| Java套接字編程(上) | |||||
用Java開發網絡軟件非常方便和強大，Java的這種力量來源於他獨有的一套強大的用於網絡的 API，這些API是一系列的類和接口，均位於包java.net和javax.net中。在這篇文章中我們將介紹套接字(Socket)慨念，同時以實例說明如何使用Network API操縱套接字，在完成本文後，你就可以編寫網絡低端通訊軟件。 什麼是套接字(Socket)？ Network API是典型的用於基於TCP/IP網絡Java程序與其他程序通訊，Network API依靠Socket進行通訊。Socket可以看成在兩個程序進行通訊連接中的一個端點，一個程序將一段信息寫入Socket中，該Socket將這段信息發送給另外一個Socket中，使這段信息能傳送到其他程序中。如圖1
我們來分析一下圖1，Host A上的程序A將一段信息寫入Socket中，Socket的內容被Host A的網絡管理軟件訪問，並將這段信息通過Host A的網絡接口卡發送到Host B，Host B的網絡接口卡接收到這段信息後，傳送給Host B的網絡管理軟件，網絡管理軟件將這段信息保存在Host B的Socket中，然後程序B才能在Socket中閱讀這段信息。 假設在圖1的網絡中添加第三個主機Host C，那麼Host A怎麼知道信息被正確傳送到Host B而不是被傳送到Host C中了呢？基於TCP/IP網絡中的每一個主機均被賦予了一個唯一的IP地址，IP地址是一個32位的無符號整數，由於沒有轉變成二進制，因此通常以小數點分隔，如：198.163.227.6，正如所見IP地址均由四個部分組成，每個部分的範圍都是0-255，以表示8位地址。 值得注意的是IP地址都是32位地址，這是IP協議版本4（簡稱Ipv4）規定的，目前由於IPv4地址已近耗盡，所以IPv6地址正逐漸代替Ipv4地址，Ipv6地址則是128位無符號整數。 假設第二個程序被加入圖1的網絡的Host B中，那麼由Host A傳來的信息如何能被正確的傳給程序B而不是傳給新加入的程序呢？這是因爲每一個基於TCP/IP網絡通訊的程序都被賦予了唯一的端口和端口號，端口是一個信息緩衝區，用於保留Socket中的輸入/輸出信息，端口號是一個16位無符號整數，範圍是0-65535，以區別主機上的每一個程序（端口號就像房屋中的房間號），低於256的短口號保留給標準應用程序，比如pop3的端口號就是110，每一個套接字都組合進了IP地址、端口、端口號，這樣形成的整體就可以區別每一個套接字t，下面我們就來談談兩種套接字：流套接字和自尋址數據套接字。 流套接字（Stream Socket） 無論何時，在兩個網絡應用程序之間發送和接收信息時都需要建立一個可靠的連接，流套接字依靠TCP協議來保證信息正確到達目的地，實際上，IP包有可能在網絡中丟失或者在傳送過程中發生錯誤，任何一種情況發生，作爲接受方的 TCP將聯繫發送方TCP重新發送這個IP包。這就是所謂的在兩個流套接字之間建立可靠的連接。 流套接字在C/S程序中扮演一個必需的角色，客戶機程序（需要訪問某些服務的網絡應用程序）創建一個扮演服務器程序的主機的IP地址和服務器程序（爲客戶端應用程序提供服務的網絡應用程序）的端口號的流套接字對象。 客戶端流套接字的初始化代碼將IP地址和端口號傳遞給客戶端主機的網絡管理軟件，管理軟件將IP地址和端口號通過NIC傳遞給服務器端主機；服務器端主機讀到經過NIC傳遞來的數據，然後查看服務器程序是否處於監聽狀態，這種監聽依然是通過套接字和端口來進行的；如果服務器程序處於監聽狀態，那麼服務器端網絡管理軟件就向客戶機網絡管理軟件發出一個積極的響應信號，接收到響應信號後，客戶端流套接字初始化代碼就給客戶程序建立一個端口號，並將這個端口號傳遞給服務器程序的套接字（服務器程序將使用這個端口號識別傳來的信息是否是屬於客戶程序）同時完成流套接字的初始化。 如果服務器程序沒有處於監聽狀態，那麼服務器端網絡管理軟件將給客戶端傳遞一個消極信號，收到這個消極信號後，客戶程序的流套接字初始化代碼將拋出一個異常對象並且不建立通訊連接，也不創建流套接字對象。這種情形就像打電話一樣，當有人的時候通訊建立，否則電話將被掛起。 這部分的工作包括了相關聯的三個類：InetAddress, Socket, 和 ServerSocket。 InetAddress對象描繪了32位或128位IP地址，Socket對象代表了客戶程序流套接字，ServerSocket代表了服務程序流套接字，所有這三個類均位於包java.net中。 InetAddress類 InetAddress類在網絡API套接字編程中扮演了一個重要角色。參數傳遞給流套接字類和自尋址套接字類構造器或非構造器方法。InetAddress描述了32位或64位IP地址，要完成這個功能，InetAddress類主要依靠兩個支持類Inet4Address 和 Inet6Address，這三個類是繼承關係，InetAddrress是父類，Inet4Address 和 Inet6Address是子類。 由於InetAddress類只有一個構造函數，而且不能傳遞參數，所以不能直接創建InetAddress對象，比如下面的做法就是錯誤的：
但我們可以通過下面的5個工廠方法創建來創建一個InetAddress對象或InetAddress數組： . getAllByName(String host)方法返回一個InetAddress對象的引用，每個對象包含一個表示相應主機名的單獨的IP地址，這個IP地址是通過host參數傳遞的，對於指定的主機如果沒有IP地址存在那麼這個方法將拋出一個UnknownHostException 異常對象。 . getByAddress(byte [] addr)方法返回一個InetAddress對象的引用，這個對象包含了一個Ipv4地址或Ipv6地址，Ipv4地址是一個4字節數組，Ipv6地址是一個16字節地址數組，如果返回的數組既不是4字節的也不是16字節的，那麼方法將會拋出一個UnknownHostException異常對象。 . getByAddress(String host, byte [] addr)方法返回一個InetAddress對象的引用，這個InetAddress對象包含了一個由host和4字節的addr數組指定的IP地址，或者是host和16字節的addr數組指定的IP地址，如果這個數組既不是4字節的也不是16位字節的，那麼該方法將拋出一個UnknownHostException異常對象。 . getByName(String host)方法返回一個InetAddress對象，該對象包含了一個與host參數指定的主機相對應的IP地址，對於指定的主機如果沒有IP地址存在，那麼方法將拋出一個UnknownHostException異常對象。 . getLocalHost()方法返回一個InetAddress對象，這個對象包含了本地機的IP地址，考慮到本地主機既是客戶程序主機又是服務器程序主機，爲避免混亂，我們將客戶程序主機稱爲客戶主機，將服務器程序主機稱爲服務器主機。 上面講到的方法均提到返回一個或多個InetAddress對象的引用，實際上每一個方法都要返回一個或多個Inet4Address/Inet6Address對象的引用，調用者不需要知道引用的子類型，相反調用者可以使用返回的引用調用InetAddress對象的非靜態方法，包括子類型的多態以確保重載方法被調用。 InetAddress和它的子類型對象處理主機名到主機IPv4或IPv6地址的轉換，要完成這個轉換需要使用域名系統，下面的代碼示範瞭如何通過調用getByName(String host)方法獲得InetAddress子類對象的方法，這個對象包含了與host參數相對應的IP地址：
一但獲得了InetAddress子類對象的引用就可以調用InetAddress的各種方法來獲得InetAddress子類對象中的IP地址信息，比如，可以通過調用getCanonicalHostName()從域名服務中獲得標準的主機名；getHostAddress()獲得IP地址，getHostName()獲得主機名，isLoopbackAddress()判斷IP地址是否是一個loopback地址。 List1 是一段示範代碼：InetAddressDemo
當無命令行參數時，代碼輸出類似下面的結果：
InetAddressDemo給了你一個指定主機名作爲命令行參數的選擇，如果沒有主機名被指定，那麼將使用localhost(客戶機的)，InetAddressDemo通過調用getByName(String host)方法獲得一個InetAddress子類對象的引用，通過這個引用獲得了標準主機名，主機地址，主機名以及IP地址是否是loopback地址的輸出。 |
當客戶程序需要與服務器程序通訊的時候，客戶程序在客戶機創建一個socket對象，Socket類有幾個構造函數。兩個常用的構造函數是 Socket(InetAddress addr, int port) 和 Socket(String host, int port)，兩個構造函數都創建了一個基於Socket的連接服務器端流套接字的流套接字。對於第一個InetAddress子類對象通過addr參數獲得服務器主機的IP地址，對於第二個函數host參數包被分配到InetAddress對象中，如果沒有IP地址與host參數相一致，那麼將拋出UnknownHostException異常對象。兩個函數都通過參數port獲得服務器的端口號。假設已經建立連接了，網絡API將在客戶端基於Socket的流套接字中捆綁客戶程序的IP地址和任意一個端口號，否則兩個函數都會拋出一個IOException對象。
如果創建了一個Socket對象，那麼它可能通過調用Socket的 getInputStream()方法從服務程序獲得輸入流讀傳送來的信息，也可能通過調用Socket的 getOutputStream()方法獲得輸出流來發送消息。在讀寫活動完成之後，客戶程序調用close()方法關閉流和流套接字，下面的代碼創建了一個服務程序主機地址爲198.163.227.6，端口號爲13的Socket對象，然後從這個新創建的Socket對象中讀取輸入流，然後再關閉流和Socket對象。
| Socket s = new Socket ("198.163.227.6", 13); InputStream is = s.getInputStream (); // Read from the stream. is.close (); s.close (); |
接下面我們將示範一個流套接字的客戶程序，這個程序將創建一個Socket對象，Socket將訪問運行在指定主機端口10000上的服務程序，如果訪問成功客戶程序將給服務程序發送一系列命令並打印服務程序的響應。List2使我們創建的程序SSClient的源代碼：
Listing 2: SSClient.java
| // SSClient.java import java.io.*; import java.net.*; class SSClient { public static void main (String [] args) { String host = "localhost"; // If user specifies a command-line argument, that argument // represents the host name. if (args.length == 1) host = args [0]; BufferedReader br = null; PrintWriter pw = null; Socket s = null; try { // Create a socket that attempts to connect to the server // program on the host at port 10000. s = new Socket (host, 10000); // Create an input stream reader that chains to the socket's // byte-oriented input stream. The input stream reader // converts bytes read from the socket to characters. The // conversion is based on the platform's default character // set. InputStreamReader isr; isr = new InputStreamReader (s.getInputStream ()); // Create a buffered reader that chains to the input stream // reader. The buffered reader supplies a convenient method // for reading entire lines of text. br = new BufferedReader (isr); // Create a print writer that chains to the socket's byte- // oriented output stream. The print writer creates an // intermediate output stream writer that converts // characters sent to the socket to bytes. The conversion // is based on the platform's default character set. pw = new PrintWriter (s.getOutputStream (), true); // Send the DATE command to the server. pw.println ("DATE"); // Obtain and print the current date/time. System.out.println (br.readLine ()); // Send the PAUSE command to the server. This allows several // clients to start and verifies that the server is spawning // multiple threads. pw.println ("PAUSE"); // Send the DOW command to the server. pw.println ("DOW"); // Obtain and print the current day of week. System.out.println (br.readLine ()); // Send the DOM command to the server. pw.println ("DOM"); // Obtain and print the current day of month. System.out.println (br.readLine ()); // Send the DOY command to the server. pw.println ("DOY"); // Obtain and print the current day of year. System.out.println (br.readLine ()); } catch (IOException e) { System.out.println (e.toString ()); } finally { try { if (br != null) br.close (); if (pw != null) pw.close (); if (s != null) s.close (); } catch (IOException e) { } } } } |
運行這段程序將會得到下面的結果：
| Tue Jan 29 18:11:51 CST 2002 TUESDAY 29 29 |
SSClient創建了一個Socket對象與運行在主機端口10000的服務程序聯繫，主機的IP地址由host變量確定。SSClient將獲得Socket的輸入輸出流，圍繞BufferedReader的輸入流和PrintWriter的輸出流對字符串進行讀寫操作就變得非常容易，SSClient個服務程序發出各種date/time命令並得到響應，每個響應均被打印，一旦最後一個響應被打印，將執行Try/Catch/Finally結構的Finally子串，Finally子串將在關閉Socket之前關閉BufferedReader 和 PrintWriter。
在SSClient源代碼編譯完成後，可以輸入java SSClient 來執行這段程序，如果有合適的程序運行在不同的主機上，採用主機名/IP地址爲參數的輸入方式，比如www.sina.com.cn是運行服務器程序的主機，那麼輸入方式就是java SSClient www.sina.com.cn。
技巧
Socket類包含了許多有用的方法。比如getLocalAddress()將返回一個包含客戶程序IP地址的InetAddress子類對象的引用;getLocalPort()將返回客戶程序的端口號;getInetAddress()將返回一個包含服務器IP地址的InetAddress子類對象的引用；getPort()將返回服務程序的端口號。
ServerSocket類
由於SSClient使用了流套接字，所以服務程序也要使用流套接字。這就要創建一個ServerSocket對象，ServerSocket有幾個構造函數，最簡單的是ServerSocket(int port)，當使用ServerSocket(int port)創建一個ServerSocket對象，port參數傳遞端口號，這個端口就是服務器監聽連接請求的端口，如果在這時出現錯誤將拋出IOException異常對象，否則將創建ServerSocket對象並開始準備接收連接請求。
接下來服務程序進入無限循環之中，無限循環從調用ServerSocket的accept()方法開始，在調用開始後accept()方法將導致調用線程阻塞直到連接建立。在建立連接後accept()返回一個最近創建的Socket對象，該Socket對象綁定了客戶程序的IP地址或端口號。
由於存在單個服務程序與多個客戶程序通訊的可能，所以服務程序響應客戶程序不應該花很多時間，否則客戶程序在得到服務前有可能花很多時間來等待通訊的建立，然而服務程序和客戶程序的會話有可能是很長的（這與電話類似），因此爲加快對客戶程序連接請求的響應，典型的方法是服務器主機運行一個後臺線程，這個後臺線程處理服務程序和客戶程序的通訊。
爲了示範我們在上面談到的慨念並完成SSClient程序，下面我們創建一個SSServer程序，程序將創建一個ServerSocket對象來監聽端口10000的連接請求，如果成功服務程序將等待連接輸入，開始一個線程處理連接，並響應來自客戶程序的命令。下面就是這段程序的代碼：
Listing 3: SSServer.java
| // SSServer.java import java.io.*; import java.net.*; import java.util.*; class SSServer { public static void main (String [] args) throws IOException { System.out.println ("Server starting.../n"); // Create a server socket that listens for incoming connection // requests on port 10000. ServerSocket server = new ServerSocket (10000); while (true) { // Listen for incoming connection requests from client // programs, establish a connection, and return a Socket // object that represents this connection. Socket s = server.accept (); System.out.println ("Accepting Connection.../n"); // Start a thread to handle the connection. new ServerThread (s).start (); } } } class ServerThread extends Thread { private Socket s; ServerThread (Socket s) { this.s = s; } public void run () { BufferedReader br = null; PrintWriter pw = null; try { // Create an input stream reader that chains to the socket's // byte-oriented input stream. The input stream reader // converts bytes read from the socket to characters. The // conversion is based on the platform's default character // set. InputStreamReader isr; isr = new InputStreamReader (s.getInputStream ()); // Create a buffered reader that chains to the input stream // reader. The buffered reader supplies a convenient method // for reading entire lines of text. br = new BufferedReader (isr); // Create a print writer that chains to the socket's byte- // oriented output stream. The print writer creates an // intermediate output stream writer that converts // characters sent to the socket to bytes. The conversion // is based on the platform's default character set. pw = new PrintWriter (s.getOutputStream (), true); // Create a calendar that makes it possible to obtain date // and time information. Calendar c = Calendar.getInstance (); // Because the client program may send multiple commands, a // loop is required. Keep looping until the client either // explicitly requests termination by sending a command // beginning with letters BYE or implicitly requests // termination by closing its output stream. do { // Obtain the client program's next command. String cmd = br.readLine (); // Exit if client program has closed its output stream. if (cmd == null) break; // Convert command to uppercase, for ease of comparison. cmd = cmd.toUpperCase (); // If client program sends BYE command, terminate. if (cmd.startsWith ("BYE")) break; // If client program sends DATE or TIME command, return // current date/time to the client program. if (cmd.startsWith ("DATE") || cmd.startsWith ("TIME")) pw.println (c.getTime ().toString ()); // If client program sends DOM (Day Of Month) command, // return current day of month to the client program. if (cmd.startsWith ("DOM")) pw.println ("" + c.get (Calendar.DAY_OF_MONTH)); // If client program sends DOW (Day Of Week) command, // return current weekday (as a string) to the client // program. if (cmd.startsWith ("DOW")) switch (c.get (Calendar.DAY_OF_WEEK)) { case Calendar.SUNDAY : pw.println ("SUNDAY"); break; case Calendar.MONDAY : pw.println ("MONDAY"); break; case Calendar.TUESDAY : pw.println ("TUESDAY"); break; case Calendar.WEDNESDAY: pw.println ("WEDNESDAY"); break; case Calendar.THURSDAY : pw.println ("THURSDAY"); break; case Calendar.FRIDAY : pw.println ("FRIDAY"); break; case Calendar.SATURDAY : pw.println ("SATURDAY"); } // If client program sends DOY (Day of Year) command, // return current day of year to the client program. if (cmd.startsWith ("DOY")) pw.println ("" + c.get (Calendar.DAY_OF_YEAR)); // If client program sends PAUSE command, sleep for three // seconds. if (cmd.startsWith ("PAUSE")) try { Thread.sleep (3000); } catch (InterruptedException e) { } } while (true); { catch (IOException e) { System.out.println (e.toString ()); } finally { System.out.println ("Closing Connection.../n"); try { if (br != null) br.close (); if (pw != null) pw.close (); if (s != null) s.close (); } catch (IOException e) { } } } } |
運行這段程序將得到下面的輸出：
| Server starting... Accepting Connection... Closing Connection... |
SSServer的源代碼聲明瞭一對類：SSServer 和ServerThread；SSServer的main()方法創建了一個ServerSocket對象來監聽端口10000上的連接請求，如果成功, SSServer進入一個無限循環中，交替調用ServerSocket的 accept() 方法來等待連接請求，同時啓動後臺線程處理連接（accept()返回的請求）。線程由ServerThread繼承的start()方法開始，並執行ServerThread的run()方法中的代碼。
一旦run()方法運行，線程將創建BufferedReader, PrintWriter和 Calendar對象並進入一個循環，這個循環由讀（通過BufferedReader的 readLine()）來自客戶程序的一行文本開始，文本（命令）存儲在cmd引用的string對象中，如果客戶程序過早的關閉輸出流，會發生什麼呢？答案是：cmd將得不到賦值。
注意必須考慮到這種情況：在服務程序正在讀輸入流時，客戶程序關閉了輸出流，如果沒有對這種情況進行處理，那麼程序將產生異常。
一旦編譯了SSServer的源代碼，通過輸入Java SSServer來運行程序，在開始運行SSServer後，就可以運行一個或多個SSClient程序。
