Java基础：三步学会Java Socket编程

这两天没事看《TCP/IP协议详解-卷1》，把那些TFTP,FTP,TELNET,RPC/NFS都看了一下。

终于又长见识了，一句话总结： 一个TCP连接是由4元组：
[remote IP,remote port,local IP,local port] 唯一决定的。

人人皆知的做法：

服务器：bind在固定端口PORT等待连接。
客户端：connect服务器的固定端口PORT。

结果：客户端内核自动分配local port，服务端accept得到连接SOCKET，并且这些SOCKET的端口都是PORT。
长久以来的疑惑：尼玛所有的客户端都往服务端的PORT上发包，凭什么就知道送给哪个SOCKET呢？

解惑：一个TCP连接是由4元组：
[remote IP,remote port,local IP,local port] 唯一决定的。

服务端IP/PORT都一样，但客户端使用的PORT各不相同，所以服务端各SOCKET对应唯一的TCP连接。

这个概念是在看FTP得时候学到的：

FTP服务器提供端口20做控制命令，FTP客户端创建SOCKET BIND（0）在临时端口PORT做数据通道等待连接，并将IP/PORT发往服务器20端口，服务器创建一个SOCKET，bind在21端口向客户端PORT发起主动连接。

当大量客户端请求数据时，服务器创建无数个SOCKET，都bind在21端口，然后向不同的客户端发起主动连接，通过SO_REUSEADDR选项可以实现。

这是不是很郁闷，一台服务器上bind一堆20端口，然后向外connect不同的客户端（和TCP accept类似）。

这是因为虽然服务器的一堆SOCKET都在20端口，但remote ip/port是不同的，所以4元组不同就是不同的链接。

讲解完毕，如果对remote ip/port 和 local ip/port 还没深刻理解的盆友需要先去理解一下再来理解这个。

(UDP无连接，如果你让N个UDP SOCKET bind在同一个PORT，那外边来的包注定不知道给哪个SOCKET，这就是有连接和无连接的区别。 有连接是4元组，无连接是2元组)

(一个TCP套接字是由一个四元组(源IP地址，源端口号，目的IP地址，目的端口号)来标识的。与UDP不同的是，即使两个TCP报文段的目的IP地址和目的端口号相同，只要他们的源IP地址和源端口号不同的话，他们就将被定向到不同的套接字。一个UDP套接字是由一个包含目的ip地址和目的端口号的二元组来标识的。如果两个UDP报文有不同的源IP地址或者源端口号，只要他们具有相同的目的IP地址和目的端口号，就会被定向到同一个套接字，数据被交给同一进程。)

首先看一个用socket实现的多线程实例，可以实现服务器端和客户端的交互：

服务器端代码：

import java.net.ServerSocket;

/**
* 服务器端Socket
*
* @author Administrator
*
*/
public class SocketServer {

/**
* 服务器端Socket构造方法
*/
public SocketServer() {
try {

int clientcount = 0; // 统计客户端总数

boolean listening = true; // 是否对客户端进行监听

ServerSocket server = null; // 服务器端Socket对象

try {
// 创建一个ServerSocket在端口2121监听客户请求
server = new ServerSocket(2121);

System.out.println("Server starts...");
} catch (Exception e) {
System.out.println("Can not listen to. " + e);
}

while (listening) {
// 客户端计数
clientcount++;

// 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
new ServerThread(server.accept(), clientcount).start();
}
} catch (Exception e) {
System.out.println("Error. " + e);
}
}

/**
* 主方法
*
* @param args
*/
public static void main(String[] args) {
new SocketServer();
}
}

服务器端实现的多线程类：

import java.io.BufferedReader;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.Socket;

public class ServerThread extends Thread {

private static int number = 0; // 保存本进程的客户计数

Socket socket = null; // 保存与本线程相关的Socket对象

public ServerThread(Socket socket, int clientnum) {

this.socket = socket;
number = clientnum;
System.out.println("当前在线的用户数: " + number);
}

public void run() {
try {

// 由Socket对象得到输入流,并构造相应的BufferedReader对象
BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket
.getInputStream()));

// 由Socket对象得到输出流,并构造PrintWriter对象
PrintWriter out = new PrintWriter(socket.getOutputStream());

// 由系统标准输入设备构造BufferedReader对象
BufferedReader sysin = new BufferedReader(new InputStreamReader(
System.in));

// 在标准输出上打印从客户端读入的字符串
System.out.println("[Client " + number + "]: " + in.readLine());

String line; // 保存一行内容

// 从标准输入读入一字符串
line = sysin.readLine();

while (!line.equals("bye")) { // 如果该字符串为 "bye",则停止循环

// 向客户端输出该字符串
out.println(line);

// 刷新输出流,使Client马上收到该字符串
out.flush();

// 在系统标准输出上打印读入的字符串
System.out.println("[Server]: " + line);

// 从Client读入一字符串,并打印到标准输出上
System.out.println("[Client " + number + "]: " + in.readLine());

// 从系统标准输入读入一字符串
line = sysin.readLine();
}

out.close(); // 关闭Socket输出流
in.close(); // 关闭Socket输入流
socket.close(); // 关闭Socket
} catch (Exception e) {
System.out.println("Error. " + e);
}
}

}

客户端代码：

import java.io.BufferedReader;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.Socket;

/**
* 客户端Socket
*
* @author Administrator
*
*/
public class SocketClient {

/**
* 客户端Socket构造方法
*/
public SocketClient() {
try {

// 向本机的2121端口发出客户请求
Socket socket = new Socket("localhost", 2121);

System.out.println("Established a connection...");

// 由系统标准输入设备构造BufferedReader对象
BufferedReader sysin = new BufferedReader(new InputStreamReader(
System.in));

// 由Socket对象得到输出流,并构造PrintWriter对象
PrintWriter out = new PrintWriter(socket.getOutputStream());

// 由Socket对象得到输入流,并构造相应的BufferedReader对象
BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket
.getInputStream()));

String line; // 保存一行内容

// 从系统标准输入读入一字符串
line = sysin.readLine();

while (!line.equals("bye")) { // 若从标准输入读入的字符串为 "bye"则停止循环

// 将从系统标准输入读入的字符串输出到Server
out.println(line);

// 刷新输出流,使Server马上收到该字符串
out.flush();

// 在系统标准输出上打印读入的字符串
System.out.println("[Client]: " + line);

// 从Server读入一字符串，并打印到标准输出上
System.out.println("[Server]: " + in.readLine());

// 从系统标准输入读入一字符串
line = sysin.readLine();

}

out.close(); // 关闭Socket输出流
in.close(); // 关闭Socket输入流
socket.close(); // 关闭Socket
} catch (Exception e) {
System.out.println("Error. " + e);
}
}

/**
* 主方法
*
* @param args
*/
public static void main(String[] args) {
new SocketClient();
}

}

运行结果：



第一步　充分理解Socket

　　 1.什么是socket

　　 所谓socket通常也称作"套接字"，用于描述IP地址和端口，是一个通信链的句柄。应用程序通常通过"套接字"向网络发出请求或者应答网络请求。

　　 以J2SDK-1.3为例，Socket和ServerSocket类库位于java.net包中。ServerSocket用于服务器端，Socket是建立网络连接时使用的。在连接成功时，应用程序两端都会产生一个Socket实例，操作这个实例，完成所需的会话。对于一个网络连接来说，套接字是平等的，并没有差别，不因为在服务器端或在客户端而产生不同级别。不管是Socket还是ServerSocket它们的工作都是通过SocketImpl类及其子类完成的。

　　 重要的Socket API：

　　 java.net.Socket继承于java.lang.Object，有八个构造器，其方法并不多，下面介绍使用最频繁的三个方法，其它方法大家可以见JDK-1.3文档。

　　 . Accept方法用于产生"阻塞"，直到接受到一个连接，并且返回一个客户端的Socket对象实例。"阻塞"是一个术语，它使程序运行暂时"停留"在这个地方，直到一个会话产生，然后程序继续；通常"阻塞"是由循环产生的。

　　 . getInputStream方法获得网络连接输入，同时返回一个IutputStream对象实例，。

　　 . getOutputStream方法连接的另一端将得到输入，同时返回一个OutputStream对象实例。

　　 注意：其中getInputStream和getOutputStream方法均会产生一个IOException，它必须被捕获，因为它们返回的流对象，通常都会被另一个流对象使用。

　　 2.如何开发一个Server-Client模型的程序

　　 开发原理：

　　 服务器，使用ServerSocket监听指定的端口，端口可以随意指定（由于1024以下的端口通常属于保留端口，在一些操作系统中不可以随意使用，所以建议使用大于1024的端口），等待客户连接请求，客户连接后，会话产生；在完成会话后，关闭连接。

　　 客户端，使用Socket对网络上某一个服务器的某一个端口发出连接请求，一旦连接成功，打开会话；会话完成后，关闭Socket。客户端不需要指定打开的端口，通常临时的、动态的分配一个1024以上的端口。

　　 ｛建立服务器｝

import java.net.*;
import java.io.*;

public class Server
{
private ServerSocket ss;
private Socket socket;
private BufferedReader in;
private PrintWriter out;

public Server()
{
try
{
ss = new ServerSocket(10000);

while (true)
{
socket = ss.accept();
in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
out = new PrintWriter(socket.getOutputStream(),true);

String line = in.readLine();
out.println("you input is :" + line);

System.out.println("you input is : " + line);
out.close();
in.close();
socket.close();
}
ss.close();
}
catch (IOException e)
{}
}

public static void main(String[] args)
{
new Server();
}
}

这个程序建立了一个服务器，它一直监听10000端口，等待用户连接。在建立连接后给客户端返回一段信息，然后结束会话。这个程序一次只能接受一个客户连接。

｛建立客户端｝

import java.io.*;
import java.net.*;

public class Client
{
Socket socket;
BufferedReader in;
PrintWriter out;

public Client()
{
try
{
socket = new Socket("xxx.xxx.xxx.xxx", 10000);
in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
out = new PrintWriter(socket.getOutputStream(),true);
BufferedReader line = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));

out.println(line.readLine());
line.close();
out.close();
in.close();
socket.close();
}
catch (IOException e)
{}
}

public static void main(String[] args)
{
new Client();
}
}

这个客户端连接到地址为xxx.xxx.xxx.xxx的服务器，端口为10000，并从键盘输入一行信息，发送到服务器，然后接受服务器的返回信息，最后结束会话。

第二步　多个客户同时连接

　　 在实际的网络环境里，同一时间只对一个用户服务是不可行的。一个优秀的网络服务程序除了能处理用户的输入信息，还必须能够同时响应多个客户端的连接请求。在java中，实现以上功能特点是非常容易的。

　　 设计原理：

　　 主程序监听一端口，等待客户接入；同时构造一个线程类，准备接管会话。当一个Socket会话产生后，将这个会话交给线程处理，然后主程序继续监听。运用Thread类或Runnable接口来实现是不错的办法。

　　 ｛实现消息共享｝

import java.io.*;
import java.net.*;

public class Server extends ServerSocket
{
private static final int SERVER_PORT = 10000;

public Server() throws IOException
{
super(SERVER_PORT);

try
{
while (true)
{
Socket socket = accept();
new CreateServerThread(socket);
}
}
catch (IOException e)
{}
finally
{
close();
}
}
//--- CreateServerThread
class CreateServerThread extends Thread
{
private Socket client;
private BufferedReader in;
private PrintWriter out;

public CreateServerThread(Socket s) throws IOException
{
client = s;

in = new BufferedReader(new InputStreamReader(client.getInputStream(), "GB2312"));
out = new PrintWriter(client.getOutputStream(), true);
out.println("--- Welcome ---");
start();
}

public void run()
{
try
{
String line = in.readLine();

while (!line.equals("bye"))
{
String msg = createMessage(line);
out.println(msg);
line = in.readLine();
}
out.println("--- See you, bye! ---");
client.close();
}
catch (IOException e)
{}
}

private String createMessage(String line)
{
xxxxxxxxx;
}
}

public static void main(String[] args) throws IOException
{
new Server();
}
}

这个程序监听10000端口，并将接入交给CreateServerThread线程运行。CreateServerThread线程接受输入，并将输入回应客户，直到客户输入"bye"，线程结束。我们可以在createMessage方法中，对输入进行处理，并产生结果，然后把结果返回给客户。 第三步 实现信息共享:在Socket上的实时交流

　　 网络的伟大之一也是信息共享，Server可以主动向所有Client广播消息，同时Client也可以向其它Client发布消息。下面看看如何开发一个可以实时传递消息的程序。

设计原理：

　　 服务器端接受客户端的连接请求，同时启动一个线程处理这个连接，线程不停的读取客户端输入，然后把输入加入队列中，等候处理。在线程启动的同时将线程加入队列中，以便在需要的时候定位和取出。

　　 ｛源码｝

import java.io.*;
import java.net.*;
import java.util.*;
import java.lang.*;

public class Server extends ServerSocket
{
private static ArrayList User_List = new ArrayList();
private static ArrayList Threader = new ArrayList();
private static LinkedList Message_Array = new LinkedList();
private static int Thread_Counter = 0;
private static boolean isClear = true;
protected static final int SERVER_PORT = 10000;
protected FileOutputStream LOG_FILE = new FileOutputStream("d:/connect.log", true);

public Server() throws FileNotFoundException, IOException
{
super(SERVER_PORT);
new Broadcast();

//append connection log
Calendar now = Calendar.getInstance();
String str = "[" + now.getTime().toString() + "] Accepted a connection\015\012";
byte[] tmp = str.getBytes();
LOG_FILE.write(tmp);

try
{
while (true)
{
Socket socket = accept();
new CreateServerThread(socket);
}
}
finally
{
close();
}
}

public static void main(String[] args) throws IOException
{
new Server();
}

//--- Broadcast
class Broadcast extends Thread
{
public Broadcast()
{
start();
}

public void run()
{
while (true)
{
if (!isClear)
{
String tmp = (String)Message_Array.getFirst();

for (int i = 0; i < Threader.size(); i++)
{
CreateServerThread client = (CreateServerThread)Threader.get(i);
client.sendMessage(tmp);
}

Message_Array.removeFirst();
isClear = Message_Array.size() > 0 ? false : true;
}
}
}
}

//--- CreateServerThread
class CreateServerThread extends Thread
{
private Socket client;
private BufferedReader in;
private PrintWriter out;
private String Username;

public CreateServerThread(Socket s) throws IOException
{
client = s;
in = new BufferedReader(new InputStreamReader(client.getInputStream()));
out = new PrintWriter(client.getOutputStream(), true);
out.println("--- Welcome to this chatroom ---");
out.println("Input your nickname:");
start();
}

public void sendMessage(String msg)
{
out.println(msg);
}

public void run()
{
try
{
int flag = 0;
Thread_Counter++;
String line = in.readLine();

while (!line.equals("bye"))
{
if (line.equals("l"))
{
out.println(listOnlineUsers());
line = in.readLine();
continue;
}

if (flag++ == 0)
{
Username = line;
User_List.add(Username);
out.println(listOnlineUsers());
Threader.add(this);
pushMessage("[< " + Username + " come on in >]");
}
else
{
pushMessage("<" + Username + ">" + line);
}

line = in.readLine();
}

out.println("--- See you, bye! ---");
client.close();
}
catch (IOException e)
{}
finally
{
try
{
client.close();
}
catch (IOException e)
{}

Thread_Counter--;
Threader.remove(this);
User_List.remove(Username);
pushMessage("[< " + Username + " left>]");
}
}

private String listOnlineUsers()
{
String s ="-+- Online list -+-\015\012";

for (int i = 0; i < User_List.size(); i++)
{
s += "[" + User_List.get(i) + "]\015\012";
}

s += "-+---------------------+-";
return s;
}

private void pushMessage(String msg)
{
Message_Array.addLast(msg);
isClear = false;
}
}
}

这就是程序运行后，多用户登陆并且输入信息后的屏幕。实现了信息的实时广播。用户输入"l"就可以列出在线人员表。