1. Socket套接字
1.1 概念
Socket 套接字，是由系统提供用于网络通信的技术，是基于TCP / IP协议的网络通信的基本操作单元。基于 Socket 套接字的网络程序开发就是网络编程。
1.2 分类
Socket套接字主要针对传输层协议划分为如下三类：
- 对于字节流来说，可以简单的理解为，传输数据是基于IO流，流式数据的特征就是在IO流没有关闭的情况下，是无边界的数据，可以多次发送，也可以分开多次接收。
- 对于数据报来说，可以简单的理解为，传输数据是一块一块的，发送一块数据假如100个字节，必须一次发送，接收也必须一次接收100个字节，而不能分100次，每次接收1个字节。
流套接字和数据报套接字的特点
| 流套接字 | 数据报套接字 |
|---|---|
| 使⽤传输层TCP协议 | 使用传输层UDP协议 |
| 有连接 | 无连接 |
| 可靠传输 | 不可靠传输 |
| 面向字节流 | 面向数据报 |
| 有接收缓冲区，也有发送缓冲区 | 有接收缓冲区，无发送缓冲区 |
| 大小不限 | 大小受限：一次最多传输64k |
1.3 套接字通信模型
1.3.1 Java数据报套接字通信模型
- 对于 UDP 协议来说，具有无连接，面向数据报的特征，即每次都是没有建立连接，并且一次发送全部数据报，一次接收全部的数据报。
- Java中使用 UDP 协议通信，主要基于 DatagramSocket 类来创建数据报套接字，并使用DatagramPacket 作为发送或接收的 UDP 数据报。
对于一次发送及接收UDP数据报的流程如下
以上只是一次发送端的UDP数据报发送，及接收端的数据报接收，并没有返回的数据。也就是只有请求，没有响应。
对于一个服务端来说，重要的是提供多个客户端的请求处理及响应，流程如下
1.3.2 Java流套接字通信模型
1.4 Socket编程注意事项
- 客户端和服务端:开发时，经常是基于一个主机开启两个进程作为客户端和服务端，但真实的场景，一般都是不同主机；
- 注意目的IP和目的端口号，标识了一次数据传输时要发送数据的终点主机和进程；
- Socket编程我们是使用流套接字和数据报套接字，基于传输层的TCP或UDP协议，但应用层协议，也需要考虑，这块我们在后续来说明如何设计应用层协议。
- 关于端口被占用的问题
- 如果一个进程A已经绑定了一个端口，再启动一个进程B绑定该端口，就会报错，这种情况也叫端被占用。对于java进程来说，端口被占用的常见报错信息如下:
此时需要检查进程B绑定的是哪个端口，再查看该端口被哪个进程占用。以下为通过端口号查进程的方式：
- 在cmd输入netstat -ano | findstr 端口号，则可以显示对应进程的pid。如以下命令显示了8888进程的pid
- 在任务管理器中，通过pid查找进程
解决端口被占用的问题:
- 如果占用端口的进程A不需要运行，就可以关闭A后，再启动需要绑定该端口的进程B；
- 如果需要运行A进程，则可以修改进程B的绑定端口，换为其他没有使用的端口。
2. UDP数据报套接字编程
2.1 API 介绍
2.1.1 DatagramSocket
概念
计算机中的文件，通常是一个广义的概念，文件IO特指的是硬盘上的文件，是狭义的文件，除此之外，文件还可以代指一些硬件设备；
Socket 在计算机编程中，也可以认为是一种特殊的文件，打开 Socket 文件，也会在文件描述表中分配一个表项，来表示这个文件；
这样的文件特指网卡这样的硬件设备；
对于网卡这样的硬件设备，在操作系统中就被抽象成 Socket 文件；这样的设定，主要是为了方便操作网卡；
直接操作网卡，需要往网卡的寄存器上写一些特定的数据，不好操作；操作系统管理一些硬件设备，是抽象成文件统一管理的；把操作网卡，转化成操作Socket文件，此时 Socket 文件，就相当于网卡的 “遥控器" ；
所以 DategramSocket ，就是一个用来表示网卡的文件，通过 DategramSocket 来操作网卡，只是加了一个 Dategram 前缀，意思就是基于UDP协议进行网络通信
DatagramSocket 是UDP Socket，用于发送和接收UDP数据报。
构造方法
| 方法签名 | 方法说明 |
|---|---|
| DatagramSocket() | 创建一个UDP数据报套接字的Socket，绑定到本机任意一个随机端口(一般用于客户端) |
| DatagramSocket(int port) | 创建一个UDP数据报套接字的Socket，绑定到本机指定的端口(一般用于服务端) |
方法
| 方法签名 | 方法说明 |
|---|---|
| void receive(DatagramPacket p) | 读操作，从此套接字接收数据报 (如果没有接收到数据报，该方法会阻塞等待) |
| void send(DatagramPacket p) | 写操作，从此套接字发送数据报包 (不会阻塞等待，直接发送) |
| void close() | 关闭此数据报套接字 |
DatagramSocket 类的 receive() ＆ sand() 的参数类型，都是 DatagramPacket ；
一个UDP数据包，就通过 DatagramPacket 对象来进行体现的，在进行receive() 或者 send()，都是按照 DatagramPacket 这样的数据包为定位进行接收的；
2.1.2 DatagramPacket
定义
DatagramPacket 是UDP Socket发送和接收的数据报。
构造方法
UDP 数据包的载荷数据，可以通过构造方法来指定
| 方法签名 | 方法说明 |
|---|---|
| DatagramPacket(byte[] buf, int length) |
|
| DatagramPacket (byte[] buf, int offset,int length, SocketAddress address) |
|
| DatagramPacket (byte[] buf, int offset,int length, InetAddress address, int port) |
|
方法
| 方法签名 | 方法说明 |
|---|---|
| InetAddress getAddress() | 从接收的数据报中，获取发送端主机IP地址;或从发送的数据报中，获取接收端主机IP地址 |
| int getPort() | 从接收的数据报中，获取发送端主机的端口号;或从发送的数据报中，获取接收端主机端口号 |
| byte[] getData() | 获取数据报中的数据 |
构造UDP发送的数据报时，需要传入SocketAddress，该对象可以使用InetSocketAddress 来创建;
2.1.3 InetSocketAddress ( SocketAddress的子类 )
构造方法
| 方法签名 | 方法说明 |
|---|---|
| InetSocketAddress(lnetAddress addr,int port) | 创建一个Socket地址，包含IP地址和端口号 |
2.2 实现回显服务器
2.2.1 实现原理
- 客户端给服务器发一个数据的操作，称为请求；
- 服务器返回一个数据的操作，称为响应；
- 一个真实的服务器，请求和响应一般是不一样的，但是为了展示上述 API 的用法，就先不去管服务器中其他复杂的逻辑，写一个最简单的回显服务器（请求是什么，响应就是什么）；
2.2.2 代码实现
UDP Echo Server
(1) 构造一个 socket 对象代表网卡文件
- 输出 socket 文件内容，等于从网卡中读取数据；
- 输入 socket 文件内容，等于向网卡内发送数据；
(2) 实现启动服务器的 start()
对于服务器来说,客户端啥时候发请求,发多少个请求,我们无法预测；
因此服务器中通常都需要有一个死循环，持续不断的尝试读取客户端的请求数据~~
在主循环中,需要实现的逻辑：
- 读取请求并解析；
- 根据请求，计算响应。(服务器最关键的逻辑)，但是此处写的是回显服务器。这个环节相当于省略了；
- 把响应返回给客户端；
循环每执行一次，就相当于处理了一次请求，处理请求的过程，典型的服务器也是上面这三个步骤
(3) 读取请求
- 服务器调用 receive() 对客户端发送的请求进行读取，等 receive() 方法执行完毕，参数里面对象的数据就是读取的结果：
创建一个 DatagramPacket 对象，用于接收请求
- 创建 DatagramSocket 对象的时候，需要指定一个字节数组，并且传入接收的指定长度：
- DatagramPacket 表示个UDP数据报。此处传入的字节数组，就保存 UDP的载荷部分；
读取网卡中的数据包
- 把 DatagramPacket 对象（对象为全0）传给 receive();
- receive() 就会在方法内部把从响应数据报中读到的数据，填充到 requestPacket 这个引用指向的对象中；
- receive() 执行完毕，参数里面的对象数据，就是需要从网卡中读取的数据（请求）
- 这个过程就相当于我们在食堂打饭，把空的盘子（requestPacket ）交给打饭阿姨（ receive() ），阿姨会把打好饭（读到的数据）的盘子还给我们；
(4) 解析请求
- 当前 UDP 载荷，是 DatagramSocket 对象的字节数组，存放着读取到的数据；
- 这些读取到的数据是二进制数据，为了方便后续处理，我们把读取到的二进制数据转换成字符串形式；
- 通过字节数组构造一个 String 对象，是构造 String 对象的一个典型做法；
- 上述操作，表示拿到了一个数据报中的字节数组，把整个字节数组传给String对象，并且指定字节数组有效部分的范围，调用相应的构造方法，构成一个字符串；
(5) 根据请求计算响应
- 这是服务器最关键的逻辑，但是此处写的是回显服务器，这个环节就相当于省略了；
- 根据解析数据报，得到的请求 request，计算出响应 response 的操作，封装成一个方法，可以起到解耦合的作用；
- 后续要写别的服务器，只需要修改 process() 的内容即可 ；
(6) 把计算好的响应返回给客户端
- 如何根据响应 response 构造 DatagramSocket 对象呢?
- 首先，需要拿出对响应数据报进行解析操作时，创建的字符串 request 里面的字节数组：
- 要传入字节数组的长度，而不是使用字符串的长度，因为字符串的单位是字符，而我们要使用字节的个数，来作为当前 responsePacket 数据包的参数
(6) 指定目的IP＆目的端口
- 发送的响应数据报 responsePacket 是没有明确标注有发送的目的IP＆目的端口的，要想正确地返回响应，就必须给响应数据报显式地标注目的IP ＆ 目的端口；
- 对于服务器返回响应的目的IP＆目的端口，就是接到客户端请求的源IP＆源端口：
- 所以，通过调用 DatagramSocket 类中的 getSocketAddress()，该方法返回一个 InerSocketAddress 对象；
- 这个对象包含了目标IP＆目标端口号（都在报头中，而不是不是在载荷中）
- 将这个对象作为参数，传给DatagramPacket对象，调用对应的构造方法；
- 所以，将 getScketAddress() 方法返回的对象，作为参数来调用对应的构造方法，实例出的 responsePacket，就会显式地标注响应数据报的目标IP＆目标端口：
(7) 发送响应给客户端
- 服务器需要调用 send() 方法，把创建好的响应数据报作为响应，返回给客户端：
- send() 的构造方法
- 所以，我们把刚刚构建好的响应数据报返回给客户端：
(8) 打印日志来记录客户端/服务器交互的过程
(9) 判断当前 socket 对象（文件）是否需要关闭
- 文件是否需要关闭，考虑的是这个文件对象的生命周期是怎样的，此处的 socket 对象会自始至终伴随整个UDP服务器；
- 只要服务器运行，就随时可能会从客户端中读数据，如果提前关闭 socket对象，那么UDP服务器继续运行也没有意义，所以socket对象，不能在服务器运行的过程中关闭；
- 服务器关闭(进程结束)，也不需要手动调用close()，因为进程结束时就会自动释放 PCB 的文件描述符表中的所有资源，
- 所以当前socket文件不手动调用 close()，也是完全没问题的，因为socket的生命周期本来就需要跟随整个进程的；
- 如果是有请求级别的文件对象，给一个请求，创建一个对象，就需要确保处理完毕之前，关闭对象。
- 所以需要结合实际情况来确认一个对象的生命周期，通过生命周期，来决定对象是否应该关闭；
(10) 补充
- DatagramPacket这个类说是一个UDP数据报，其实也包含了一些源信息；
- 这个类有接收IP＆端口号的属性，在通过 receive() 填充好DatagramPacket对象后，可以直接从对象中取出 UDP 数据包的来源(源IP和源端口)
- 所以在将DatagramPacket这个UDP数据包，作为 receive() 方法的输入型参数时，不只是把UDP中的数据读进去了，还把IP＆端口号等信息也读进去了；
- 拿到请求数据包的源IP和源端口，就可以作为参数传给DatagramPacket对象，调用相应的构造方法；
- UDP协议虽然没有保存发送请求数据包的地址信息，但是通过调用的构造方法，根据获取到的源IP和源端口，可以显式地指定响应数据包要发送的目的IP和目的端口 ；
UDP Echo Client
在客户端构造方法中传入的参数，就不能只有一个端口号了，要指定的是，当前客户端要连哪一个服务器，所以构造方法传要访问的服务器IP和端口号
UDP.本身不保存对端的信息，所以我们在代码中保存一下
对比服务器调用DatagramSocket的构造方法，服务器调用的是不传端口号的构造方法：
因为客户端访问服务器，访问的目的 IP＆目的端口，都是都是服务器的源IP＆源端口；
服务器返回响应给客户端，目的IP 是客户端所在的主机 IP；目的端口，则随机使用一个操作系统分配的空闲端口；
为什么客户端不推荐使用固定端口，而服务器推荐呢?
以餐饮店的老板和顾客交互的情景为例子：
对于老板（Server）
- 老板在选好一个地方后，就需要派发传单来宣传店铺，传单上有着餐饮店详细的地址（服务器源IP和源端口号）和菜谱（响应）；
- 对于这个餐饮店的地址（服务器IP＆端口号），是必须要指定一个地方的（调用指定端口号的 DatagramSocket 的构造方法）；
- 如果餐厅地址不固定，就会影响顾客正常来店铺吃饭（客户端对服务器发出请求）；
对于顾客（Client）
- 当顾客光顾餐饮店的时候（客户端对服务器发出请求），会对老板点菜（服务器对客户端发送的请求作出响应）；
- 点菜后，需要找一个位置（服务器作出响应的目标IP＆端口号）坐下，等待老板做菜（解析请求，计算响应）；
- 顾客在等待的过程中，会找一个空闲的位置坐下，这个位置是随机的，而不是指定的；（调用不指定端口号的构造方法，服务器返回响应时，随机使用一个操作系统分配的空闲端口；）
- 如果顾客要指定一个位置等待，就可能需要等待这个位置的另一位顾客用餐（不同应用程序竞争同一个端口号）
总结：
- 为了能更好地接收客户端请求，需要指定服务器的IP和端口号；
- 对于服务器，端口号是区分同一个主机不同的应用程序的同一时刻，不能有两个程序使用同一个端口（操作系统中,一个程序尝试关联一个非空闲的端口,就会关联失败）
实现 start() 方法
从控制台读取用户输入的内容
把请求发送给服务器，需要构造DatagramPacket对象，构造过程中，不光要构造载荷，还要设置服务器的IP和端口号
需要把serverIp转换一下，通过InetAddress类提供的静态方法getByName，通过这样的方法，把字符串中的serverIp，转换成InetAddress对象
发送数据报请求给服务器
接收服务器响应
从服务器读取的数据（ respose 中的二进制内容）进行读取解析，将读取到的数据转换成一个字符串，并且打印出来该字符串；
嵌套循环并设置循环结束条件
Server ＆ client 的交互过程
补充
- 127.0.0.1 是一个特殊的IP，是一个环回IP，表示当前主机；无论主机的 IP真实是什么，都可以使用127.0.0.1代替（类似于this）；
- 由于此时，客户端和服务器在同一个主机上，就可以使用127.0.0.1来访问，如果是不同主机就需要填写其他的IP了.
同时启动这两个程序的执行结果：
UDP Dict Server
编写⼀个英译汉的服务器，只需要继承 UdpEchoServer ，重写 process() 即可；
字典服务器和客户端交互过程
同时启动进程，查看程序执行结果
这个报错说明当前端口被占用了，换一个端口即可；
2.2.3 完整代码
UDP Echo Server
package network;import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.SocketException;public class UdpEchoServer {private DatagramSocket socket ;public UdpEchoServer(int port) throws SocketException {socket = new DatagramSocket(port);}public void start() throws IOException {System.out.println("启动服务器");while (true){DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(new byte[4096],4096);socket.receive(requestPacket);String request = new String(requestPacket.getData(),0,requestPacket.getLength());String response = process(request);DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(response.getBytes(),response.getBytes().length, requestPacket.getSocketAddress() ) ;socket.send(responsePacket);System.out.printf("[%s:%d] rep: %s, resp: %s \n",requestPacket.getAddress().toString(), requestPacket.getPort(),request,response);}}public String process(String request) {return request;}public static void main(String[] args) throws IOException {UdpEchoServer server = new UdpEchoServer(9092);server.start();}
}UDP Echo Client
package network;import java.io.IOException;
import java.net.*;
import java.util.Scanner;public class UdpEchoClient {private DatagramSocket socket = null;private String serverIp;private int serverPort;public UdpEchoClient(String serverIp, int serverPort) throws SocketException {this.serverIp = serverIp;this.serverPort = serverPort;socket = new DatagramSocket();}public void start() throws IOException {Scanner scanner = new Scanner(System.in);while (true){System.out.println("请输入要发送的内容");if(!scanner.hasNext()){break;}String request = scanner.nextLine();DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(request.getBytes(),request.getBytes().length,InetAddress.getByName(serverIp) , serverPort);socket.send(requestPacket);DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(new byte[4096],4096);socket.receive(responsePacket);String response = new String(responsePacket.getData(),0,responsePacket.getLength());System.out.println(response);}}public static void main(String[] args) throws IOException {UdpEchoClient client = new UdpEchoClient("127.0.0.1", 9092);client.start();}
}
UDP Dict Server
package network;import java.io.IOException;
import java.net.SocketException;
import java.util.HashMap;public class UdpDictServer extends UdpEchoServer{private HashMap<String,String> dict = new HashMap<>();public UdpDictServer(int port) throws SocketException {super(port);//初始化词典dict.put("小狗","dog");dict.put("小猫","cat");dict.put("小鸭","rabbit");dict.put("小雷","handsome guy");}@Overridepublic String process(String request){//查字典return dict.getOrDefault(request,"未找到该词条");}public static void main(String[] args) throws IOException {UdpDictServer server = new UdpDictServer(9092);server.start();}
}
