实用指南：网络编程套接字

news/2026/1/11 16:12:45/文章来源:https://www.cnblogs.com/gccbuaa/p/19447398

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本系列文章为本人在学习路上遇到的问题和解决方法，在这里撰写成文是为了巩固知识和帮助其他友友。
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1. 网络编程基础

为什么需要网络编程？-丰富的网络资源

用户在浏览器中，打开在线视频网站，如优酷看视频，实质是通过网络，获取到网络上的一个视频资源。

与本地打开视频文件类似，只是视频文件这个资源的来源是网络。

相比本地资源来说，网络提供了更为丰富的网络资源：

所谓的网络资源，其实就是在网络中可以获取的各种数据资源。

而所有的网络资源，都是通过网络编程来进行数据传输的。

1.1 什么是网络编程？

网络编程，指网络上的主机，通过不同的进程，以编程的方式实现网络通信(或称为网络数据传输)。

当然，我们只要满足进程不同就行；即便是同一个主机，只要是不同进程，基于网络来传输数据，也属于网络编程。

但是，我们以定要明确，我们的目的是提供网络上不同主机，基于网络来传输数据资源：

进程A：编程来获取网络资源。

进程B：变成来提供网络资源。

1.2 网络中的基本概念

发送端和接收端

再一次网络传输时：

发送端：数据的发送送进程，称为发送端。发送端主机即网络通信中的源主机。

接收端：数据的接收收进程，称为接收端。接收端主机即网络通信中的目的主机。

收发端：发送端和接收端两端，也简称为收发端。

注意：发送端和接收端只是相对的，只是一次网络数据传输产生数据流向后的概念。

请求和响应：

一般来说，获取一个网络资源，涉及到两次网络数据传输：

第一次：请求数据的发送。

第二次：响应数据的发送。

客户端和服务端

服务端：在常见的网络数据传输场景下，把提供服务的一方进程，称为服务端，可以提供对外服务。

客户端：获取服务的一方进程，称为客户端。

对于服务来说，一般是提供：

客户端获取服务资源：

客户端保存资源在服务端：

常见的客户端服务端模型

最常见的场景，客户端是指给用户使用的程序，服务端是提供用户服务的程序：

1. 客户端先发送请求到服务端

2. 服务端根据请求数据，执行相应的业务处理

3. 服务端返回响应：发送业务处理结果

4. 客户端根据响应数据，展示处理结果（展示获取的资源，或提示保存资源的处理结果）

2. Socket套接字

2.1 概念

Socket套接字，是系统提供用于网络通信的技术，是基于TCP/IP协议的网络通信的基本操作单元。基于Socket套接字的网络程序开发就是网络编程。(相当于提供一个Socket接口，用户可以通过Socke套接字来实现send、receive数据)。

2.2 分类

Socket套接字主要针对传输层协议划分为如下三类：

流套接字：使用传输层TCP协议。

TCP即传输控制协议，传输层协议。

以下为TCP的特点：

有连接、可靠传输、面向字节流、有接收缓冲区、也有发送缓冲区、大小不限。

数据报套接字：使用传输层UDP协议。

UDP即用户数据报协议，传输层协议。

以下为UDP的特点：

无连接、不可靠传输、面向数据报、有接收缓冲区、无发送缓冲区、大小受限：一次最多传输64K。

对于数据报来说，可以简单的理解为，传输数据是一块一块的，发送一块数据假如100个字节，必须一次发送，接收也必须一次接收100个字节，而不能分100次，每次接收1个字节。

原始套接字：原始套接字用于自定义传输层协议，用于读写内核没有处理的IP协议数据。

2.3 Java数据报套接字通信模型

对于UDP协议来说，具有无连接，面向数据报的特征，即每次都是没有建立连接，并且一次发送全部数据报，一次接收全部的数据报。

java中使用UDP协议通信，主要基于DatagramSocket 类来创建数据报套接字，并使用DatagramPacket 作为发送或接收的UDP数据报。对于一次发送及接收UDP数据报的流程如下：

以上只是一次发送端的UDP数据报发送，及接收端的数据报接收，并没有返回的数据。也就是只有请求，没有响应。对于一个服务端来说，重要的是提供多个客户端的请求处理及响应，流程如下：

2.4 Java流套接字通信模型

3. UDP数据报套接字编程

API介绍

DatagramSocket

DatagramSocket是UDP Socket，用于发送和接收UDP数据报。

DatagramSocket构造方法：

方法签名	方法说明
DatagramSocket()	创建一个UDP数据报套接字的Socket，绑定到本机任意一个随机端口(一般用于客户端)。
DatagramSocket(int port)	创建一个UDP数据报套接字的Socket，绑定到本机指定的端口(一般用于服务端)

DatagramSocket方法：

方法签名	方法说明
void receive(DatagramPacket p)	从此套接字接收数据报(如果没有接收到数据报，该方法会阻塞等待)
void send(DatagramPacket p)	从此套接字发送数据报(不会阻塞等待，直接发送)
void close()	关闭此数据报套接字

DatagramPacket

DatagramPacket 是UDP Socket发送和接收的数据报。

DatagramPacket 构造方法：

方法签名	方法说明
DatagramPacket(byte[] buf, int length)	构造⼀个DatagramPacket以用来接收数据报，接收的数据保存在字节数组（第一个参数buf）中，接收指定长度（第二个参数length）
DatagramPacket(byte[] buf, int offset,int length, SocketAddress address)	构造一个DatagramPacket以用来发送数据报，发送的数据为字节数组（第⼀个参数buf）中，从0到指定长度（第二个参数length）。address指定目的主机的IP 和端口号。

DatagramPacket 方法：

方法签名	方法说明
InetAddress getAddress()	从接收的数据报中，获取发送端主机IP地址；或从发送的数据报中，获取接收端主机IP地址。
int getPort()	从接收的数据报中，获取发送端主机的端⼝号；或从发送的数据报中，获取接收端主机端⼝号。
byte[] getData()	获取数据报中的数据。

构造UDP发送的数据报时，需要传入 SocketAddress ，该对象可以使用InetSocketAddress 来创建。

InetSocketAddress

InetSocketAddress（SocketAddress的子类）构造方法

方法签名	方法说明
InetSocketAddress(InetSocketAddress addr，int port)	创建一个Socket地址，包含IP地址和端口号

3.1 代码示例

UDP Echo Server

package network;
import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.Proxy;
import java.net.SocketException;
public class EchoServer {private DatagramSocket socket;public EchoServer(int port) throws SocketException {socket=new DatagramSocket(port);}//启动服务器，完成主要的业务逻辑public void start() throws IOException {System.out.println("服务端启动");while (true){// 1. 读取请求并解析//  1) 创建一个空白的 DatagramPacket 对象DatagramPacket reqPacket=new DatagramPacket(new byte[4096],4096);//  2) 通过 receive 读取网卡的数据. 如果网卡没有收到数据, 就会阻塞等待.socket.receive(reqPacket);//  3) 把 DatagramPacket 中的数据解析成字符串. 只需要从 DatagramPacket 取到有效的数据即可.String request=new String(reqPacket.getData(),0,reqPacket.getLength());//2.计算响应String response= process(request);//3.写回到客户端DatagramPacket resPacket=new DatagramPacket(response.getBytes(),response.getBytes().length,reqPacket.getSocketAddress());socket.send(resPacket);// 4. 打印日志.System.out.printf("[%s:%d] req: %s, resp: %s\n",reqPacket.getAddress(), reqPacket.getPort(), request, response);}}//回显服务器public String process(String request){return request;}public static void main(String[] args) throws IOException {EchoServer server=new EchoServer(9090);server.start();}
}

UDP Echo Client

package network;
import java.io.IOException;
import java.net.*;
import java.util.Scanner;
public class EchoClient {private DatagramSocket socket=null;private String serverIp;private int serverPort;public EchoClient(String serverIp, int serverPort) throws SocketException {this.serverIp = serverIp;this.serverPort = serverPort;socket = new DatagramSocket();}public void start() throws IOException {Scanner scanner=new Scanner(System.in);System.out.println("客户端启动！");while (true){System.out.print(">");String request=scanner.next();DatagramPacket reqPacket=new DatagramPacket(request.getBytes(),request.getBytes().length, InetAddress.getByName(serverIp),serverPort);socket.send(reqPacket);//3.读取服务器的响应DatagramPacket respPacket = new DatagramPacket(new byte[4096], 4096);socket.receive(respPacket);String response=new String(respPacket.getData(),0,respPacket.getLength());// 4. 把响应显示到控制台.System.out.println(response);}}public static void main(String[] args) throws IOException {EchoClient client=new EchoClient("127.0.0.1",9090);client.start();}
}

UDP Dict Server

编写一个英译汉的服务器。只需要重写process。

package network;
import java.io.IOException;
import java.net.SocketException;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
public class DictServer extends EchoServer{private Map dict=new HashMap<>();public DictServer(int port) throws SocketException {super(port);dict.put("cat", "小猫");dict.put("dog", "小狗");dict.put("pig", "小猪");dict.put("bird", "小鸟");dict.put("sheep", "小羊");dict.put("cow", "小牛");dict.put("chicken", "小鸡");dict.put("rabbit", "小兔子");dict.put("fish", "小鱼");dict.put("wolf", "狼");dict.put("monkey", "猴子");dict.put("chicken", "小鸡");dict.put("fish", "小鱼");dict.put("tiger", "老虎");dict.put("lion", "狮子");dict.put("wolf", "狼");dict.put("monkey", "猴子");}@Overridepublic String process(String request){return dict.getOrDefault(request,"该单词没有查到");}public static void main(String[] args) throws IOException {DictServer server=new DictServer(9090);server.start();}
}

4. TCP流套接字编程

API介绍

ServerSocket

ServerSocket 是创建TCP服务端Socket的API。

ServerSocket 构造方法：

方法签名	方法说明
ServerSocket(int port)	创建一个服务端套接字Socket，并绑定到指定端口

ServerSocket 方法：

方法签名	方法说明
Socket accept()	开始监听指定端⼝（创建时绑定的端⼝），有客户端连接后，返回⼀个服务端Socket对象，并基于该 Socket建立与客户端的连接，否则阻塞等待。
void close()	关闭此套接字。

Socket

Socket 是客户端Socket，或服务端中接收到客户端建立连接（accept方法）的请求后，返回的服务端Socket。

不管是客户端还是服务端Socket，都是双方建立连接以后，保存的对端信息，及用来与对方收发数据的。

Socket 构造方法：

方法签名	方法说明
Socket(String host,int port)	创建一个客户端流套接字Socket，并与对应IP的主机上，对应端口的进程建立连接。

Socket 方法：

方法签名	方法说明
InetAddress getInetAddress()	返回套接字所连接的地址
InputStream getInputStream()	返回此套接字的输入流
OutputStream getOutputStream()	返回此套接字的输出流

4.1 代码示例

TCP Echo Server

package network.tcp;
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;
public class EchoServer {private ServerSocket serverSocket;public EchoServer(int port) throws IOException {serverSocket=new ServerSocket(port);}public void start() throws IOException {Socket socket=serverSocket.accept();processConnection(socket);}private void processConnection(Socket socket){System.out.printf("[%s:%d] 服务器上线!\n", socket.getInetAddress().toString(), socket.getPort());try (InputStream inputStream=socket.getInputStream();OutputStream outputStream=socket.getOutputStream()){// 实现通信的代码.// 一个客户端可能会和服务器有多轮的请求响应交互.Scanner scanner=new Scanner(inputStream);PrintWriter writer=new PrintWriter(outputStream);while (true){if (!scanner.hasNext()){// 针对客户端下线逻辑的处理. 如果客户端断开连接了 (比如客户端结束了)// 此时 hasNext 就会返回 false// 如果是使用 read 方法, 就会出现返回 -1 的情况. 也可以用来判定客户端断开连接.System.out.printf("[%s:%d] client offline!\n", socket.getInetAddress().toString(), socket.getPort());break;}String request=scanner.next();String response=process(request);writer.println(response);writer.flush();System.out.printf("[%s:%d] req: %s; resp: %s\n", socket.getInetAddress().toString(), socket.getPort(),request, response);}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();} finally {try {socket.close();} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}}private String process(String request) {return request;}public static void main(String[] args) throws IOException {EchoServer server=new EchoServer(9090);server.start();}
}

TCP Echo Client

package network.tcp;
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;
public class EchoClient {private Socket socket;public EchoClient(String serverIp,int serverPort) throws IOException {// 在 new 这个对象的时候就涉及到 "建立连接操作"// 由于连接建立好了之后, 服务器的信息就在操作系统中被 TCP 协议记录了. 我们在应用程序层面上就不需要保存 IP 和 端口.socket = new Socket(serverIp, serverPort);}public void start(){System.out.println("客户端启动");Scanner scanner=new Scanner(System.in);try (InputStream inputStream = socket.getInputStream();OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()) {Scanner scannerNet=new Scanner(inputStream);PrintWriter writer=new PrintWriter(outputStream);while (true){// 1. 从控制台读取用户的输入.System.out.print("> ");String request=scanner.next();writer.println(request);writer.flush();if (!scannerNet.hasNext()) {System.out.println("server disconnect");break;}String response=scannerNet.next();System.out.println(response);}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}public static void main(String[] args) throws IOException {EchoClient client=new EchoClient("127.0.0.1",9090);client.start();}
}

5. 服务器引入多线程

如果只是单个线程，无法同时响应多个客户端。

此处给每个客户端都分配一个线程。

  public void start() throws IOException {System.out.println("服务器启动");while (true){Socket socket=serverSocket.accept();Thread t=new Thread(()->{processConnection(socket);});t.start();}}

5.1 服务器引入线程池

// 启动服务器
public void start() throws IOException {System.out.println("服务器启动!");ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();while (true) {Socket clientSocket = serverSocket.accept();// 使⽤线程池, 来解决上述问题service.submit(new Runnable() {@Overridepublic void run() {processConnection(clientSocket);}});}
}