Java Socket 多线程编程及socket协议详解

转载于http://blog.csdn.net/menxu_work/article/details/9177915

一、理解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，使用最频繁的三个方法，其它方法可以见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。

二、深入补充：socket通信协议：

        TCP和UDP，前者可以保证数据的正确和可靠性，后者则允许数据丢失。TCP/IP的协议栈的原理：在TCP和UDP同属于传输层，共同架设在IP层（网络层）之上。而IP层主要负责的是在节点之间（End to End）的数据包传送，这里的节点是一台网络设备，比如计算机。因为IP层只负责把数据送到节点，而不能区分上面的不同应用，所以TCP和UDP协议在其基础上加入了端口的信息，端口于是标识的是一个节点上的一个应用。除了增加端口信息，UPD协议基本就没有对IP层的数据进行任何的处理了。而TCP协议还加入了更加复杂的传输控制，比如滑动的数据发送窗口（Slice
Window），以及接收确认和重发机制，以达到数据的可靠传送。不管应用层看到的是怎样一个稳定的TCP数据流，下面传送的都是一个个的IP数据包，需要由TCP协议来进行数据重组。

        所以，防火墙并没有足够的信息判断TCP数据包的更多信息，除了IP地址和端口号。而且，我们也看到，所谓的端口，是为了区分不同的应用的，以在不同的IP包来到的时候能够正确转发。

         TCP/IP只是一个协议栈，就像操作系统的运行机制一样，必须要具体实现，同时还要提供对外的操作接口。就像操作系统会提供标准的编程接口，比如Win32编程接口一样，TCP/IP也必须对外提供编程接口，这就是Socket编程接口--原来是这么回事啊！

         在Socket编程接口里，设计者提出了一个很重要的概念，那就是socket。socket跟TCP/IP并没有必然的联系。Socket编程接口在设计的时候，就希望也能适应其他的网络协议。所以，socket的出现只是可以更方便的使用TCP/IP协议栈而已，其对TCP/IP进行了抽象，形成了几个最基本的函数接口。比如create，listen，accept，connect，read和write等等。

         如果一个程序创建了一个socket，并让其监听80端口，其实是向TCP/IP协议栈声明了其对80端口的占有。以后，所有目标是80端口的TCP数据包都会转发给该程序（这里的程序，因为使用的是Socket编程接口，所以首先由Socket层来处理）。所谓accept函数，其实抽象的是TCP的连接建立过程。accept函数返回的新socket其实指代的是本次创建的连接，而一个连接是包括两部分信息的，一个是源IP和源端口，另一个是宿IP和宿端口。所以，accept可以产生多个不同的socket，而这些socket里包含的宿IP和宿端口是不变的，变化的只是源IP和源端口。这样的话，这些socket宿端口就可以都是80，而Socket层还是能根据源/宿对来准确地分辨出IP包和socket的归属关系，从而完成对TCP/IP协议的操作封装！而同时，放火墙的对IP包的处理规则也是清晰明了。

         明白socket只是对TCP/IP协议栈操作的抽象，而不是简单的映射关系，这很重要！

三、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。

四、socket实现多个客户同时连接

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。

五、建立服务器：

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(), "UTF8"));
out = new PrintWriter(client.getOutputStream(), true);

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){
int len = line.length();
return len + " server";
}
}

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

六、建立客户端：由于 java 的跨平台性  这里将两个 java  和 ruby

java

import java.io.*;
import java.net.*;
public class Client{
Socket socket;
BufferedReader in;
PrintWriter out;
public Client(){
try{
socket = new Socket("127.0.0.1", 10000);

BufferedReader line = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in,"UTF8"));
out = new PrintWriter(socket.getOutputStream(),true);
in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream(), "UTF8"));

String readline;
readline=line.readLine();

while(!readline.equals("bye")){
out.println(readline);
out.flush();
System.out.println("Client:"+readline);
System.out.println("Server:"+in.readLine());
readline=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。

ruby

1.
某jar包有多个classw文件包含了main 函数,
需要在外部用java命令的bat文件来执行这个jar包的某个class文件的main函数.

java -classpath jar名字.jar 包名.类名
2.ruby
require 'socket'
class Client

s = TCPSocket.new '127.0.0.1', 10000

1.upto(10) do |n|
s.send("hello #{n}\n",0)
s.flush
end

while line = s.gets # Read lines from socket
puts line         # and print them
end
s.close

end

七、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。

import java.io.BufferedReader;
import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Calendar;
import java.util.LinkedList;
public class Server1 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 Server1() throws FileNotFoundException, IOException{
super(SERVER_PORT);

new Broadcast();

//append connection log
Calendar now = Calendar.getInstance();
String str = "[" + now.getTime().toString() + "] Accepted a connection1512";
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 Server1();
}

//--- 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 -+-1512";
for (int i = 0; i < User_List.size(); i++){
s += "[" + User_List.get(i) + "]1512";
}
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。

1 封装一个 jar 包
2 Java xxx.jar
开启一个 socket server
3 socket 服务接受一个字符串，返回字符串的长度给客户端
3 写一个 ruby client 看看是否可以正常访问 socket