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8.3 基于Socket(套接字)的低层次Java网络编程

  8.3.1 Socket通讯

  网络上的两个程序通过一个双向的通讯连接实现数据的交换,这个双向链路的一端称为一个Socket。Socket通常用来实现客户方和服务方的连接。Socket是TCP/IP协议的一个十分流行的编程界面,一个Socket由一个IP地址和一个端口号唯一确定。

  在传统的UNIX环境下可以操作TCP/IP协议的接口不止Socket一个,Socket所支持的协议种类也不光TCP/IP一种,因此两者之间是没有必然联系的。在Java环境下,Socket编程主要是指基于TCP/IP协议的网络编程。

  说Socket编程是低层次网络编程并不等于它功能不强大,恰恰相反,正因为层次低,Socket编程比基于URL的网络编程提供了更强大的功能和更灵活的控制,但是却要更复杂一些。由于Java本身的特殊性,Socket编程在Java中可能已经是层次最低的网络编程接口,在Java中要直接操作协议中更低的层次,需要使用Java的本地方法调用(JNI),在这里就不予讨论了。

  8.3.2 Socket通讯的一般过

  前面已经提到Socket通常用来实现C/S结构。

  使用Socket进行Client/Server程序设计的一般连接过程是这样的:Server端Listen(监听)某个端口是否有连接请求, Client端向Server端发出Connect(连接)请求,Server端向Client端发回Accept(接受)消息。一个连接就建立起来了。 Server端和Client端都可以通过Send,Write等方法与对方通信。

  对于一个功能齐全的Socket,都要包含以下基本结构,其工作过程包含以下四个基本的步骤:
  (1) 创建Socket;
  (2) 打开连接到Socket的输入/出流;
  (3) 按照一定的协议对Socket进行读/写操作;
  (4) 关闭Socket.

  第三步是程序员用来调用Socket和实现程序功能的关键步骤,其他三步在各种程序中基本相同。

  以上4个步骤是针对TCP传输而言的,使用UDP进行传输时略有不同,在后面会有具体讲解。

  8.3.3 创建Socket

  java在包java.net中提供了两个类Socket和ServerSocket,分别用来表示双向连接的客户端和服务端。这是两个封装得非常好的类,使用很方便。其构造方法如下:
  Socket(InetAddress address, int port);
  Socket(InetAddress address, int port, boolean stream);
  Socket(String host, int prot);
  Socket(String host, int prot, boolean stream);
  Socket(SocketImpl impl)
  Socket(String host, int port, InetAddress localAddr, int localPort)
  Socket(InetAddress address, int port, InetAddress localAddr, int localPort)
  ServerSocket(int port);
  ServerSocket(int port, int backlog);
  ServerSocket(int port, int backlog, InetAddress bindAddr)

  其中address、host和port分别是双向连接中另一方的IP地址、主机名和端口号,stream指明socket是流socket还是数据报 socket,localPort表示本地主机的端口号,localAddr和bindAddr是本地机器的地址(ServerSocket的主机地址),impl是socket的父类,既可以用来创建serverSocket又可以用来创建Socket。count则表示服务端所能支持的最大连接数。例如:
  Socket client = new Socket("127.0.01.", 80);
  ServerSocket server = new ServerSocket(80);

  注意,在选择端口时,必须小心。每一个端口提供一种特定的服务,只有给出正确的端口,才能获得相应的服务。0~1023的端口号为系统所保留,例如 http服务的端口号为80,telnet服务的端口号为21,ftp服务的端口号为23, 所以我们在选择端口号时,最好选择一个大于1023的数以防止发生冲突。

  在创建socket时如果发生错误,将产生IOException,在程序中必须对之作出处理。所以在创建Socket或ServerSocket是必须捕获或抛出例外。

  8.3.4 客户端的Socket

  下面是一个典型的创建客户端Socket的过程。
   try{
     Socket socket=new Socket("127.0.0.1",4700);
     //127.0.0.1是TCP/IP协议中默认的本机地址
   }catch(IOException e){
     System.out.println("Error:"+e);
   }

  这是最简单的在客户端创建一个Socket的一个小程序段,也是使用Socket进行网络通讯的第一步,程序相当简单,在这里不作过多解释了。在后面的程序中会用到该小程序段。


  8.3.5 服务器端的ServerSocket

  下面是一个典型的创建Server端ServerSocket的过程。
  ServerSocket server=null;
  try {
     server=new ServerSocket(4700);
     //创建一个ServerSocket在端口4700监听客户请求
  }catch(IOException e){
     System.out.println("can not listen to :"+e);
  }
  Socket socket=null;
  try {
    socket=server.accept();
    //accept()是一个阻塞的方法,一旦有客户请求,它就会返回一个Socket对象用于同客户进行交互
  }catch(IOException e){
    System.out.println("Error:"+e);
  }

  以上的程序是Server的典型工作模式,只不过在这里Server只能接收一个请求,接受完后Server就退出了。实际的应用中总是让它不停的循环接收,一旦有客户请求,Server总是会创建一个服务线程来服务新来的客户,而自己继续监听。程序中accept()是一个阻塞函数,所谓阻塞性方法就是说该方法被调用后,将等待客户的请求,直到有一个客户启动并请求连接到相同的端口,然后accept()返回一个对应于客户的socket。这时,客户方和服务方都建立了用于通信的socket,接下来就是由各个socket分别打开各自的输入/输出流。

  8.3.6 打开输入/出流

  类Socket提供了方法getInputStream ()和getOutStream()来得到对应的输入/输出流以进行读/写操作,这两个方法分别返回InputStream和OutputSteam类对象。为了便于读/写数据,我们可以在返回的输入/输出流对象上建立过滤流,如DataInputStream、DataOutputStream或 PrintStream类对象,对于文本方式流对象,可以采用InputStreamReader和OutputStreamWriter、 PrintWirter等处理。

  例如:
  PrintStream os=new PrintStream(new BufferedOutputStreem(socket.getOutputStream()));
  DataInputStream is=new DataInputStream(socket.getInputStream());
  PrintWriter out=new PrintWriter(socket.getOutStream(),true);
  BufferedReader in=new ButfferedReader(new InputSteramReader(Socket.getInputStream()));

  输入输出流是网络编程的实质性部分,具体如何构造所需要的过滤流,要根据需要而定,能否运用自如主要看读者对Java中输入输出部分掌握如何。

  8.3.7 关闭Socket

  每一个Socket存在时,都将占用一定的资源,在Socket对象使用完毕时,要其关闭。关闭Socket可以调用Socket的Close()方法。在关闭Socket之前,应将与Socket相关的所有的输入/输出流全部关闭,以释放所有的资源。而且要注意关闭的顺序,与Socket相关的所有的输入/输出该首先关闭,然后再关闭Socket。
  os.close();
  is.close();
  socket.close();

  尽管Java有自动回收机制,网络资源最终是会被释放的。但是为了有效的利用资源,建议读者按照合理的顺序主动释放资源。

  8.3.8 简单的Client/Server程序设计

  下面我们给出一个用Socket实现的客户和服务器交互的典型的C/S结构的演示程序,读者通过仔细阅读该程序,会对前面所讨论的各个概念有更深刻的认识。程序的意义请参考注释。

  1. 客户端程序

  import java.io.*;
  import java.net.*;
  public class TalkClient {
    public static void main(String args[]) {
      try{
        Socket socket=new Socket("127.0.0.1",4700);
        //向本机的4700端口发出客户请求
        BufferedReader sin=new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
        //由系统标准输入设备构造BufferedReader对象
        PrintWriter os=new PrintWriter(socket.getOutputStream());
        //由Socket对象得到输出流,并构造PrintWriter对象
        BufferedReader is=new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
        //由Socket对象得到输入流,并构造相应的BufferedReader对象
        String readline;
        readline=sin.readLine(); //从系统标准输入读入一字符串
        while(!readline.equals("bye")){
        //若从标准输入读入的字符串为 "bye"则停止循环
          os.println(readline);
          //将从系统标准输入读入的字符串输出到Server
          os.flush();
          //刷新输出流,使Server马上收到该字符串
          System.out.println("Client:"+readline);
          //在系统标准输出上打印读入的字符串
          System.out.println("Server:"+is.readLine());
          //从Server读入一字符串,并打印到标准输出上
          readline=sin.readLine(); //从系统标准输入读入一字符串
        } //继续循环
        os.close(); //关闭Socket输出流
        is.close(); //关闭Socket输入流
        socket.close(); //关闭Socket
      }catch(Exception e) {
        System.out.println("Error"+e); //出错,则打印出错信息
      }
  }
  } 2. 服务器端程序

  import java.io.*;
  import java.net.*;
  import java.applet.Applet;
  public class TalkServer{
    public static void main(String args[]) {
      try{
        ServerSocket server=null;
        try{
          server=new ServerSocket(4700);
        //创建一个ServerSocket在端口4700监听客户请求
        }catch(Exception e) {
          System.out.println("can not listen to:"+e);
        //出错,打印出错信息
        }

        Socket socket=null;
        try{
          socket=server.accept();
          //使用accept()阻塞等待客户请求,有客户
          //请求到来则产生一个Socket对象,并继续执行
        }catch(Exception e) {
          System.out.println("Error."+e);
          //出错,打印出错信息
        }
        String line;
        BufferedReader is=new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
         //由Socket对象得到输入流,并构造相应的BufferedReader对象
        PrintWriter os=newPrintWriter(socket.getOutputStream());
         //由Socket对象得到输出流,并构造PrintWriter对象
        BufferedReader sin=new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
         //由系统标准输入设备构造BufferedReader对象

        System.out.println("Client:"+is.readLine());
        //在标准输出上打印从客户端读入的字符串
        line=sin.readLine();
        //从标准输入读入一字符串
        while(!line.equals("bye")){
        //如果该字符串为 "bye",则停止循环
          os.println(line);
          //向客户端输出该字符串
          os.flush();
          //刷新输出流,使Client马上收到该字符串
          System.out.println("Server:"+line);
          //在系统标准输出上打印读入的字符串
          System.out.println("Client:"+is.readLine());
          //从Client读入一字符串,并打印到标准输出上
          line=sin.readLine();
          //从系统标准输入读入一字符串
        }  //继续循环
        os.close(); //关闭Socket输出流
        is.close(); //关闭Socket输入流
        socket.close(); //关闭Socket
        server.close(); //关闭ServerSocket
      }catch(Exception e){
        System.out.println("Error:"+e);
        //出错,打印出错信息
      }
    }
  }

  从上面的两个程序中我们可以看到,socket四个步骤的使用过程。读者可以分别将Socket使用的四个步骤的对应程序段选择出来,这样便于读者对socket的使用有进一步的了解。

  读者可以在单机上试验该程序,最好是能在真正的网络环境下试验该程序,这样更容易分辨输出的内容和客户机,服务器的对应关系。同时也可以修改该程序,提供更为强大的功能,或更加满足读者的意图。

  

  8.3.9 支持多客户的client/server程序设计

  前面提供的Client/Server程序只能实现Server和一个客户的对话。在实际应用中,往往是在服务器上运行一个永久的程序,它可以接收来自其他多个客户端的请求,提供相应的服务。为了实现在服务器方给多个客户提供服务的功能,需要对上面的程序进行改造,利用多线程实现多客户机制。服务器总是在指定的端口上监听是否有客户请求,一旦监听到客户请求,服务器就会启动一个专门的服务线程来响应该客户的请求,而服务器本身在启动完线程之后马上又进入监听状态,等待下一个客户的到来。

  客户端的程序和上面程序是完全一样的,读者如果仔细阅读过上面的程序,可以跳过不读,把主要精力集中在Server端的程序上。

  2. 服务器端程序: MultiTalkServer.java

  import java.io.*;
  import java.net.*;
  import ServerThread;
  public class MultiTalkServer{
   static int clientnum=0; //静态成员变量,记录当前客户的个数
   public static void main(String args[]) throws IOException {
    ServerSocket serverSocket=null;
    boolean listening=true;
    try{
      serverSocket=new ServerSocket(4700);
      //创建一个ServerSocket在端口4700监听客户请求
    }catch(IOException e) {
      System.out.println("Could not listen on port:4700.");
      //出错,打印出错信息
      System.exit(-1); //退出
    }
    while(listening){ //永远循环监听
      new ServerThread(serverSocket.accept(),clientnum).start();
      //监听到客户请求,根据得到的Socket对象和
       客户计数创建服务线程,并启动之
      clientnum++; //增加客户计数
    }
    serverSocket.close(); //关闭ServerSocket
  }
  }

  3. 程序ServerThread.java

  import java.io.*;
  import java.net.*;
  public class ServerThread extends Thread{
   Socket socket=null; //保存与本线程相关的Socket对象
   int clientnum; //保存本进程的客户计数
   public ServerThread(Socket socket,int num) { //构造函数
    this.socket=socket; //初始化socket变量
    clientnum=num+1; //初始化clientnum变量
   }
   public void run() { //线程主体
    try{
      String line;
      BufferedReader is=new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
  //由Socket对象得到输入流,并构造相应的BufferedReader对象
      PrintWriter os=newPrintWriter(socket.getOutputStream());
      //由Socket对象得到输出流,并构造PrintWriter对象
      BufferedReader sin=new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
      //由系统标准输入设备构造BufferedReader对象
      System.out.println("Client:"+ clientnum +is.readLine());
      //在标准输出上打印从客户端读入的字符串
      line=sin.readLine();
      //从标准输入读入一字符串
      while(!line.equals("bye")){
      //如果该字符串为 "bye",则停止循环
        os.println(line);
        //向客户端输出该字符串
        os.flush();
        //刷新输出流,使Client马上收到该字符串
        System.out.println("Server:"+line);
        //在系统标准输出上打印该字符串
        System.out.println("Client:"+ clientnum +is.readLine());
        //从Client读入一字符串,并打印到标准输出上
        line=sin.readLine();
        //从系统标准输入读入一字符串
      } //继续循环
      os.close(); //关闭Socket输出流
      is.close(); //关闭Socket输入流
      socket.close(); //关闭Socket
      server.close(); //关闭ServerSocket
     }catch(Exception e){
      System.out.println("Error:"+e);
      //出错,打印出错信息
     }
   }
  }

  通过以上的学习,读者应该对Java的面向流的网络编程有了一个比较全面的认识,这些都是基于TCP的应用,后面我们将介绍基于UDP的Socket编程
posted on 2006-11-05 11:42 周游世界 阅读(564) 评论(0)  编辑  收藏 所属分类: 网络协议

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