JavaSE重点——网络编程

本文章是本人根据视频和网上资料整理所写笔记，可能有不通顺或遗漏的地方，请尽量参考学习来源处的链接去进行学习。

1、学习来源

JavaSE 网络编程 https://www.jianshu.com/p/4418b4005716

菜鸟教程 https://www.runoob.com/java/java-networking.html

2、网络编程的两个重要问题

  1. 如何准确定位网络上一台或多台主机
  2. 找到主机之后如何进行通信

3、网络通信的要素

  1. IP和端口号
  2. 网络通信协议：UDP、TCP

4、IP

唯一定位一台网络上计算机（网络中设备的标识）

127.0.0.1：本机localhost

ip地址分类：
（1）ipv4：4个字节
（2）ipv6：128位，8个无符号整数
（3）公网（互联网）
（4）私网（局域网）

域名：记忆ip

5、端口port

  • 用于标识进程的逻辑地址，不同的进程有不同的端口号，区分软件
  • 划分0~65535
  • TCP、UDP：单个协议下，端口号不能冲突，(不同协议端口号相同不冲突）
端口分类(0~65535)
公有端口：0~1023 HTTP : 80、HTTPS : 443、FTP：21
软件注册端口：1024~49151，分配用户或者程序 Tomcat ：8080、MySQL：3306、Oracle：1521
动态、私有：49152~65535 
 netstat -ano #查看所有的端口
 netstat -ano | findstr "8080" # 查看指定的端口

6、通信协议

TCP UDP
用户传输协议 用户数据报协议
建立连接，形成传输数据的通道 将数据及源和目的封装成数据包中，不需要建立连接
在连接中进行大数据量传输 每个数据报的大小在限制在64k内
连接、稳定，可靠协议 不连接、不稳定，不可靠协议
三次握手，四次挥手
客户端，服务端 客户端，服务端：没有明确的界限
传输完成，释放连接，效率低 不管有没有准备好，都可以发送

7、Socket

  • Socket就是为网络服务提供的一种机制。
  • 通信的两端都有Socket。
  • 网络通信其实就是Socket间的通信。
  • 数据在两个Socket间通过IO传输。

8、UDP

不用连接，只需知道对方的地址，可以相互发送接收

8.1 UDP传输流程

  • DatagramSocket与DatagramPacket
  • 建立发送端，接收端。

注意： 发送端与接收端是两个独立的运行程序。

  • 建立数据包。

  • 调用Socket的发送接收方法。

  • 关闭Socket。

重要类 常用方法
DatagramSocket send方法发送包、带参数的构造器开放一个端口port、receive阻塞接收、close方法关闭流
DatagramPacket 构造器方法（数据包，包含数据、起始位置、发送地址）：包装文件

8.2 发送端

  • 在发送端，要在数据包对象中明确目的地 IP 及 端口。
DatagramSocket ds = new DatagramSocket();
byte[] by = "hello,udp".getBytes();
DatagramPacket dp = new DatagramPacket(by,0,by.length,InetAddress.getByName("127.0.0.1"),10000);
ds.send(dp);
ds.close();

8.3 接收端

  • 在接收端，要指定监听的端口。
DatagramSocket ds = new DatagramSocket(10000);
byte[] by = new byte[1024];
DatagramPacket dp = new DatagramPacket(by,by.length);
ds.receive(dp);
String str = new String(dp.getData(),0,dp.getLength());
System.out.println(str+"--"+dp.getAddress());
ds.close();

8.4 实现UDP聊天程序的两个步骤

  1. 通过键盘录入获取要发送的信息。
  2. 将发送和接收分别封装到两个线程中。

9、TCP

9.1 TCP传输流程

  • Socket和ServerSocket
  • 建立客户端和服务器端
  • 建立连接后，通过Socket中的IO流进行数据的传输
  • 关闭socket
  • 同样，客户端与服务器端是两个独立的应用程序。

9.2 基本思路（客户端）

  1. 客户端需要明确服务器的ip地址以及端口，这样才可以去试着建立连接，如果连接失败，会出现异常。
  2. 连接成功，说明客户端与服务端建立了通道，那么通过IO流就可以进行数据的输，而Socket对象已经提供了输入流和输出流对象，通过getInputStream(),getOutputStream()获取即可。
  3. 与服务端通讯结束后，关闭Socket。

  • 通过Socket建立对象并指定要连接的服务端主机以及端口。

    Socket s = new Socket("127.0.0.1",9999);
OutputStream out = s.getOutputStream();
out.write("hello".getBytes());
s.close();

9.3 基本思路（服务端）

  1. 服务端需要明确它要处理的数据是从哪个端口进入的。
  2. 当有客户端访问时，要明确是哪个客户端，可通过accept()获取已连接的客户端对象，并通过该对象与客户端通过IO流进行数据传输。
  3. 当该客户端访问结束，关闭该客户端。
  • 建立服务端需要监听一个端口
ServerSocket ss = new ServerSocket(9999);
Socket s = ss.accept ();
InputStream in = s.getInputStream();
byte[] buf = new byte[1024];
int num = in.read(buf);
String str = new String(buf,0,num);
System.out.println(s.getInetAddress().toString()+":"+str);
s.close();
ss.close();

10、Tcp传输最容易出现的问题

  1. 客户端连接上服务端，两端都在等待，没有任何数据传输。
  2. 通过例程分析：
    • 因为read方法或者readLine方法是阻塞式。
  3. 解决办法：
    • 自定义结束标记
    • 使用shutdownInput，shutdownOutput方法。

11、TCP实现聊天

11.1 客户端

  1. 连接服务器 Socket
  2. 发送消息
  • 核心代码
//1. 要知道服务器的地址、端口号
InetAddress serverIP = InetAddress.getByName("127.0.0.1");
int port = 9999;
//2. 创建一个socket连接
Socket socket = new Socket(serverIP,port);
//3. 发送消息  IO流
OutputStream os = socket.getOutputStream();
os.write("Hello world".getBytes());

11.2 服务器

  1. 建立服务的端口 ServerSocket
  2. 等待用户的链接 accept
  3. 接收用户消息
  • 核心代码
//1.  建立地址
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(9999);
while(true) {
    //2. 等待用户端连接
    Socket socket = serverSocket.accept();//阻塞式监听，一直等待客户端连接
    //3.  读取客户端的消息
    InputStream is = socket.getInputStream();
    
    //管道流
    ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
    byte[] buffer = new byte[1024];
    int len;
    while( (len = is.read(buffer) )!= -1) {
        baos.write(buffer,0,len);
    }
    System.out.println(baos.toString());
}

12、练习

  1. 建立一个群聊服务端。
  2. 客户端向服务端上传一个图片。
  3. 客户端向服务端发送用户名请求登陆，服务端通过验证，返回“欢迎光临”，未通过“用户不存在”。

13、关于BIO、NIO和AIO

13.1 同步和异步：

同步和异步是针对应用程序和内核的交互而言的，同步指的是用户进程触发IO 操作并等待或者轮询的去查看IO 操作是否就绪，而异步是指用户进程触发IO 操作以后便开始做自己的事情，而当IO 操作已经完成的时候会得到IO 完成的通知。

以银行取款为例：

同步 ： 自己亲自出马持银行卡到银行取钱（使用同步 IO 时，Java 自己处理IO 读写）；

异步 ： 委托一小弟拿银行卡到银行取钱，然后给你（使用异步IO 时，Java 将 IO 读写委托给OS 处理，需要将数据缓冲区地址和大小传给OS(银行卡和密码)，OS 需要支持异步IO操作API）；

阻塞和非阻塞：阻塞和非阻塞是针对于进程在访问数据的时候，根据IO操作的就绪状态来采取的不同方式，说白了是一种读取或者写入操作方法的实现方式，阻塞方式下读取或者写入函数将一直等待，而非阻塞方式下，读取或者写入方法会立即返回一个状态值。

以银行取款为例：

阻塞 ： ATM排队取款，你只能等待（使用阻塞IO时，Java调用会一直阻塞到读写完成才返回）；

非阻塞 ： 柜台取款，取个号，然后坐在椅子上做其它事，等号广播会通知你办理，没到号你就不能去，你可以不断问大堂经理排到了没有，大堂经理如果说还没到你就不能去（使用非阻塞IO时，如果不能读写Java调用会马上返回，当IO事件分发器通知可读写时再继续进行读写，不断循环直到读写完成）

13.2 BIO 编程

Blocking IO： 同步阻塞的编程方式。

BIO编程方式通常是在JDK1.4版本之前常用的编程方式。编程实现过程为：首先在服务端启动一个ServerSocket来监听网络请求，客户端启动Socket发起网络请求，默认情况下ServerSocket回建立一个线程来处理此请求，如果服务端没有线程可用，客户端则会阻塞等待或遭到拒绝。

且建立好的连接，在通讯过程中，是同步的。在并发处理效率上比较低。大致结构如下：

同步并阻塞，服务器实现模式为一个连接一个线程，即客户端有连接请求时服务器端就需要启动一个线程进行处理，如果这个连接不做任何事情会造成不必要的线程开销，当然可以通过线程池机制改善。

BIO方式适用于连接数目比较小且固定的架构，这种方式对服务器资源要求比较高，并发局限于应用中，JDK1.4以前的唯一选择，但程序直观简单易理解。

使用线程池机制改善后的BIO模型图如下:

13.3 NIO 编程：Unblocking IO（New IO）： 同步非阻塞的编程方式。

NIO本身是基于事件驱动思想来完成的，其主要想解决的是BIO的大并发问题，NIO基于Reactor，当socket有流可读或可写入socket时，操作系统会相应的通知引用程序进行处理，应用再将流读取到缓冲区或写入操作系统。也就是说，这个时候，已经不是一个连接就要对应一个处理线程了，而是有效的请求，对应一个线程，当连接没有数据时，是没有工作线程来处理的。

NIO的最重要的地方是当一个连接创建后，不需要对应一个线程，这个连接会被注册到多路复用器上面，所以所有的连接只需要一个线程就可以搞定，当这个线程中的多路复用器进行轮询的时候，发现连接上有请求的话，才开启一个线程进行处理，也就是一个请求一个线程模式。

在NIO的处理方式中，当一个请求来的话，开启线程进行处理，可能会等待后端应用的资源(JDBC连接等)，其实这个线程就被阻塞了，当并发上来的话，还是会有BIO一样的问题

13.4 AIO编程：Asynchronous IO： 异步非阻塞的编程方式。

与NIO不同，当进行读写操作时，只须直接调用API的read或write方法即可。这两种方法均为异步的，对于读操作而言，当有流可读取时，操作系统会将可读的流传入read方法的缓冲区，并通知应用程序；对于写操作而言，当操作系统将write方法传递的流写入完毕时，操作系统主动通知应用程序。即可以理解为，read/write方法都是异步的，完成后会主动调用回调函数。在JDK1.7中，这部分内容被称作NIO.2，主要在java.nio.channels包下增加了下面四个异步通道：AsynchronousSocketChannel、AsynchronousServerSocketChannel、AsynchronousFileChannel、AsynchronousDatagramChannel

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