Java Socket

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Java Socket 编程详解

Socket 是网络通信的基础，用于在不同主机之间通过网络进行数据交换。在 Java 中，Socket 编程为开发基于网络的应用程序提供了强大的支持。本文将详细介绍 Java 中的 Socket 编程，包括基本概念、核心类、服务器与客户端的实现示例以及常见应用。

一、基本概念

Socket：套接字，是计算机网络中用于描述IP地址和端口号的抽象概念。它负责在网络中的两个节点之间建立连接，实现双向的数据传输。
TCP 与 UDP：Java Socket 编程主要基于 TCP 协议（面向连接的），也可以使用 UDP 协议（无连接）。本文主要介绍基于 TCP 的 Socket 编程。
客户端与服务器端：在 Socket 通信中，通常有一个作为服务器端，负责监听端口和接收连接；另一个作为客户端，主动发起连接。

二、Java Socket 核心类

Java 提供了一组丰富的类来支持 Socket 编程，主要包括：

java.net.Socket：用于创建客户端套接字，连接到服务器端指定的主机和端口。
java.net.ServerSocket：用于创建服务器套接字，监听指定端口上的连接请求。
java.io.InputStream 和 java.io.OutputStream：用于在套接字之间传输数据。
java.net.InetAddress：表示 IP 地址。

三、服务器端实现

创建 ServerSocket

ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(port);

port：服务器监听的端口号。

等待并接受客户端连接
```
Socket clientSocket = serverSocket.accept();
```
- 该方法会阻塞，直到有客户端连接。

获取输入输出流

InputStream input = clientSocket.getInputStream();
OutputStream output = clientSocket.getOutputStream();

处理数据
- 读取客户端发送的数据，处理后发送响应。

关闭连接

clientSocket.close();
serverSocket.close();

示例代码：简单的回显服务器

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

public class EchoServer {
    public static void main(String[] args) {
        int port = 12345; // 监听端口
        try (ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(port)) {
            System.out.println("服务器启动，监听端口 " + port);
            while (true) {
                Socket clientSocket = serverSocket.accept();
                System.out.println("连接来自: " + clientSocket.getInetAddress());

                // 启动新线程处理客户端请求
                new Thread(() -> handleClient(clientSocket)).start();
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    private static void handleClient(Socket socket) {
        try (
            BufferedReader in = new BufferedReader(
                new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
            PrintWriter out = new PrintWriter(socket.getOutputStream(), true);
        ) {
            String inputLine;
            while ((inputLine = in.readLine()) != null) {
                System.out.println("收到来自客户端的消息: " + inputLine);
                out.println("Echo: " + inputLine);
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            try { socket.close(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); }
            System.out.println("客户端连接断开");
        }
    }
}

四、客户端实现

创建 Socket 并连接服务器
```
Socket socket = new Socket(serverAddress, port);
```
- serverAddress：服务器的 IP 地址或主机名。
- port：服务器监听的端口号。

获取输入输出流

InputStream input = socket.getInputStream();
OutputStream output = socket.getOutputStream();

发送与接收数据
- 将数据写入输出流发送到服务器，从输入流读取服务器响应。
关闭连接
```
socket.close();
```

示例代码：简单的回显客户端

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

public class EchoClient {
    public static void main(String[] args) {
        String serverAddress = "localhost"; // 服务器地址
        int port = 12345; // 服务器端口

        try (Socket socket = new Socket(serverAddress, port);
             BufferedReader userInput = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
             BufferedReader in = new BufferedReader(
                 new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
             PrintWriter out = new PrintWriter(socket.getOutputStream(), true);
        ) {
            System.out.println("连接到服务器 " + serverAddress + ":" + port);
            String input;
            while (true) {
                System.out.print("输入消息 (输入 'exit' 退出): ");
                input = userInput.readLine();
                if ("exit".equalsIgnoreCase(input)) {
                    break;
                }
                out.println(input);
                String response = in.readLine();
                System.out.println("服务器响应: " + response);
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

五、多线程处理

在服务器端，当有多个客户端同时连接时，通常采用多线程方式处理每个客户端的请求。这样可以保证服务器能够并发地处理多个连接，提高效率和响应速度。

在上述 EchoServer 示例中，每当有一个客户端连接时，服务器启动一个新的线程来处理该客户端。这样即使有多个客户端同时连接，服务器也能逐一处理，而不会被单个客户端的处理阻塞。

六、常见应用

聊天工具：实现实时的消息传递。
文件传输：在客户端与服务器之间传输文件。
远程控制：实现远程指令的发送与执行。
分布式计算：在多台机器上协同完成计算任务。

七、注意事项

资源管理：确保在完成通信后，及时关闭 Socket 及相关流，避免资源泄漏。
异常处理：网络通信中可能会出现各种异常，如连接中断、数据传输错误等，需要进行适当的异常处理。
线程管理：在高并发场景下，创建过多线程可能会导致资源耗尽。可以考虑使用线程池（如 ExecutorService）来管理线程。
数据协议：客户端与服务器之间需要事先约定好数据的格式和协议，确保双方能够正确解析和处理数据。
安全性：在开放的网络环境中，注意数据传输的加密和身份验证，防止数据泄露和非法访问。

八、进阶内容

NIO（非阻塞 I/O）：Java 提供了新的 I/O API（Java NIO），支持非阻塞式的 Socket 编程，适用于高性能和高并发的网络应用。
SSL/TLS 加密：使用 SSLSocket 类进行加密通信，确保数据传输的安全性。
高级框架：在实际开发中，通常会使用基于 Socket 的高级网络框架，如 Netty，它提供了更高效、更易用的网络通信接口。