String[] args) throws IOException {
Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 8888);
BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(new FileInputStream("D:/柳岩.jpg")); BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(socket.getOutputStream());
byte[] buf = new byte[1024]; int len = -1; while ((len = bis.read(buf)) != -1) { bos.write(buf, 0, len); bos.flush(); } socket.shutdownOutput();
InputStream in = socket.getInputStream(); byte[] readBuf = new byte[1024]; int readLen = -1; while ((readLen = in.read(readBuf)) != -1) { String str = new String(readBuf, 0, readLen); System.out.println(str); }
socket.close(); } }
输出结果 : 上传成功!
|
文件上传优化分析 :
问题1 : 文件名称写死的问题
服务端,保存文件的名称如果写死,那么最终导致服务器硬盘,只会保留一个文件,建议使用系统时间优化,保证文件名称唯一,代码如下:
1 2
| FileOutputStream fis = new FileOutputStream(System.currentTimeMillis()+".jpg") BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(fis);
|
使用 UUID 类解决图片名称的问题 :
1 2 3 4
| for (int i = 0; i < 10; i++) { String name = UUID.randomUUID().toString().replaceAll("-", ""); System.out.println(name + ".jpg"); }
|
输出结果 :
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
| 345154742a884d0c8d38a981b06d0f51.jpg 828cade0a69b485983efa2efb6c2edf8.jpg 2522a1462142450195a32997aa00968b.jpg 0fb24406d79b40dcbefdd99298224d8f.jpg 8d9f7ed4cf12430ba4b9904bc17541a3.jpg 558fc7d91f614ae6845958cc81f9cfb6.jpg 5ede501fbd624f9d8d021f582da73219.jpg 5b51a105b3cf473ba0e2751029411ec9.jpg 42ea3479a85b4c7db915335302661515.jpg 89e58cb12a014c5faa83b6bb99a33ca6.jpg
|
问题2 : 循环接收的问题
服务端,指保存一个文件就关闭了,之后的用户无法再上传,这是不符合实际的,使用循环改进,可以不断的接收不同用户的文件,代码如下:
1 2 3 4 5
| while(true){ Socket accept = serverSocket.accept(); ...... }
|
问题3 : 效率问题
服务端,在接收大文件时,可能耗费几秒钟的时间,此时不能接收其他用户上传,所以,使用多线程技术优化,代码如下:
1 2 3 4 5 6 7 8 9
| while(true){ Socket accept = serverSocket.accept(); new Thread(() -> { ...... InputStream bis = accept.getInputStream(); ...... }).start(); }
|
优化实现 : 实现类完成
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36
| import java.io.*; import java.net.ServerSocket; import java.net.Socket;
public class FileUploadServer { public static void main(String[] args) throws IOException {
System.out.println("服务端已启动, 等待客户端连接.");
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8888);
while (true) { Socket socket = serverSocket.accept();
UploadTask uploadTask = new UploadTask(socket); new Thread(uploadTask, "上传线程").start(); }
} }
输出结果 : 服务端已启动, 等待客户端连接. 文件保存成功! 文件保存成功!
|
实现类 : UploadTask
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| import java.io.*; import java.net.Socket;
public class UploadTask implements Runnable { private Socket socket;
public UploadTask(Socket socket) { this.socket = socket; }
@Override public void run() { try { BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(socket.getInputStream()); File parentFile = new File("D:/upload"); if (parentFile.exists() == false) { parentFile.mkdirs(); } File file = new File(parentFile, System.currentTimeMillis() + ".jpg"); BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream(file));
byte[] buf = new byte[1024]; int len = -1; while ((len = bis.read(buf)) != -1) { bos.write(buf, 0, len); bos.flush(); }
OutputStream out = socket.getOutputStream(); out.write("上传成功!".getBytes()); socket.shutdownOutput(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); }
System.out.println("文件保存成功!"); } }
|
匿名内部类实现 :
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68
| import java.io.*; import java.net.ServerSocket; import java.net.Socket;
public class FileUploadServer { public static void main(String[] args) throws IOException {
System.out.println("服务端已启动, 等待客户端连接.");
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8888);
while (true) { Socket socket = serverSocket.accept();
new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { try { BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(socket.getInputStream()); File parentFile = new File("D:/upload"); if (parentFile.exists() == false) { parentFile.mkdirs(); } File file = new File(parentFile, System.currentTimeMillis() + ".jpg"); BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream(file));
byte[] buf = new byte[1024]; int len = -1; while ((len = bis.read(buf)) != -1) { bos.write(buf, 0, len); bos.flush(); }
OutputStream out = socket.getOutputStream(); out.write("上传成功!".getBytes()); socket.shutdownOutput(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); }
System.out.println("文件保存成功!"); } }, "上传线程").start(); }
} }
|
Lambda 表达式实现 :
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65
| import java.io.*; import java.net.ServerSocket; import java.net.Socket;
public class FileUploadServer { public static void main(String[] args) throws IOException {
System.out.println("服务端已启动, 等待客户端连接.");
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8888);
while (true) { Socket socket = serverSocket.accept();
new Thread(() -> { try { BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(socket.getInputStream()); File parentFile = new File("D:/upload"); if (parentFile.exists() == false) { parentFile.mkdirs(); } File file = new File(parentFile, System.currentTimeMillis() + ".jpg"); BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream(file));
byte[] buf = new byte[1024]; int len = -1; while ((len = bis.read(buf)) != -1) { bos.write(buf, 0, len); bos.flush(); }
OutputStream out = socket.getOutputStream(); out.write("上传成功!".getBytes()); socket.shutdownOutput(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); }
System.out.println("文件保存成功!"); }).start(); }
} }
|
3.2 模拟服务器
模拟网站服务器,使用浏览器访问自己编写的服务端程序,查看网页效果。
案例分析
准备页面数据,web文件夹。
我们模拟服务器端,ServerSocket类监听端口,使用浏览器访问
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
| import java.io.IOException; import java.io.InputStream; import java.net.ServerSocket; import java.net.Socket;
public class ServerTest { public static void main(String[] args) throws IOException {
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8888);
Socket socket = serverSocket.accept();
InputStream in = socket.getInputStream(); byte[] buf = new byte[1024]; int len = in.read(buf); String str = new String(buf, 0, len); System.out.println(str);
serverSocket.close(); } }
|
返回数据内容 :
1 2 3 4 5 6 7
| GET / HTTP/1.1 Accept: text/html, application/xhtml+xml, image/jxr, */* Accept-Language: zh-Hans-CN,zh-Hans;q=0.5 User-Agent: Mozilla/5.0 (Windows NT 10.0; Win64; x64) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/58.0.3029.110 Safari/537.36 Edge/16.16299 Accept-Encoding: gzip, deflate Host: localhost:8888 Connection: Keep-Alive
|
返回数据内容 :
1 2 3 4 5 6 7
| GET /web/index.html HTTP/1.1 Accept: text/html, application/xhtml+xml, image/jxr, */* Accept-Language: zh-Hans-CN,zh-Hans;q=0.5 User-Agent: Mozilla/5.0 (Windows NT 10.0; Win64; x64) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/58.0.3029.110 Safari/537.36 Edge/16.16299 Accept-Encoding: gzip, deflate Host: localhost:8888 Connection: Keep-Alive
|
GET /web/index.html HTTP/1.1是浏览器的请求消息。/web/index.html为浏览器想要请求的服务器端的资源,使用字符串切割方式获取到请求的资源。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38
| import java.io.BufferedReader; import java.io.IOException; import java.io.InputStream; import java.io.InputStreamReader; import java.net.ServerSocket; import java.net.Socket;
public class ServerTest { public static void main(String[] args) throws IOException {
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8888);
Socket socket = serverSocket.accept();
InputStream in = socket.getInputStream(); BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(in));
String line = reader.readLine(); System.out.println("line = " + line);
String[] split = line.split(" "); String path = split[1].substring(1); System.out.println("path = " + path); serverSocket.close(); } }
输出结果如下 : line = GET /web/index.html HTTP/1.1 path = web/index.html
|