13.2 TCP通信

思维导图：

深入理解Java中的TCP通信：ServerSocket与Socket类全面指南

引言： 首先概述TCP通信的重要性及其在网络编程中的作用。简要回顾13.1.2节介绍的TCP及TCP连接的交互过程，并引入主要内容：利用Java的JDK实现程序中的TCP通信。

Java实现TCP通信： 详细介绍JDK为TCP编程提供的工具，重点介绍两个关键类：ServerSocket用于服务器端，Socket用于客户端。描述这些类如何配合工作以建立连接和进行通信。

深入ServerSocket和Socket类：

1. ServerSocket类：

   • 介绍： 描述ServerSocket类及其在监听客户端连接请求中的作用。
   • 构造方法： 详细说明创建ServerSocket实例的各种构造方法及其特定用途。
   • 关键方法： 突出并解释ServerSocket类中的主要方法，如accept()、getInetAddress()、isClosed()和bind(SocketAddress endpoint)。

2. Socket类：

   • 介绍： 解释Socket类在建立到服务器的连接中的角色。
   • 构造方法： 讨论创建Socket实例的不同构造方法以及它们如何用于连接到服务器。
   • 关键方法： 描述重要的方法如getPort()、getLocalAddress()、getInetAddress()、close()、getInputStream()和getOutputStream()。

实现TCP通信：

1. 服务器端实现：

   • 介绍如何使用ServerSocket类创建服务器端程序。包括代码片段，并解释代码的每个部分的目的。
   • 讨论等待客户端连接的机制以及如何向客户端发送数据。

2. 客户端实现：

   • 详细说明如何使用Socket类创建客户端程序。同样，使用代码片段来说明这一过程。
   • 解释客户端如何连接到服务器并接收数据。

TCP通信中的多线程： 讨论在同时处理多个客户端请求中多线程的重要性。描述如何修改服务器端程序以使用线程处理多个客户端（参考文件13-5）。包括这种方法的好处和潜在挑战。

总结： 总结讨论的要点。强调理解和有效实现TCP通信在网络编程中的重要性。鼓励读者尝试代码片段，并思考多线程在他们的网络应用中的影响。

 

13.2.1 ServerSocket类详解

概述：

• 定义： ServerSocket类是在Java网络编程中用于创建服务器端程序的一个核心类，位于java.net包中。它继承自java.lang.Object类。
• 主要功能： ServerSocket类的主要作用是监听和接收客户端的连接请求。

构造方法：

1. ServerSocket()：

   • 描述： 该构造方法创建的ServerSocket对象不会与任何端口绑定。创建出来的ServerSocket对象不会监听任何端口，不能直接使用。
   • 使用场景： 需要后续调用bind(SocketAddress endpoint)方法将其绑定到指定的端口上，才可以正常使用。

2. ServerSocket(int port)：

   • 描述： 该构造方法使用指定的端口port创建ServerSocket对象，并开始等待客户端的连接请求。
   • 使用场景： 当我们有一个确定的端口要监听时，直接使用该方法。

3. ServerSocket(int port, int backlog)：

   • 描述： 在第二个构造方法的基础上，增加了backlog参数。该参数用于指定最大连接数，即可以同时连接的客户端数量。
   • 使用场景： 当需要限制同时连接的客户端数量时使用。

4. ServerSocket(int port, int backlog, InetAddress bindAddr)：

   • 描述： 在第三个构造方法的基础上，增加了bindAddr参数，用于指定相关的IP地址。
   • 使用场景： 当服务器有多个网络接口或者需要绑定特定IP地址时使用。

常用方法：

1. Socket accept()：

   • 功能： 用于等待客户端的连接。在客户端连接之前会一直处于阻塞状态；如果有客户端连接，就会返回一个与之对应的Socket对象。
   • 特点： 此方法是阻塞式的，会一直等待直到有连接到来。

2. InetAddress getInetAddress()：

   • 功能： 用于返回一个InetAddress对象，该对象中封装了ServerSocket对象绑定的IP地址。

3. boolean isClosed()：

   • 功能： 用于判断ServerSocket对象是否已经关闭。如果是关闭状态，则返回true;反之则返回false。

4. void bind(SocketAddress endpoint)：

   • 功能： 用于将ServerSocket对象绑定到指定的IP地址和端口号，endpoint参数封装了IP地址和端口号。

总结： ServerSocket类是Java网络编程中不可或缺的一部分，理解其构造方法和常用方法对于建立稳定可靠的服务器应用程序至关重要。通过合理地使用这些方法，可以创建出既灵活又强大的服务器端应用。

 

13.2.2 深入理解Socket类

概述：

• 定义与位置： Socket类位于java.net包中，继承自java.lang.Object类。它是Java网络编程中的核心，用于编写客户端程序。
• 主要功能： 通过创建Socket对象，客户端可以建立与服务器的连接，进行数据的发送和接收。

构造方法：

1. Socket()：

   • 功能描述： 创建一个未连接的Socket。此时，没有指定服务器的IP地址和端口号，即创建了一个空的客户端对象。
   • 使用场景： 当需要后续指定连接详情时使用。

2. Socket(String host, int port)：

   • 功能描述： 以指定的主机名和端口号创建一个Socket对象，并尝试连接到服务器。
   • 使用场景： 当知道服务器的主机名和端口号时使用。

3. Socket(InetAddress address, int port)：

   • 功能描述： 与第二个构造方法类似，但IP地址由InetAddress对象指定。
   • 使用场景： 当已有InetAddress对象时使用。

4. Socket(InetAddress address, int port, boolean stream)：

   • 功能描述： 创建一个流套接字，并将其连接到指定IP地址的指定端口。
   • 使用场景： 当需要明确流套接字类型时使用。

常用方法：

1. int getPort()：

   • 功能描述： 获取Socket对象与服务器端连接的端口号。

2. InetAddress getLocalAddress()：

   • 功能描述： 获取Socket对象绑定的本地IP地址，并以InetAddress对象形式返回。

3. InetAddress getInetAddress()：

   • 功能描述： 获取创建Socket对象时指定的服务器IP地址。

4. void close()：

   • 功能描述： 关闭Socket连接，结束通信。在关闭之前应关闭所有相关的输入输出流。

5. InputStream getInputStream()：

   • 功能描述： 返回一个InputStream对象，用于读取从服务器端发送的数据。

6. OutputStream getOutputStream()：

   • 功能描述： 返回一个OutputStream对象，用于向服务器端发送数据。

数据交互过程：

• 描述： 服务器端和客户端通过各自的Socket进行连接，数据交互使用InputStream和OutputStream进行。客户端从OutputStream发送数据，服务器端通过InputStream接收，反之亦然。

总结： Socket类是实现网络通信的基石，理解其构造方法和常用操作对于创建稳定有效的客户端应用至关重要。通过合理使用Socket类的方法，可以实现复杂的网络通信功能。

 

13.2.3 简单的TCP通信实现

概述：

• 目的： 介绍通过ServerSocket类和Socket类实现简单的TCP通信的基本步骤和示例。
• 重点： 强调实际代码实现，帮助初学者更好地掌握这两个类的使用。

服务器端实现（文件13-3 TCPServer.java）：

1. 导入必要的包和类：

   • java.io.OutputStream：用于发送数据。
   • java.net.ServerSocket 和 java.net.Socket：用于TCP连接。

2. 创建ServerSocket对象：

   • 端口指定： 创建ServerSocket对象并指定监听端口7788。

3. 等待客户端连接：

   • 阻塞等待： 使用accept()方法等待客户端连接。该方法会阻塞，直到一个连接建立。

4. 交互数据：

   • 发送数据： 当客户端连接后，通过获取的OutputStream向客户端发送“北京欢迎你!”的信息。
   • 模拟延迟： 使用Thread.sleep(5000)模拟服务器处理延迟。

5. 资源清理：

   • 关闭流和连接： 使用close()方法关闭OutputStream和Socket对象。

6. 运行结果和观察：

   • 控制台输出： 描述控制台输出了“服务器正在运行，等待与客户端连接”等信息，并解释accept()方法的阻塞特性。

客户端实现（文件13-4 TCPClient.java）：

1. 导入必要的包和类：

   • java.io.BufferedReader 和 java.io.InputStreamReader：用于接收和读取数据。
   • java.net.Socket：用于TCP连接。

2. 创建Socket对象：

   • 连接服务器： 创建Socket对象并指定连接的服务器地址和端口号（"localhost", 7788）。

3. 接收数据：

   • 创建BufferedReader： 用于读取服务器发送的数据。
   • 读取数据： 通过BufferedReader读取一行数据并输出。

4. 资源清理：

   • 关闭流和连接： 关闭BufferedReader和Socket对象。

5. 运行结果和观察：

   • 控制台输出： 描述控制台输出了从服务器接收到的“北京欢迎你!”消息。

总结：

• 整体流程： 总结服务器和客户端的通信流程，强调TCP连接的建立、数据交换和资源清理的重要性。
• 重要观察： 强调accept()方法的阻塞特性以及服务器和客户端之间的交互过程。

附加说明：

• 控制台输出示例： 提供服务器端和客户端控制台输出的截图或描述，帮助理解实际运行效果。
• 错误处理： 简要说明在实际编码过程中可能遇到的常见错误和异常处理方法。

13.2.4 实现多线程TCP网络程序

概述：

• 目的： 探讨如何通过多线程提升TCP服务器的性能，允许同时处理多个客户端请求。
• 基本概念： 介绍多线程在TCP网络编程中的作用和重要性。

单线程服务器的局限性：

• 描述问题： 说明单线程服务器在处理多客户端请求时的顺序执行和阻塞问题。
• 举例说明： 引用文件13-3和13-4的单线程服务器和客户端实现作为对比。

多线程服务器的实现（文件13-5 TCPServer.java）：

1. 创建ServerSocket对象：

   • 监听端口： 指定服务器监听的端口7788。

2. 循环接收客户端请求：

   • 无限循环： 使用while(true)循环不断监听客户端连接请求。

3. 处理客户端连接：

   • 接受连接： 使用serverSocket.accept()接受客户端连接。
   • 新线程处理： 为每个客户端连接创建一个新线程进行处理。

4. 线程内的交互操作：

   • 发送数据： 在新线程中向客户端发送“北京欢迎你!”信息。
   • 延时模拟： 使用Thread.sleep(5000)模拟服务器处理延迟。
   • 资源清理： 关闭输出流和客户端Socket。

5. 多线程优势：

   • 并发处理： 每个客户端请求都在独立的线程中处理，实现并发。
   • 非阻塞主线程： 主线程继续监听新的客户端请求，不会被单个请求阻塞。

多客户端访问演示：

• 实验准备： 创建多个客户端实例，模拟多客户端同时访问服务器。
• 实验操作： 连续运行多个客户端，观察服务器响应。
• 观察结果： 描述服务器成功处理多个客户端请求的情况和输出。

结果分析和总结：

• 效率提升： 分析多线程对服务器处理能力的提升。
• 并发控制： 讨论在多线程环境下可能遇到的并发控制问题和解决方案。
• 重要提示： 指出在实际开发中需要注意的多线程编程要点。

附加说明：

• 代码示例： 提供文件13-5的关键代码段和注释，帮助理解。
• 图示辅助： 使用图13-13和图13-14辅助解释多线程服务器的工作原理和效果。

 

 

总结：

1. 13.2 TCP通信：

   • 重点： 理解TCP协议的工作原理，以及如何在Java中使用ServerSocket和Socket类来实现基于TCP的服务器和客户端。
   • 难点： 掌握如何正确地创建、绑定、监听端口以及处理客户端连接。理解阻塞式方法（如accept()）的行为和影响。
   • 易错点： 不正确地处理资源，例如未能妥善关闭Socket和Stream资源，可能导致内存泄漏或其他问题。

2. 13.2.1 ServerSocket类：

   • 重点： 理解ServerSocket类的作用，熟悉其构造方法和主要的功能方法。
   • 难点： 正确使用不同的构造方法针对不同的需求创建ServerSocket实例，理解绑定端口和监听端口的过程。
   • 易错点： 忽略异常处理，例如在创建ServerSocket时未考虑端口可能被占用。

3. 13.2.2 Socket类：

   • 重点： 理解Socket类在TCP连接中的角色，掌握如何创建和使用Socket进行数据传输。
   • 难点： 正确理解和使用InputStream和OutputStream进行数据的接收和发送，以及理解Socket选项的作用。
   • 易错点： 忽视数据缓冲区导致的读写问题，或者在数据传输完成后未能及时关闭Socket连接。

4. 13.2.3 简单的TCP通信：

   • 重点： 理解如何结合ServerSocket和Socket实现简单的服务器与客户端通信。
   • 难点： 理解通信流程，包括连接建立、数据传输和连接关闭的整个生命周期。
   • 易错点： 未能正确处理异常情况，或在发送和接收数据时未能正确转换和处理字节流。

5. 13.2.4 多线程的TCP网络程序：

   • 重点： 掌握如何通过多线程提升服务器的并发处理能力，允许同时处理多个客户端请求。
   • 难点： 理解并发编程的复杂性，包括线程创建、任务分配和资源共享。
   • 易错点： 线程安全问题，如共享资源的竞态条件，以及未妥善处理线程中的异常导致服务器崩溃。

整体建议： 对于上述章节，深入理解TCP协议和Java网络编程的基本原理是非常重要的。实践中应当重视资源管理、异常处理以及并发控制，这些都是提高程序稳定性和性能的关键。同时，建议通过实际编写和运行示例代码来加深理解，因为网络编程涉及的很多概念和问题在实际操作中更容易被理解和发现。