Java TCP/UDP socket 編程流程總結

最近正好學習了一點用java socket編程的東西。感覺整體的流程雖然不是很繁瑣，但是也值得好好總結一下。

Socket

    Socket可以說是一種針對網絡的抽象，應用通過它可以來針對網絡讀寫數據。就像通過一個文件的file handler就可以都寫數據到存儲設備上一樣。根據TCP協議和UDP協議的不同，在網絡編程方面就有面向兩個協議的不同socket，一個是面向字節流的一個是面向報文的。

     對socket的本身組成倒是比較好理解。既然是應用通過socket通信，肯定就有一個服務器端和一個客戶端。所以它必然就包含有一個對應的IP地址。另外，在這個地址上server要提供一系列的服務，於是就需要有一系列對應的窗口來提供服務。所以就有一個對應的端口號(Port)。端口號是一個16位的二進制數字，那麼範圍就是從（0-65535）。IP地址加端口號基本上就構成了socket。下面這幅圖可以描繪出socket和整個TCP/IP之間的關係：

 

TCP

    TCP主要是面向連接的協議，它包含有建立和拆除連接，保證數據流的順序和正確性等功能。每次對TCP中間的數據操作相當於對一個數據流進行訪問。它最典型的特徵就是那三次握手的建立連接過程。TCP的連接建立和撤銷過程如下圖：

 

Server端

Server端所要做的事情主要是建立一個通信的端點，然後等待客戶端發送的請求。典型的處理步驟如下：

1. 構建一個ServerSocket實例，指定本地的端口。這個socket就是用來監聽指定端口的連接請求的。

2.重複如下幾個步驟：

a. 調用socket的accept()方法來獲得下面客戶端的連接請求。通過accept()方法返回的socket實例，建立了一個和客戶端的新連接。

b.通過這個返回的socket實例獲取InputStream和OutputStream,可以通過這兩個stream來分別讀和寫數據。

c.結束的時候調用socket實例的close()方法關閉socket連接。

 

這個流程的典型示例代碼如下：

//1. 構造ServerSocket實例，指定服務端口。
ServerSocket servSock = new ServerSocket(servPort);


while(true)
{
       // 2.調用accept方法，建立和客戶端的連接
           Socket clntSock = servSock.accept();
           SocketAddress clientAddress =
                clntSock.getRemoteSocketAddress();
           System.out.println("Handling client at " + clientAddress);

        // 3. 獲取連接的InputStream,OutputStream來進行數據讀寫
            InputStream in = clntSock.getInputStream();
            OutputStream out = clntSock.getOutputStream();

            while((recvMsgSize = in.read(receiveBuf)) != -1)
            {
                out.write(receiveBuf, 0, recvMsgSize);
            }
        // 4.操作結束，關閉socket.
            clntSock.close();
}

 

Client端

客戶端的請求過程稍微有點不一樣：

1.構建Socket實例，通過指定的遠程服務器地址和端口來建立連接。

2.通過Socket實例包含的InputStream和OutputStream來進行數據的讀寫。

3.操作結束後調用socket實例的close方法，關閉。

示例代碼如下；

// 1.根據指定的server地址和端口，建立socket連接。
Socket socket = new Socket(server, servPort);

// 2. 根據socket實例獲取InputStream, OutputStream進行數據讀寫。
InputStream in = socket.getInputStream();
OutputStream out = socket.getOutputStream();
out.write(data);

//3.操作結束，關閉socket.
socket.close();

 

 

UDP

UDP和TCP有兩個典型的區別，一個就是它不需要建立連接，另外就是它在每次收發的報文都保留了消息的邊界。

server端

因爲UDP協議不需要建立連接，它的過程如下：

1. 構造DatagramSocket實例，指定本地端口。

2. 通過DatagramSocket實例的receive方法接收DatagramPacket.DatagramPacket中間就包含了通信的內容。

3. 通過DatagramSocket的send和receive方法來收和發DatagramPacket.

典型的交互流程代碼如下：

 

// 1. 構建DatagramSocket實例，指定本地端口。
DatagramSocket socket = new DatagramSocket(servPort);

// 2. 構建需要收發的DatagramPacket報文
DatagramPacket packet = new DatagramPacket(new byte[ECHOMAX], ECHOMAX);

while(true)
{
    // 3. 收報文
    socket.receive(packet);
    System.out.println("Handling client at " + packet.getAddress().getHostAddress()
        + " on port " + packet.getPort());
    // 4. 發報文
    socket.send(packet);
    packet.setLength(ECHOMAX);
}

 

 

client端

UDP客戶端的步驟也比較簡單，主要包括下面3步：

1. 構造DatagramSocket實例。

2.通過DatagramSocket實例的send和receive方法發送DatagramPacket報文。

3.結束後，調用DatagramSocket的close方法關閉。

因爲和TCP不同，UDP發送報文的時候可以在同一個本地端口隨意發送給不同的服務器，一般不需要在UDP的DatagramSocket的構造函數中指定目的服務器的地址。

另外，UDP客戶端還有一個重要的不同就是，TCP客戶端發送echo連接消息之後會在調用read方法的時候進入阻塞狀態，而UDP這樣卻不行。因爲UDP中間是可以允許報文丟失的。如果報文丟失了，進程一直在阻塞或者掛起的狀態，則進程會永遠沒法往下走了。所以會一般設置一個setSoTimeout方法，指定在多久的時間內沒有收到報文就放棄。也可以通過指定一個數字，循環指定的次數來讀取報文，讀到就返回，否則就放棄。

 

一個典型的UDP Client代碼示例如下：

// 1. 構造UDP DatagramSocket對象
DatagramSocket socket = new DatagramSocket();

// 2。指定timeout時間，防止進入無限等待狀態
socket.setSoTimeout(TIMEOUT);

// 3. 構造收發的報文對象
DatagramPacket sendPacket = new DatagramPacket(bytesToSend,
    bytesToSend.length, serverAddress, servPort);
DatagramPacket receivePacket =
    new DatagramPacket(new byte[bytesToSend.length], bytesToSend.length);

// 4.指定嘗試的次數
int tries = 0;
boolean receivedResponse = false;
 do
{
    socket.send(sendPacket);
    try
    {
        socket.receive(receivePacket);

        if(!receivePacket.getAddress().equals(serverAddress))
        {
            throw new IOException("Received packet from an unknown source");
        }
        receivedResponse = true;
    }
    catch(InterruptedIOException e)
    {
        tries += 1;
        System.out.println("Timed out, " + (MAXTRIES - tries) + "");
    }
}while((!receivedResponse) && (tries < MAXTRIES));

// 根據是否接收到報文進行反饋
if(receivedResponse)
{
    System.out.println("Received: " + new String(receivePacket.getData()));
}
else
{
    System.out.println("No response -- giving up.");
}

// 5. 關閉socket
socket.close();

總結

TCP的server和client之間通信就好比兩個人打電話，需要互相知道對方的電話號碼，然後開始對話。所以在兩者的連接過程中間需要指定端口和地址。

UDP的server和client之間的通信就像兩個人互相發信。我只需要知道對方的地址，然後就發信過去。對方是否收到我不知道，也不需要專門對口令似的來建立連接。

這些示例其實只是一個最簡單的，單線程，也只能一次處理單個請求的情況。在實際應用中一般會應用到多線程和一些處理高併發的策略，比如基於事件驅動的reactor模式等。可以在後續的文章中深入討論。