Java 网络编程

网络编程

网络编程是指通过因特网（Internet）实现计算机之间的数据传输。

常见软件架构：

C/S: 客户端/服务端
B/S: 浏览器/服务器

网络编程三要素

IP 地址：唯一标识计算机的数字地址。
端口号：端口号，标识计算机上的进程。
通信协议：描述计算机之间如何通信，如：TCP、UDP、http、ftp、smtp、pop3、imap 等。

IP

IP 地址（Internet Protocol Address）是 Internet 协议栈中的重要组件，用于唯一标识 Internet 中的计算机。IP 分为 IPV4 和 IPV6 两种。

IPV4 地址格式为：A.B.C.D，其中 A、B、C、D 为 0-255 的数字。
IPV6 地址格式为：ABCD:ABCD:ABCD:ABCD:ABCD:ABCD:ABCD:ABCD，其中 A、B、C、D 为 0-65535 的数字。

本机 IP 地址可以通过 ipconfig 命令查看，但是这个 IP 地址是本机的局域网 IP 地址，不是外网 IP 地址。当我们切换局域网时，会被重新分配新的 IP 地址。我们也可以通过 127.0.0.1 或者 localhost 来访问本机，这两个 IP 地址称为本地回环地址，永远不会被改变。

InetAddress 类

InetAddress 类是 Internet 协议栈中的重要类，用于表示 Internet 中的计算机。InetAddress 类提供了获取 IP 地址的方法。

InetAddress 构造方法

构造方法	描述
getByAddress(String host, byte[] addr)	通过主机名和字节数组创建 InetAddress 对象。
getByName(String host)	通过主机名创建 InetAddress 对象。
getAllByName(String host)	通过主机名创建 InetAddress 对象。
getLoopbackAddress()	获取本地回环地址。
getByAddress(byte[] addr)	通过字节数组创建 InetAddress 对象。
getLocalHost()	获取本地主机地址。

InetAddress 常用方法

方法	描述
getHostName()	获取主机名。
getHostAddress()	获取 IP 地址。

InetAddress 代码示例

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java
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InetAddress address = InetAddress.getLocalHost();
System.out.println(address);

// 获取主机名
String hostName = address.getHostName();
System.out.println(hostName);

// 获取 IP
String hostAddress = address.getHostAddress();
System.out.println(hostAddress);

端口

端口（Port）是计算机网络中的一个数字，用于标识计算机上的进程。端口号范围：0-65535。

协议

协议（Protocol）是计算机网络中的重要概念，用于描述计算机之间如何通信。协议定义了计算机如何进行数据传输，以及如何处理数据。

模型

OSI 模型：应用层 --> 表示层 --> 会话层 --> 传输层 --> 网络层 --> 数据链路层 --> 物理层
TCP/IP 模型：应用层 --> 传输层 --> 网络层 --> 物理链路层

通信协议

UDP: 无连接协议，速度快，单次最大传输 64KB，数据不安全，易丢失。
TCP: 有连接协议，传输速度慢，无大小限制，数据安全。

UDP

UDP 是一种无连接的协议，它不建立连接，只发送数据，不保证数据安全。

UDP 有三种通信方法：单播、组播、广播。

单播：发送方发送数据给指定的接收方。
组播：发送方发送数据给多个接收方。
广播：发送方发送数据给所有接收方。

单播

单播需要指定具体的 IP 地址和端口号。

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java
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// 发送端
DatagramSocket socket = new DatagramSocket();

Scanner sc = new Scanner(System.in);

while (true) {
    String content = sc.nextLine();
    byte[] bytes = content.getBytes();

    DatagramPacket packet = new DatagramPacket(bytes, 0, bytes.length, InetAddress.getLocalHost(), 8888);
    socket.send(packet);

    if ("exit".equals(content)) break;
}

sc.close();
socket.close();

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java
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// 接收端
DatagramSocket socket = new DatagramSocket(8888);

while (true) {
    byte[] buffer = new byte[1024];
    DatagramPacket packet = new DatagramPacket(buffer, buffer.length);

    socket.receive(packet);

    byte[] data = packet.getData();
    int length = packet.getLength();
    InetAddress address = packet.getAddress();
    String content = new String(data, 0, length);
    System.out.println(address.getHostName() + ":" + content);

    if ("exit".equals(content)) break;
}

socket.close();

组播

组播需要指定组播地址和组播端口，组播地址范围：224.0.0.0-239.255.255.255

下面的代码示例只有接收端 1 和接收端 2 才能接收数据。

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java
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// 发送端
MulticastSocket socket = new MulticastSocket();

Scanner sc = new Scanner(System.in);

while (true) {
    String content = sc.nextLine();
    byte[] bytes = content.getBytes();

    DatagramPacket packet = new DatagramPacket(bytes, 0, bytes.length, InetAddress.getByName("224.0.0.2"), 10000);
    socket.send(packet);

    if ("exit".equals(content)) break;
}

sc.close();
socket.close();

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java
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// 接收端 1
MulticastSocket socket = new MulticastSocket(10000);

// 将当前主机添加到组播地址中
InetAddress group = InetAddress.getByName("224.0.0.2");
socket.joinGroup(group);

while (true) {
    byte[] buffer = new byte[1024];
    DatagramPacket packet = new DatagramPacket(buffer, buffer.length);

    socket.receive(packet);

    byte[] data = packet.getData();
    int length = packet.getLength();
    InetAddress address = packet.getAddress();
    String content = new String(data, 0, length);
    System.out.println(address.getHostName() + ":" + content);

    if ("exit".equals(content)) break;
}

socket.close();

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java
复制代码
// 接收端 2
MulticastSocket socket = new MulticastSocket(10000);

// 将当前主机添加到组播地址中
InetAddress group = InetAddress.getByName("224.0.0.2");
socket.joinGroup(group);

while (true) {
    byte[] buffer = new byte[1024];
    DatagramPacket packet = new DatagramPacket(buffer, buffer.length);

    socket.receive(packet);

    byte[] data = packet.getData();
    int length = packet.getLength();
    InetAddress address = packet.getAddress();
    String content = new String(data, 0, length);
    System.out.println(address.getHostName() + ":" + content);

    if ("exit".equals(content)) break;
}

socket.close();

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java
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// 接收端 3
MulticastSocket socket = new MulticastSocket(10000);

// 将当前主机添加到其他组播地址中
InetAddress group = InetAddress.getByName("224.0.0.3");
socket.joinGroup(group);

while (true) {
    byte[] buffer = new byte[1024];
    DatagramPacket packet = new DatagramPacket(buffer, buffer.length);

    socket.receive(packet);

    byte[] data = packet.getData();
    int length = packet.getLength();
    InetAddress address = packet.getAddress();
    String content = new String(data, 0, length);
    System.out.println(address.getHostName() + ":" + content);

    if ("exit".equals(content)) break;
}

socket.close();

广播

广播需要指定广播地址和端口，广播地址范围：255.255.255.255。

代码同单播一致，只需要将发送端代码中的 InetAddress.getLocalHost() 替换为 InetAddress.getByName("255.255.255.255")

TCP

TCP 是一种有连接的协议，它建立连接，发送数据，并确保数据安全。

代码示例

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Socket socket = new Socket(InetAddress.getLocalHost().getHostAddress(), 8888);
OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
OutputStreamWriter outputStreamWriter = new OutputStreamWriter(outputStream);
BufferedWriter bufferedWriter = new BufferedWriter(outputStreamWriter);

Scanner scanner = new Scanner(System.in);

while (true) {
    String content = scanner.nextLine();
    bufferedWriter.write(content);
    bufferedWriter.newLine();
    bufferedWriter.flush();
    if ("exit".equals(content)) break;
}

scanner.close();
bufferedWriter.close();
socket.close();

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java
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ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8888);
System.out.println("服务启动，等待客户端连接");
Socket accept = serverSocket.accept();
System.out.println("客户端已连接");
InputStream inputStream = accept.getInputStream();
InputStreamReader inputStreamReader = new InputStreamReader(inputStream);
BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(inputStreamReader);
String content;
while ((content = bufferedReader.readLine()) != null) {
    System.out.println(content);
    if ("exit".equals(content)) break;
}
bufferedReader.close();
accept.close();
serverSocket.close();

三次握手、四次挥手

TCP 三次握手是 TCP 连接的初始阶段，它用于建立连接。

客户端发送一个 SYN 包给服务端，表示要建立连接。
服务端收到 SYN 包后，发送一个 SYN+ACK 包给客户端，表示服务端已收到连接请求，并准备建立连接。
客户端收到 SYN+ACK 包后，发送一个 ACK 包给服务端，表示客户端已收到连接请求，并准备建立连接。

TCP 四次挥手是 TCP 断开的最后阶段，它用于断开连接。

客户端发送一个 FIN 包给服务端，表示要断开连接。
服务端收到 FIN 包后，发送一个 ACK 包给客户端，表示服务端已收到断开连接请求。
客户端收到 ACK 包后，发送一个 ACK 包给服务端，表示客户端已收到断开连接请求。
服务端收到 ACK 包后，发送一个 FIN 包给客户端，表示服务端已收到断开连接请求。

综合练习

多发多收

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java
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// 略

互相发送

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Socket socket = new Socket(InetAddress.getLocalHost().getHostAddress(), 8888);
OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
OutputStreamWriter outputStreamWriter = new OutputStreamWriter(outputStream);
BufferedWriter bufferedWriter = new BufferedWriter(outputStreamWriter);

String content = "Hello";
bufferedWriter.write(content);
bufferedWriter.newLine();
bufferedWriter.flush();

InputStream inputStream = socket.getInputStream();
InputStreamReader inputStreamReader = new InputStreamReader(inputStream);
BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(inputStreamReader);
String reply = bufferedReader.readLine();
System.out.println(reply);

bufferedWriter.close();
socket.close();

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java
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ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8888);
System.out.println("服务启动，等待客户端连接");
Socket accept = serverSocket.accept();
System.out.println("客户端已连接");

InputStream inputStream = accept.getInputStream();
InputStreamReader inputStreamReader = new InputStreamReader(inputStream);
BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(inputStreamReader);
String content = bufferedReader.readLine();
System.out.println(content);

OutputStream outputStream = accept.getOutputStream();
OutputStreamWriter outputStreamWriter = new OutputStreamWriter(outputStream);
BufferedWriter bufferedWriter = new BufferedWriter(outputStreamWriter);
String reply = "Hello!";
bufferedWriter.write(reply);
bufferedWriter.newLine();
bufferedWriter.flush();

bufferedWriter.close();
bufferedReader.close();
accept.close();
serverSocket.close();

文件上传

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Socket socket = new Socket(InetAddress.getLocalHost().getHostAddress(), 8888);

OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(outputStream);

File file = new File(System.getProperty("user.dir") + File.separator + "test.zip");
FileInputStream fis = new FileInputStream(file);
BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(fis);

byte[] buffer = new byte[1024];
int len;
while ((len = bis.read(buffer)) != -1) {
    bos.write(buffer, 0, len);
}
socket.shutdownOutput();

InputStream inputStream = socket.getInputStream();
InputStreamReader inputStreamReader = new InputStreamReader(inputStream);
BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(inputStreamReader);
String reply = bufferedReader.readLine();
System.out.println(reply);

bufferedReader.close();
bis.close();
bos.close();
socket.close();

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ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8888);
System.out.println("服务启动，等待客户端连接");
Socket accept = serverSocket.accept();
System.out.println("客户端已连接");

InputStream inputStream = accept.getInputStream();
BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(inputStream);

File file = new File(System.getProperty("user.dir") + File.separator + "test-copy.zip");
FileOutputStream fos = new FileOutputStream(file);
BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(fos);

byte[] buffer = new byte[1024];
int len;
while ((len = bis.read(buffer)) != -1) {
    bos.write(buffer, 0, len);
}

OutputStream outputStream = accept.getOutputStream();
OutputStreamWriter outputStreamWriter = new OutputStreamWriter(outputStream);
BufferedWriter bufferedWriter = new BufferedWriter(outputStreamWriter);
String reply = "Hello!";
bufferedWriter.write(reply);
bufferedWriter.newLine();
bufferedWriter.flush();

bufferedWriter.close();
bos.close();
bis.close();
accept.close();
serverSocket.close();

文件上传时文件重名

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// 使用 UUID 创建文件名
UUID uuid = UUID.randomUUID();
File file = new File(System.getProperty("user.dir") + File.separator + uuid + ".zip");
FileOutputStream fos = new FileOutputStream(file);
BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(fos);

多线程接收文件

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Socket socket = new Socket(InetAddress.getLocalHost().getHostAddress(), 8888);

OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(outputStream);

File file = new File(System.getProperty("user.dir") + File.separator + "test.zip");
FileInputStream fis = new FileInputStream(file);
BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(fis);

byte[] buffer = new byte[1024];
int len;
while ((len = bis.read(buffer)) != -1) {
    bos.write(buffer, 0, len);
}
socket.shutdownOutput();

InputStream inputStream = socket.getInputStream();
InputStreamReader inputStreamReader = new InputStreamReader(inputStream);
BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(inputStreamReader);
String reply = bufferedReader.readLine();
System.out.println(reply);

socket.close();

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ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8888);
System.out.println("服务启动，等待客户端连接");

while (true) {
    Socket accept = serverSocket.accept();
    System.out.println("客户端已连接");
    new MyThread(accept).start();
}

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public class MyThread extends Thread {

    private Socket socket;

    public MyThread(Socket socket) {
        this.socket = socket;
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            InputStream inputStream = socket.getInputStream();
            BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(inputStream);

            UUID uuid = UUID.randomUUID();
            File file = new File(System.getProperty("user.dir") + File.separator + uuid + ".zip");
            FileOutputStream fos = new FileOutputStream(file);
            BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(fos);

            byte[] buffer = new byte[1024];
            int len;
            while ((len = bis.read(buffer)) != -1) {
                bos.write(buffer, 0, len);
            }

            OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
            OutputStreamWriter outputStreamWriter = new OutputStreamWriter(outputStream);
            BufferedWriter bufferedWriter = new BufferedWriter(outputStreamWriter);
            String reply = "Hello!";
            bufferedWriter.write(reply);
            bufferedWriter.newLine();
            bufferedWriter.flush();

            bufferedWriter.close();
            socket.close();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

线程池优化

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public class MyRunnable implements Runnable {
    ......
}

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ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8888);
System.out.println("服务启动，等待客户端连接");

ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(
        3,
        6,
        60,
        TimeUnit.SECONDS,
        new LinkedBlockingQueue<Runnable>(),
        Executors.defaultThreadFactory(),
        new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy()
);

while (true) {
    Socket accept = serverSocket.accept();
    System.out.println("客户端已连接");
    threadPoolExecutor.execute(new MyRunnable(accept));
}

接收浏览器请求

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// 启动任意 server 代码，在浏览器控制台输入 http://localhost:端口

聊天室

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复制代码
// 略