Java网络编程——ServerSocket用法解析

在客户/服务器通信模式中，服务器端需要创建监听特定的端口的ServerSocket，ServerSocket负责接收客户连接请求。

1、构造ServerSocket

ServerSocket的构造方法有以下几种重载形式：

public ServerSocket() throws IOException;
public ServerSocket(int port) throws IOException;
public ServerSocket(int port, int backlog) throws IOException;
public ServerSocket(int port, int backlog, InetAddress bindAddr) throws IOException;

在以上构造方法中，参数port指定服务器要绑定的端口（即服务器要监听的端口），参数backlog指定客户连接请求队列的长度，参数bindAddr指定服务器要绑定的IP地址。

1.1、绑定端口

除了第1个不带参数的构造方法，其他构造方法都会使服务器与特定端口绑定，该端口由参数port指定。例如，以下代码创建了一个与80端口绑定的服务器：

ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(80);

如果运行时无法绑定到80端口，以上代码就会抛出IOException，更确切地说，是抛出BindException，它是IOException的子类。BindException一般是由以下原因造成的：

端口已经被其他服务器进程占用。
在某些操作系统中，如果没有以超级用户的身份来运行服务器程序，那么操作系统不允许服务器绑定到1～1023之间的端口。

如果把参数port设为0，则表示由操作系统为服务器分配一个任意的可用端口，也被称为匿名端口。对于多数服务器，会使用明确的端口，而不会使用匿名端口，因为客户程序需要事先知道服务器的端口，才能方便地访问服务器。在某些场合，匿名端口有着特殊的用途。

1.2、设定客户连接请求队列的长度

当服务器进程运行时，可能会同时监听到多个客户的连接请求。例如每当一个客户进程执行以下代码：

Socket socket = new Socket("www.javathinker.net",80);

就意味着在远程www.javathinker.net主机的80端口上，监听到了一个客户的连接请求。管理客户连接请求的任务是由操作系统来完成的。操作系统把这些连接请求存储在一个先进先出的队列中。许多操作系统都限定了队列的最大长度，一般为50。当队列中的连接请求达到了队列的最大长度时，服务器进程所在的主机会拒绝新的连接请求。只有当服务器进程通过ServerSocket的accept()方法从队列中取出连接请求，使队列腾出空位，队列才能继续加入新的连接请求。

对于客户进程，如果它发出的连接请求被加入服务器的队列中，就意味着客户与服务器的连接建立成功，客户进程从Socket构造方法中正常返回。如果客户进程发出的连接请求被服务器拒绝，Socket构造方法就会抛出ConnectionException。

ServerSocket构造方法的backlog参数用来显式设置连接请求队列的长度，它将覆盖操作系统限定的队列的最大长度。值得注意的是，在以下几种情况中，仍然会采用操作系统限定的队列的最大长度：

backlog参数的值大于操作系统限定的队列的最大长度。
backlog参数的值小于或等于0。
在ServerSocket构造方法中没有设置backlog参数。

下面的Client.java和Server.java用来演示服务器的连接请求队列的特性：
在这里插入图片描述

Client试图与Server进行100次连接。在Server类中，把连接请求队列的长度设为3。这意味着当队列中有了3个连接请求，如果Client再请求连接，就会被Server拒绝。下面按照以下步骤运行Server和Client程序：
（1）把Server类的main()方法中的“server.service();”这行程序代码注释掉。这使得服务器与8000端口绑定后，永远不会执行serverSocket.accept()方法，这意味着队列中的连接请求永远不会被取出。先运行Server程序，再运行Client程序，Client程序的打印结果如下：
在这里插入图片描述
从以上打印结果可以看出，Client与Server成功建立了3个连接后，就无法再创建其余的连接，因为服务器的队列已经满了。

（2）把Server类的main()方法按如下方式修改：
在这里插入图片描述
完成以上修改，服务器与8000端口绑定后，就会在一个while循环中不断执行serverSocket.accept()方法，该方法从队列中取出连接请求，使得队列能及时腾出空位，以容纳新的连接请求。先运行Server程序，然后运行Client程序，Client程序的打印结果如下：
在这里插入图片描述
从以上打印结果可以看出，此时Client能顺利地与Server建立100次连接。

1.3、设定绑定的IP地址

如果主机只有一个IP地址，那么在默认情况下，服务器程序就与该IP地址绑定。ServerSocket的第4个构造方法ServerSocket(int port,int backlog,InetAddress bindAddr)有一个bindAddr参数，它显式地指定服务器要绑定的IP地址，该构造方法适用于具有多个IP地址的主机。假定一个主机有两个网卡，一个网卡用于连接到Internet，IP地址为222.67.5.94，另一个网卡用于连接到本地局域网，IP地址为192.168.3.4。如果服务器仅仅被本地局域网中的客户访问，那么可以按如下方式创建ServerSocket：
在这里插入图片描述

1.4、默认构造方法的作用

ServerSocket有一个不带参数的默认构造方法。通过该方法创建的ServerSocket不与任何端口绑定，接下来还需要通过bind()方法与特定端口绑定。

这个默认构造方法的用途是，允许服务器在绑定到特定端口之前，先设置ServerSocket的一些选项。因为一旦服务器与特定端口绑定，有些选项就不能再改变了。

在以下代码中，先把ServerSocket的SO_REUSEADDR选项设为true，然后把它与8000端口绑定：
在这里插入图片描述
如果把以上程序代码改为：

那么serverSocket.setReuseAddress(true)方法就不起任何作用，因为SO_REUSEADDR选项必须在服务器绑定端口之前设置才有效。

2、接收和关闭与客户端的连接

ServerSocket的accept()方法从连接请求队列中取出一个客户的连接请求，然后创建与客户连接的Socket对象，并将它返回。如果队列中没有连接请求，accept()方法就会一直等待，直到接收到了连接请求才返回。

接下来，服务器从Socket对象中获得输入流和输出流，就能与客户交换数据。当服务器正在进行发送数据的操作时，如果客户端断开了连接，那么服务器端会抛出一个IOException的子类SocketException异常：
在这里插入图片描述
这只是服务器与单个客户通信中出现的异常，这种异常应该被捕获，使得服务器能继续与其他客户通信。

以下程序显示了单线程服务器采用的通信流程：
在这里插入图片描述
与单个客户通信的代码放在一个try代码块中，如果遇到异常，则该异常被catch代码块捕获。try代码块后面还有一个finally代码块，它保证不管与客户通信正常结束还是异常结束，最后都会关闭Socket，断开与这个客户的连接。

3、关闭ServerSocket

ServerSocket的close()方法使服务器释放占用的端口，并且断开与所有客户的连接。当一个服务器程序运行结束时，即使没有执行ServerSocket的close()方法，操作系统也会释放这个服务器占用的端口。因此，服务器程序并不一定要在结束之前执行ServerSocket的close()方法。

在某些情况下，如果希望及时释放服务器的端口，以便让其他程序能占用该端口，则可以显式地调用ServerSocket的close()方法。例如以下代码用于扫描1～65535之间的端口号。如果ServerSocket成功创建，则意味着该端口未被其他服务器进程绑定，否则说明该端口已经被其他进程占用：
在这里插入图片描述
以上程序代码创建了一个ServerSocket对象后，就马上关闭它，以便及时释放它占用的端口，从而避免程序临时占用系统的大多数端口。

ServerSocket的isClosed()方法判断ServerSocket是否关闭，只有执行了ServerSocket的close()方法，isClosed()方法才返回true；否则，即使ServerSocket还有没有和特定端口绑定，isClosed()方法也会返回false。

ServerSocket的isBound()方法判断ServerSocket是否已经与一个端口绑定，只要ServerSocket已经与一个端口绑定，即使它已经被关闭，isBound()方法也会返回true。

如果需要判断一个ServerSocket是否已经与特定端口绑定，并且还没有被关闭，则可以采用以下方式：
在这里插入图片描述

4、获取ServerSocket的信息

ServerSocket的以下两个get方法分别用于获得服务器绑定的IP地址，以及绑定的端口：
在这里插入图片描述

前面已经讲到，在构造ServerSocket时，如果把端口设为0，那么将由操作系统为服务器分配一个端口（称为匿名端口），程序只要调用getLocalPort()方法就能获知这个端口号。下面的RandomPort创建了一个ServerSocket，它使用的就是匿名端口：
在这里插入图片描述
多次运行RandomPort程序，可能会得到如下运行结果：

多数服务器会监听固定的端口，这样才便于客户程序访问服务器。匿名端口一般适用于服务器与客户之间的临时通信，通信结束后就断开连接，并且ServerSocket占用的临时端口也会被释放。

FTP就使用了匿名端口。如下图所示，FTP用于在本地文件系统与远程文件系统之间传送文件：
在这里插入图片描述
FTP使用两个并行的TCP连接：一个是控制连接，一个是数据连接。控制连接用于在客户和服务器之间发送控制信息，例如用户名和口令、改变远程目录的命令，或上传和下载文件的命令。数据连接用于传送文件。TCP服务器在21端口上监听控制连接，如果有客户要求上传或下载文件，就另外建立一个数据连接，通过它来传送文件。数据连接的建立有两种方式：
（1）如下图所示，TCP服务器在20端口上监听数据连接，TCP客户主动请求建立与该端口的连接：
在这里插入图片描述
（2）如下图所示，首先由TCP客户创建一个监听匿名端口的ServerSocket，TCP客户再把这个ServerSocket监听的端口号（调用ServerSocket的getLocalPort()方法就能得到端口号）发送给TCP服务器，然后由TCP服务器主动请求建立与客户端的连接：
在这里插入图片描述
以上第2种方式就使用了匿名端口，并且是在客户端使用的，用于和服务器建立临时的数据连接。在实际应用中，在服务器端也可以使用匿名端口。