Java【网络原理】（3）网络编程续

目录

1.前言

2.正文

2.1ServerSocket类

2.2Socket类

2.3Tcp回显服务器

2.3.1TcpEchoServer

2.3.2TcpEchoClient

3.小结

1.前言

哈喽大家好，今天继续进行计算机网络的初阶学习，今天学习的是tcp回显服务器的实现，正文开始

2.正文

在正式讲解Tcp回显服务器，还要介绍两个包，一个是ServerSocket包，这个包是专门给服务器用的，Socket包是服务器和客户端都会用，下文详解。

2.1ServerSocket类

Java中的ServerSocket类是用于在服务器端监听客户端连接请求的核心类，属于java.net包。它允许服务器应用程序在指定端口上等待客户端的连接，并为每个连接创建一个Socket对象进行通信。

核心作用

  • 监听端口：绑定到特定端口，等待客户端连接。

  • 接受连接：通过accept()方法阻塞等待客户端连接，返回代表客户端的Socket对象。

  • 管理连接队列：通过backlog参数设置等待连接队列的最大长度。

关键方法

  1. 构造方法

    • ServerSocket(int port)：绑定到指定端口。

    • ServerSocket(int port, int backlog)：指定端口和连接队列长度。

    • ServerSocket(int port, int backlog, InetAddress bindAddr)：绑定到特定IP地址的端口。

  2. 核心方法

    • Socket accept()：阻塞等待客户端连接，返回连接的Socket对象。

    • void bind(SocketAddress endpoint)：绑定到指定地址和端口。

    • void close()：关闭服务器套接字。

    • int getLocalPort()：获取监听的端口号。

    • void setSoTimeout(int timeout)：设置accept()的超时时间（毫秒）。

使用流程

  1. 创建ServerSocket并绑定端口。

  2. 循环调用accept()接受客户端连接。

  3. 为每个连接的Socket启动新线程处理请求。

  4. 处理完成后关闭资源。

2.2Socket类

Java中的Socket类是用于实现网络通信的核心类，属于java.net包。它代表客户端与服务器之间的一个连接，允许通过输入流和输出流进行双向数据传输。Socket类通常与ServerSocket类配合使用，实现客户端-服务器模型的通信。

核心作用

  • 建立连接：连接到服务器端的指定IP地址和端口。

  • 数据传输：通过输入流（InputStream）和输出流（OutputStream）进行数据交换。

  • 关闭连接：释放资源并终止通信。

关键方法

  1. 构造方法

    • Socket(String host, int port)：连接到指定主机和端口。

    • Socket(InetAddress address, int port)：使用InetAddress对象连接到指定主机和端口。

    • Socket(String host, int port, InetAddress localAddr, int localPort)：绑定到本地地址和端口，同时连接到远程主机。

  2. 核心方法

    • InputStream getInputStream()：获取输入流，用于读取服务器发送的数据。

    • OutputStream getOutputStream()：获取输出流，用于向服务器发送数据。

    • void close()：关闭套接字，释放资源。

    • void shutdownInput()：关闭输入流。

    • void shutdownOutput()：关闭输出流。

    • boolean isConnected()：检查是否已连接。

    • boolean isClosed()：检查是否已关闭。

使用流程

  1. 创建Socket对象并连接到服务器。

  2. 获取输入流和输出流进行数据交换。

  3. 处理数据并完成通信。

  4. 关闭Socket和相关资源。

2.3Tcp回显服务器

2.3.1TcpEchoServer

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.util.Scanner;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

/**
 * TCP回显服务器实现类
 * 功能：接收客户端消息并原样返回（回显）
 */
public class TcpEchoServer {
    private ServerSocket serverSocket = null;  // 服务器套接字对象

    // 构造方法：初始化服务器并绑定端口
    public TcpEchoServer(int port) throws IOException {
        serverSocket = new ServerSocket(port);  // 创建ServerSocket并绑定指定端口
    }

    /**
     * 启动服务器核心逻辑
     */
    public void start() throws IOException {
        System.out.println("启动服务器");
        
        // 创建线程池（动态调整线程数量，适合短任务）
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();

        // 持续监听客户端连接
        while (true) {
            // 阻塞等待客户端连接
            Socket clientSocket = serverSocket.accept();
            
            // 将客户端连接提交给线程池处理
            executorService.submit(() -> {
                try {
                    processConnection(clientSocket);  // 处理单个客户端连接
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            });
        }
    }

    /**
     * 处理单个客户端连接的完整生命周期
     * @param clientSocket 客户端套接字对象
     */
    private void processConnection(Socket clientSocket) throws IOException {
        // 打印客户端连接信息
        System.out.printf("[%s:%d] 客户端上线!\n", 
                         clientSocket.getInetAddress(), 
                         clientSocket.getPort());
        
        // 使用try-with-resources自动关闭流
        try (InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream();
             OutputStream outputStream = clientSocket.getOutputStream()) {
            
            // 使用Scanner和PrintWriter包装流对象
            Scanner scanner = new Scanner(inputStream);    // 输入流扫描器
            PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream);  // 输出流写入器

            // 持续处理客户端请求
            while (true) {
                // 1. 检测连接状态（若输入流中没有数据，说明客户端断开）
                if (!scanner.hasNext()) {
                    System.out.printf("[%s:%d] 客户端下线!\n", 
                                    clientSocket.getInetAddress(), 
                                    clientSocket.getPort());
                    break;
                }
                
                // 2. 读取请求并处理
                String request = scanner.next();    // 读取客户端请求（空格分隔）
                String response = process(request); // 处理请求生成响应

                // 3. 返回响应给客户端
                printWriter.println(response);  // 写入响应
                printWriter.flush();            // 强制刷新缓冲区
            }
        } catch (IOException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        } finally {
            try {
                clientSocket.close();  // 确保关闭客户端套接字
            } catch (IOException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }
    }

    /**
     * 处理请求的核心逻辑（示例为简单回显）
     * @param request 客户端请求内容
     * @return 返回与请求相同的字符串
     */
    private String process(String request) {
        // 此处可添加业务逻辑（示例直接返回原内容）
        return request;
    }

    /**
     * 主方法：启动服务器实例
     */
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        TcpEchoServer tcpEchoServer = new TcpEchoServer(9090);  // 创建服务器实例（端口9090）
        tcpEchoServer.start();  // 启动服务器
    }
}

核心思路讲解：

整体架构设计：

该代码实现了一个多线程TCP回显服务器，核心功能是接收客户端发送的文本消息，并将消息原样返回（回显）。其架构设计遵循经典客户端-服务器模型，核心特点包括：

  • 多线程处理：通过线程池动态分配线程，避免单线程阻塞导致的性能瓶颈。

  • 资源自动管理：利用try-with-resources确保流和套接字的自动释放。

  • 松耦合设计：将连接处理（processConnection）与业务逻辑（process）分离，便于扩展。

核心组件解析：

(1) ServerSocket 的职责

  • 端口监听：绑定到指定端口（如9090），通过accept()阻塞等待客户端连接。

  • 连接队列管理：默认使用操作系统提供的连接队列（通过backlog参数可调整队列长度）。

  • 生命周期控制：服务器运行时持续监听，直到进程终止（代码中未实现优雅关闭逻辑）。

(2) Socket 连接处理

  • 双向通信：每个客户端连接对应一个Socket对象，通过其输入流（InputStream）和输出流（OutputStream）实现数据交换。

  • 连接状态检测：通过scanner.hasNext()判断客户端是否断开（输入流关闭时返回false）。

(3) 线程池的作用

  • 动态资源分配：Executors.newCachedThreadPool()创建的线程池会根据任务量自动扩展/收缩：

    • 空闲线程默认存活60秒后被回收。

    • 适合短生命周期任务（如HTTP请求）。

  • 避免线程爆炸：相比为每个连接直接创建new Thread()，线程池能有效控制系统资源占用。

3. 关键流程详解：

(1) 启动阶段

  1. 初始化ServerSocket并绑定端口。

  2. 创建线程池，进入无限循环等待连接。

(2) 连接处理阶段

  1. 接受连接：accept()返回客户端Socket对象。

  2. 提交任务：将processConnection方法包装为任务提交到线程池。

  3. 处理请求：

    • 通过Scanner逐词读取客户端请求（空格分隔）。

    • 调用process()生成响应（此处简单回显）。

    • 通过PrintWriter写回响应并强制刷新缓冲区。

(3) 连接终止

  1. 客户端主动断开：scanner.hasNext()检测到输入流结束，跳出循环关闭连接。

  2. 异常处理：捕获IOException并关闭套接字，防止资源泄漏。

2.3.2TcpEchoClient

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.Socket;
import java.util.Scanner;

public class TcpEchoClient {
    // 定义一个Socket对象，用于与服务器建立连接
    private Socket socket = null;

    // 构造函数，用于初始化客户端并连接到指定的服务器IP和端口
    private TcpEchoClient(String serverIp, int serverPort) throws IOException {
        // 创建一个Socket对象，连接到指定的服务器IP和端口
        socket = new Socket(serverIp, serverPort);
    }

    // 启动客户端，开始与服务器进行通信
    public void start() {
        // 创建一个Scanner对象，用于从控制台读取用户输入
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        try (
            // 获取Socket的输入流，用于接收服务器发送的数据
            InputStream inputStream = socket.getInputStream();
            // 获取Socket的输出流，用于向服务器发送数据
            OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()
        ) {
            // 创建一个Scanner对象，用于从输入流中读取服务器发送的数据
            Scanner scannerNet = new Scanner(inputStream);
            // 创建一个PrintWriter对象，用于向输出流中写入数据
            PrintWriter writer = new PrintWriter(outputStream);

            // 进入一个无限循环，持续与服务器进行通信
            while (true) {
                // 从控制台读取用户输入的数据
                String request = scanner.next();
                // 将用户输入的数据发送到服务器
                writer.println(request);
                // 刷新输出流，确保数据被发送
                writer.flush();
                // 从服务器读取响应数据
                String response = scannerNet.next();
                // 将服务器返回的响应数据打印到控制台
                System.out.println(response);
            }
        } catch (IOException e) {
            // 如果发生IO异常，抛出运行时异常
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    // 主函数，程序的入口
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创建一个TcpEchoClient对象，连接到本地服务器的9090端口
        TcpEchoClient client = new TcpEchoClient("127.0.0.1", 9090);
        // 启动客户端，开始与服务器通信
        client.start();
    }
}

 核心思路讲解：

  1. Socket连接：

    • 在TcpEchoClient的构造函数中，通过new Socket(serverIp, serverPort)创建一个Socket对象，连接到指定的服务器IP和端口。这个Socket对象将用于后续的通信。

  2. 输入输出流：

    • 在start方法中，通过socket.getInputStream()和socket.getOutputStream()分别获取Socket的输入流和输出流。输入流用于接收服务器发送的数据，输出流用于向服务器发送数据。

  3. 用户输入与服务器通信：

    • 使用Scanner从控制台读取用户输入的数据，并通过PrintWriter将数据发送到服务器。

    • 使用Scanner从输入流中读取服务器返回的响应数据，并将其打印到控制台。

  4. 循环通信：

    • 通过一个无限循环while (true)，客户端可以持续与服务器进行通信。每次循环中，客户端都会读取用户输入，发送到服务器，并等待服务器的响应。

  5. 异常处理：

    • 如果在通信过程中发生IO异常，代码会捕获该异常并抛出运行时异常。

  6. 主函数：

    • 在main函数中，创建一个TcpEchoClient对象，并连接到本地服务器的9090端口。然后调用start方法，启动客户端与服务器的通信。

3.小结

今天的分享到这里就结束了，喜欢的小伙伴不要忘记点点赞点个关注，你的鼓励就是对我最大的支持，加油！

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