現代的應用程序都離不開網絡，網絡編程是非常重要的技術。Java SE提供java.net包，其中包含了網絡編程所需要的最基礎一些類和接口。這些類和接口面向兩個不同的層次：基于Socket的低層次網絡編程和基于URL的高層次網絡編程，所謂高低層次就是通信協議的高低層次，Socket采用TCP、UDP等協議，這些協議屬于低層次的通信協議；URL采用HTTP和HTTPS這些屬于高層次的通信協議。低層次網絡編程，因為它面向底層，比較復雜，但是“低層次網絡編程”并不等于它功能不強大。恰恰相反，正因為層次低，Socket編程與基于URL的高層次網絡編程比較，能夠提供更強大的功能和更靈活的控制，但是要更復雜一些。 ## 24.1　網絡基礎 **1 客戶端服務器結構網絡** 客戶端服務器（Client Server，縮寫C/S）結構網絡，是一種主從結構網絡。如圖24-1所示，服務器一般處于等待狀態，如果有客戶端請求，服務器響應請求建立連接提供服務。服務器是被動的，有點像在餐廳吃飯時候的服務員。而客戶端是主動的，像在餐廳吃飯的顧客  例如：Web服務、文件傳輸服務和郵件服務等。雖然它們存在的目的不一樣，但基本結構是一樣的。這種網絡結構與設備類型無關，服務器不一定是電腦，也可能是手機等移動設備。 **2 對等結構網絡** 對等結構網絡也叫點對點網絡（Peer to Peer，縮寫P2P），每個節點之間是對等的。它們如圖24-2所示，每個節點既是服務器又是客戶端，這種結構有點像吃自助餐。  對等結構網絡分布范圍比較小。通常在一間辦公室或一個家庭內，因此它非常適合于移動設備間的網絡通訊，網絡鏈路層是由藍牙和WiFi實現。 ### 24.1.2　TCP/IP協議 網絡通信會用到協議，其中TCP/IP協議是非常重要的。TCP/IP協議是由IP和TCP兩個協議構成的，IP（Internet Protocol）協議是一種低級的路由協議，它將數據拆分成許多小的數據包中，并通過網絡將它們發送到某一特定地址，但無法保證都所有包都抵達目的地，也不能保證包的順序。 由于IP協議傳輸數據的不安全性，網絡通信時還需要TCP協議，傳輸控制協議（Transmission Control Protocol，TCP）是一種高層次的協議，面向連接的可靠數據傳輸協議，如果有些數據包沒有收到會重發，并對數據包內容準確性檢查并保證數據包順序，所以該協議保證數據包能夠安全地按照發送時順序送達目的地。 ### 24.1.3　IP地址 為實現網絡中不同計算機之間的通信，每臺計算機都必須有一個與眾不同的標識，這就是IP地址，TCP/IP使用IP地址來標識源地址和目的地址。最初所有的IP地址都是32位數字構成，由4個8位的二進制數組成，每8位之間用圓點隔開，如：192.168.1.1，這種類型的地址通過IPv4指定。 而現在有一種新的地址模式稱為IPv6，IPv6使用128位數字表示一個地址，分為8個16位塊。盡管IPv6比IPv4有很多優勢，但是由于習慣的問題，很多設備還是采用IPv4。不過Java語言同時指出IPv4和IPv6。 在IPv4地址模式中IP地址分為A、B、C、D和E等5類。 * A類地址用于大型網絡，地址范圍：1.0.0.1~126.155.255.254。 * B類地址用于中型網絡，地址范圍：128.0.0.1~191.255.255.254。 * C類地址用于小規模網絡，192.0.0.1~223.255.255.254。 * D類地址用于多目的地信息的傳輸和作為備用。 * E類地址保留僅作實驗和開發用。 另外，有時還會用到一個特殊的IP地址127.0.0.1，127.0.0.1稱為回送地址，指本機。主要用于網絡軟件測試以及本地機進程間通信，使用回送地址發送數據，不進行任何網絡傳輸，只在本機進程間通信。 ### 24.1.4　端口 一個IP地址標識這一臺計算機，每一臺計算機又有很多網絡通信程序在運行，提供網絡服務或進行通信，這就需要不同的端口進行通信。如果把IP地址比作電話號碼，那么端口就是分機號碼，進行網絡通信時不僅要指定IP地址，還要指定端口號。 TCP/IP系統中的端口號是一個16位的數字，它的范圍是0~65535。小于1024的端口號保留給預定義的服務，如HTTP是80，FTP是21，Telnet是23，Email是25等，除非要和那些服務進行通信，否則不應該使用小于1024的端口。 ## 24.2　TCP Socket低層次網絡編程 TCP/IP協議的傳輸層有兩種傳輸協議：TCP（傳輸控制協議）和 UDP（用戶數據報協議）。TCP是面向連接的可靠數據傳輸協議。TCP就像好比電話，電話接通后雙方才能通話，在掛斷電話之前，電話一直占線。TCP連接一旦建立起來，一直占用，直到關閉連接。另外，TCP為了保證數據的正確性，會重發一切沒有收到的數據，還會對進行數據內容進行驗證，并保證數據傳輸的正確順序。因此TCP協議對系統資源的要求較多。 基于TCP Socket編程很有代表性，先介紹TCP Socket編程。 ### 24.2.1　TCP Socket通信概述 Socket是網絡上的兩個程序，通過一個雙向的通信連接，實現數據的交換。這個雙向鏈路的一端稱為一個Socket。Socket通常用來實現客戶端和服務端的連接。Socket是TCP/IP協議的一個十分流行的編程接口，一個Socket由一個IP地址和一個端口號唯一確定，一旦建立連接Socket還會包含本機和遠程主機的IP地址和遠端口號，如圖24-3所示，Socket是成對出現的。  ### 24.2.2　TCP Socket通信過程 使用Socket進行C/S結構編程，通信過程如圖24-4所示。   **圖24-4　TCP Socket通信過程** 服務器端監聽某個端口是否有連接請求，服務器端程序處于阻塞狀態，直到客戶端向服務器端發出連接請求，服務器端接收客戶端請求，服務器會響應請求，處理請求，然后將結果應答給客戶端，這樣就會建立連接。一旦連接建立起來，通過Socket可以獲得輸入輸出流對象。借助于輸入輸出流對象就可以實現服務器與客戶端的通信，最后不要忘記關閉Socket和釋放一些資源（包括：關閉輸入輸出流）。 ### 24.2.3　Socket類 java.net包為TCP Socket編程提供了兩個核心類：Socket和ServerSocket，分別用來表示雙向連接的客戶端和服務器端。 **本節先介紹一下Socket類，Socket常用的構造方法有：** * Socket(InetAddress address, int port) ：創建Socket對象，并指定遠程主機IP地址和端口號。 * Socket(InetAddress address, int port, InetAddress localAddr, int localPort)：創建Socket對象，并指定遠程主機IP地址和端口號，以及本機的IP地址（localAddr）和端口號（localPort）。 * Socket(String host, int port)：創建Socket對象，并指定遠程主機名和端口號，IP地址為null，null表示回送地址，即127.0.0.1。 * Socket(String host, int port, InetAddress localAddr, int localPort)：創建Socket對象，并指定遠程主機和端口號，以及本機的IP地址（localAddr）和端口號（localPort）。host主機名，IP地址為null，null表示回送地址，即127.0.0.1。 **Socket其他的常用方法有：** * InputStream getInputStream()：通過此Socket返回輸入流對象。 * OutputStream getOutputStream()：通過此Socket返回輸出流對象。 * int getPort()：返回Socket連接到的遠程端口。 * int getLocalPort()：返回Socket綁定到的本地端口。 * InetAddress getInetAddress()：返回Socket連接的地址。 * InetAddress getLocalAddress()：返回Socket綁定的本地地址。 * boolean isClosed()：返回Socket是否處于關閉狀態。 * boolean isConnected()：返回Socket是否處于連接狀態。 * void close()：關閉Socket。 **注意**　Socket與流類似所占用的資源，不能通過JVM的垃圾收集器回收，需要程序員釋放。一種方法是可以在finally代碼塊調用close()方法關閉Socket，釋放流所占用的資源。另一種方法通過自動資源管理技術釋放資源，Socket和ServerSocket都實現了AutoCloseable接口。 ### 24.2.4　ServerSocket類 **ServerSocket類常用的構造方法有：** * ServerSocket(int port, int maxQueue)：創建綁定到特定端口的服務器Socket。maxQueue設置連接的請求最大隊列長度，如果隊列滿時，則拒絕該連接。默認值是50。 * ServerSocket(int port)：創建綁定到特定端口的服務器Socket。最大隊列長度是50。 **ServerSocket其他的常用方法有：** * InputStream getInputStream()：通過此Socket返回輸入流對象。 * OutputStream getOutputStream()：通過此Socket返回輸出流對象。 * boolean isClosed()：返回Socket是否處于關閉狀態。 * Socket accept()：偵聽并接收到Socket的連接。此方法在建立連接之前一直阻塞。 * void close()：關閉Socket。 ServerSocket類本身不能直接獲得I/O流對象，而是通過accept()方法返回Socket對象，通過Socket對象取得I/O流對象，進行網絡通信。此外，ServerSocket也實現了AutoCloseable接口，通過自動資源管理技術關閉ServerSocket。 ### 24.2.5　案例：文件上傳工具 基于TCP Socket編程比較復雜，先從一個簡單的文件上傳工具案例介紹TCP Socket編程基本流程。上傳過程是一個單向Socket通信過程，如圖24-5所示 * 客戶端通過文件輸入流讀取文件，然后從Socket獲得輸出流寫入數據，寫入數據完成上傳成功，客戶端任務完成。 * 服務器端從Socket獲得輸入流，然后寫入文件輸出流，寫入數據完成上傳成功，服務器端任務完成。  **下面看看案例服務器端UploadServer代碼如下：** ``` ~~~ //UploadServer.java文件 package com.a51work6; … … public class UploadServer { public static void main(String[] args) { System.out.println("服務器端運行..."); try ( // 創建一個ServerSocket監聽8080端口的客戶端請求 ServerSocket server = new ServerSocket(8080); ① // 使用accept()阻塞當前線程，等待客戶端請求 Socket socket = server.accept(); ② // 由Socket獲得輸入流，并創建緩沖輸入流 BufferedInputStream in = new BufferedInputStream(socket.getInputStream()); ③ // 由文件輸出流創建緩沖輸出流 FileOutputStream fiOut = new FileOutputStream("./TestDir/subDir/coco2dxcplus.jpg") BufferedOutputStream out = new BufferedOutputStream(fiOut ); ) {④ // 準備一個緩沖區 byte[] buffer = new byte[1024]; // 首次從Socket讀取數據 int len = in.read(buffer); while (len != -1) { // 寫入數據到文件 out.write(buffer, 0, len); // 再次從Socket讀取數據 len = in.read(buffer); } System.out.println("接收完成！"); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } } ~~~ ``` 上述代碼第①行創建ServerSocket對象監聽本機的8080端口，這是當前線程還沒有阻塞，調用代碼第②行的server.accept()才會阻塞當前線程，等待客戶端請求。 > **提示**　由于當前線程是主線程，所以server.accept()會阻塞主線程，阻塞主線程是不明智的，如果是在一個圖形界面的應用程序，阻塞主線程會導致無法進行任何的界面操作，就是常見的“卡”現象，所以最好是把server.accept()語句放到子線程中。 代碼第③行是從socket對象中獲得輸入流對象，代碼第④行是文件輸出流。下面輸入輸出代碼讀者可以參考第22章，這里不再贅述。 **案例客戶端UploadClient代碼如下：** ``` ~~~ //UploadClient.java文件 package com.a51work6; … … public class UploadClient { public static void main(String[] args) { System.out.println("客戶端運行..."); try ( // 向本機的8080端口發出請求 Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 8080); ① // 由Socket獲得輸出流，并創建緩沖輸出流 BufferedOutputStream out = new BufferedOutputStream(socket.getOutputStream());② // 創建文件輸入流 FileInputStream fin = new FileInputStream("./TestDir/coco2dxcplus.jpg"); // 由文件輸入流創建緩沖輸入流 BufferedInputStream in = new BufferedInputStream(fin)) { // 準備一個緩沖區 byte[] buffer = new byte[1024]; // 首次讀取文件 int len = in.read(buffer); while (len != -1) { // 數據寫入Socket out.write(buffer, 0, len); // 再次讀取文件 len = in.read(buffer); } System.out.println("上傳成功！"); } catch (ConnectException e) { ③ System.out.println("服務器未啟動！"); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } } ~~~ ``` 上述代碼第①行創建Socket，指定遠程主機的IP地址和端口號。代碼第②行是從socket對象獲得輸出流。代碼第③行是捕獲ConnectException異常，這個異常引起的原因是在代碼第①行向服務器發出請求時，服務器拒絕了客戶端請求，這有兩種可能性：一是服務器沒有啟動，服務器的8080端口沒有打開；二是服務器請求隊列已滿（默認是50個）。 **提示**　案例測試時，先運行服務器，再運行客戶端。測試Socket程序最好打開兩個命令行窗口，通過java指令分別運行服務器程序和客戶端程序，如圖24-6和24-7所示，需要注意當前運行的路徑是Eclipse工程根目錄，需要指定類路徑，命令的-cp .;./bin就是指定類路徑，包括兩個當前路徑：其中點（.）表示當前路徑，./bin表示bin目錄，也可以寫成.\\bin。為什么要指定bin目錄呢？是因為編譯之后的字節碼文件放在此目錄中。另外，如果想在Eclipse中查看多個控制臺信息，如圖24-8所示，在控制臺上面的工具欄中，單擊“選擇控制臺”按鈕實現切換。    ### 24.2.6　案例：聊天工具 第24.2.5節介紹的案例只是單向傳輸的Socket，Socket可以雙向數據傳輸，但是這就有些復雜了，比較有代表性的案例就是聊天工具。 如圖24-9所示是基于TCP Socket聊天工具案例，其中的標準輸入是鍵盤，標準輸出是顯示器的控制臺。首先客戶端通過鍵盤輸入字符串，通過標準輸入流讀取字符串，然后通過Socket獲得輸出流，將字符串寫入輸出流。接著服務器通過Socket獲得輸入流，從輸入流中讀取來自客戶端發送過來的字符串，然后通過標準輸出流輸出到顯示器的控制臺。服務器向客戶端字符串過程類似。  **案例服務器端ChatServer代碼如下**