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探索Java网络编程精髓：UDP与TCP的实战魔法！

news 来源：原创 2024/9/20 4:42:45

Java 中提供了专门的网络编程程序包 java.net，提供了两种通信协议：UDP（数据报协议）和 TCP（传输控制协议），本文对两种通信协议的开发进行详细介绍。

1

UDP 介绍

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UDP：User Datagram Protocol，是一种无连接的传输层协议，是不可靠的消息传输服务。UDP 为应用程序提供了一种无需建立连接就可以发送封装的 IP 数据包的方法。

UDP 的特点是非面向连接，传输不可靠，数据可能丢失。一般用于各种聊天工具、音频或者多媒体应用，对数据传输的完整性要求不是特别高的场景。

在 UDP 开发中使用 DatagramPacket 类包装一条要发送的消息，然后用 DatagramSocket 类完成消息的发送。

下面我们来通过一个的示例来了解 UDP 编程，编写一个客户端程序，在客户端里指定要接收数据（服务端）的端口以及要发送的数据，打包数据后进行发送；编写一个服务端程序，在服务端里接收客户端发来的数据并输出。

// 客户端发送消息
@Testpublic void testClient() throws IOException {// 1、创建客户端指定端口为6666DatagramSocket client = new DatagramSocket(6666);// 2、准备数据String msg = "测试UDP！";byte[] data = msg.getBytes();// 3、打包数据，InetSocketAddress端口为服务端的端口DatagramPacket packet = new DatagramPacket(data, data.length, new InetSocketAddress("localhost", 8888));// 4、发送数据client.send(packet);// 5、释放资源client.close();}// 服务端接收消息
@Testpublic void testServer() throws IOException {// 1、创建服务端指定端口为8888DatagramSocket server = new DatagramSocket(8888);// 2、准备接受输入的缓存字节数组byte[] buf = new byte[1024];// 3、封装成DatagramPacket包DatagramPacket packet = new DatagramPacket(buf, buf.length);// 4、接受数据server.receive(packet);// 5、分析数据byte[] data = packet.getData();System.out.println(new String(data, 0, packet.getLength()));// 6、释放资源server.close();}

首先运行服务端程序，然后运行客户端程序，观察服务端程序的控制台的运行结果：

测试UDP！

下面我们结合 IO 流，来演示一个发送基本数据类型的示例，客户端向服务端发送一个用户的名称和年龄，假设用户名为 JPM，年龄为 18 岁。

// 客户端发送数据
@Testpublic void client() throws IOException {// 1、创建客户端指定端口为6666DatagramSocket client = new DatagramSocket(6666);// 2、准备数据String name = "JPM";int age = 18;byte[] data = buildData(name, age);// 3、打包数据，InetSocketAddress端口为服务端的端口DatagramPacket packet = new DatagramPacket(data, data.length, new InetSocketAddress("localhost", 8888));// 4、发送数据client.send(packet);// 5、释放资源client.close();}private byte[] buildData(String name, int age) throws IOException {byte[] data = null;ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();DataOutputStream dos = new DataOutputStream(bos);dos.writeUTF(name);dos.writeInt(age);dos.flush();data = bos.toByteArray(); // 获取数据dos.close();bos.close();return data;}// 服务端接收数据
@Testpublic void server() throws IOException {// 1、创建服务端指定端口为8888DatagramSocket server = new DatagramSocket(8888);// 2、准备接受输入的缓存字节数组byte[] buf = new byte[1024];// 3、封装成DatagramPacket包DatagramPacket packet = new DatagramPacket(buf, buf.length);// 4、接受数据server.receive(packet);// 5、分析数据String data = getData(packet.getData());System.out.println(data);// 6、释放资源server.close();}private String getData(byte[] data) throws IOException {DataInputStream dis = new DataInputStream(new ByteArrayInputStream(data));String name = dis.readUTF();int age = dis.readInt();dis.close();return name + "的年龄是：" + age;}

首先运行服务端程序，然后运行客户端程序，观察服务端程序的控制台的运行结果：

JPM的年龄是：18

2

TCP 介绍

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TCP，Transmission Control Protocol，是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。TCP 的特点是面向连接的、点到点的、高可靠的，需要通过三次握手建立连接。

在 Java 中使用 Socket（套接字）完成 TCP 程序的开发。服务器端使用 ServerSocket 类来接受客户端的连接，每一个客户端都使用一个 Socket 对象表示。

服务器端要使用 accept() 方法等待客户端的连接，此方法执行后服务器端进入阻塞状态，直到客户端连接之后程序才可以继续执行。accept() 方法返回的是一个 Socket 类型的对象，每一个 Socket 对象都表示一个客户端对象。

在客户端，可以通过 Socket 类的 getInputStream() 方法获取服务器的输出信息，在服务器端可以通过 Socket 类的 getOutputStream() 方法获取客户端的输出信息，因此说网络程序员要使用 Java IO 输入、输出流来完成信息的传递。

下面演示一个 TCP 程序的示例，服务器接收到客户端的连接后返回给客户端“Hello，欢迎使用!”，客户端接收服务端的数据并输出到控制台。

// 服务器端程序@Testpublic void testServer() throws IOException {// 1、创建服务器指定8888端口ServerSocket server = new ServerSocket(8888);// 2、接收客户端连接,阻塞式Socket socket = server.accept();System.out.println("建立客户端连接");// 3、发送数据String msg = "Hello，欢迎使用!";BufferedWriter bw = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(socket.getOutputStream()));bw.write(msg);// 必须调用此方法，否则客户端readLine()会执行会发生Connection reset异常bw.newLine();bw.flush();server.close();}
// 客户端程序@Testpublic void testClient() throws IOException {// 1、创建客户端连接,指定服务器的域名和端口Socket client = new Socket("localhost", 8888);// 2、接收数据BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(client.getInputStream()));String msg = br.readLine(); // 阻塞式方法System.out.println(msg);client.close();}

首先运行服务端程序，然后运行客户端程序，观察控制台的运行结果：

服务端控制台输出：
建立客户端连接客户端控制台输出：
Hello，欢迎使用!

注意：如果服务端已经开启一个 8888 端口的服务，那么再次开启 8888 端口服务端的程序会发生绑定端口异常，如：java.net.BindException: Address already in use: JVM_Bind

以上的程序一个服务端只能接收一个客户端，并只能处理一次客户端请求，如果想实现一个服务端可以接收多个客户端的连接，那么需要在服务端程序上加入一个 while 无限循环来完成。

3

TCP 通信的经典案例

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下面的代码实现网络编程通信的一个经典案例，就是客户端输入消息，服务器接收到客户端的消息后，在客户端发来的消息内容前面加上“echo：”并返回给客户端，直到客户端输入“exit”时退出连接。

// 服务器端程序
@Testpublic void testMultiServer() throws IOException {// 创建服务器指定8888端口ServerSocket server = new ServerSocket(8888);Socket client = null;PrintStream out = null;BufferedReader buf = null;boolean sts = true;// 默认无限循环// while循环接收客户端连接while (sts) {System.out.println("======服务器已经运行，等待客户端的链接：======");client = server.accept();System.out.println("建立客户端连接");// 得到客户端的输入信息buf = new BufferedReader(new InputStreamReader(client.getInputStream()));// 实例化客户端的输出流，用于输出消息out = new PrintStream(client.getOutputStream());boolean flag = true;while (flag) {String str = buf.readLine();// 不断接收输入的消息if ("exit".equals(str)) { // 客户端结束输入flag = false;} else {out.println("echo：" + str);}}out.close();client.close();}server.close();}// 客户端程序@Testpublic void testClient2() throws IOException {// 创建客户端连接,指定服务器的域名和端口Socket client = new Socket("localhost", 8888);// 接收服务器端的输入BufferedReader buf = new BufferedReader(new InputStreamReader(client.getInputStream()));// 从键盘接收输入BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));// 向服务器端输出消息PrintStream out = new PrintStream(client.getOutputStream());boolean flag = true;while (flag) {System.out.print("请输入消息：");String msg = reader.readLine();// 从键盘接收输入的数据out.println(msg); // 输出到服务器端if ("exit".equals(msg)) {flag = false;} else {System.out.println(buf.readLine()); // 输出服务器返回的消息}}client.close();reader.close();buf.close();}

首先运行服务端程序，然后运行客户端程序，观察控制台的运行结果：

服务端控制台输出：
======服务器已经运行，等待客户端的链接：======
建立客户端连接
======服务器已经运行，等待客户端的链接：======
建立客户端连接
======服务器已经运行，等待客户端的链接：======客户端1控制台：
请输入消息：你好，追梦Java
echo：你好，追梦Java
请输入消息：hello，java
echo：hello，java
请输入消息：exit客户端2控制台：
请输入消息：客户端2
echo：客户端2
请输入消息：hello，客户端2
echo：hello，客户端2
请输入消息：exit

以上的程序结果来看，所有的客户端输入的内容，都会在服务器端加上“echo：”后回显给客户端，同时当一个客户端退出时，服务器端没有退出，而是会等待下一个客户端进行连接，服务器端可以重复执行。

但是在以上的程序中存在一个服务器端单线程处理的问题，也就是说以上的程序服务器端每次只能有一个客户端连接，其他的客户端只有等前面的客户端退出后，自己才能执行。

可以通过上面的程序，首先启动服务端，再启动一个客户端，然后再启动一个客户端的过程来感受。

4

多线程机制下的 TCP 编程

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上面程序中存在服务器单线程服务的问题，由于 accept() 方法的阻塞机制，因此当客户端没有退出时，一个服务器只能处理已经连接上的客户端程序，在这个客户端没有退出前，其他客户端是无法连接的。

为了保证服务器可以同时连接多个客户端，可以在服务器端的程序里加上多线程机制，也就是说，每个客户端连接之后都启动一个线程，这样一个服务器就可以同时支持过个客户端连接了。

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在服务器端加上多线程机制，就是需要在每个客户端连接之后启动一个新的线程。

因此，我们需要建立一个专门用于处理多线程操作的 EchoThread 类，实现 Runnable 接口。

public class EchoThread implements Runnable {private Socket client = null;public EchoThread(Socket client) {this.client = client;}@Overridepublic void run() {PrintStream out = null;BufferedReader buf = null;try {// 得到客户端的输入信息buf = new BufferedReader(new InputStreamReader(client.getInputStream()));// 实例化客户端的输出流out = new PrintStream(client.getOutputStream());boolean flag = true; // 表示一个客户端是否结束while (flag) {String str = buf.readLine();if ("exit".equals(str)) {flag = false;} else {out.println("echo：" + str);}}out.close();buf.close();client.close();} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}}

下面在服务器程序 EchoThreadServer 类加上多线程的调用，使用 EchoThread 类：

public class EchoThreadServer {public static void main(String[] args) throws IOException {ServerSocket server = new ServerSocket(8888);Socket client = null;boolean flag = true;while (flag) {System.out.println("======服务器已经运行，等待客户端的链接：======");client = server.accept();// 启动一个EchoThread线程来处理一个独立的客户单new Thread(new EchoThread(client)).start();}server.close();}
}

客户端程序不变，首先运行服务端程序 EchoThreadServer，然后分别运行客户端程序两次，观察控制台的运行结果：

服务端控制台输出：
======服务器已经运行，等待客户端的链接：======
建立客户端连接
建立客户端连接客户端1控制台：
请输入消息：我是客户端1
echo：我是客户端1
请输入消息：hello1
echo：hello1
请输入消息：exit客户端2控制台：
请输入消息：我是客户端2
echo：我是客户端2
请输入消息：hello2
echo：hello2
请输入消息：exit

从上面的例子可以看出，服务端支持多个客户端的连接，并且每个客户端都可以独立与服务端进行交互，互不影响。

通过上面的介绍，对 Java 的网络编程有了进一步的认识，后面会基于以上的内容结合 Java IO 流来实现一个聊天室的功能，敬请期待......

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