Java Socket 入门

1. Socket 简介

socket，即套接字，是一种介于应用和传输层之间的抽象层，可实现同网络内不同应用之间相互发送和接收数据。

对于 socket，有以下三个关键问题：

1.1 关键问题一：如何定位到目标应用

在发送和接收数据时，关键在于如何定位到应用，而定位到应用首先需要定位到主机。在同一子网内，每台主机的 IP 地址是唯一的，故可以借助 IP 地址定位主机，而在每一台主机上，不同的程序往往监听在不同的端口号上，因此，可以利用端口号来定位应用。
因此，一个 socket 由一个 url 地址和一个 port 端口号唯一确定。

1.2 关键问题二：与 TCP/IP 关系

socket 与 TCP/IP 协议簇无关，其本质是编程接口，用于向应用提供数据传输服务的接口。Java 中的 socket 主要是基于 TCP/IP 的封装，在使用过程中，
应用可借助socket接口，建立基于TCP或UDP的数据传输机制，从而实现同网络跨应用之间的数据传输功能，从而将应用与传输层的具体协议分离开来，使得上层应用无需关注过多细节，只专注数据传输即可。

1.3 关键问题三：socket 工作过程

根据传输类型选择 socket 接口进行调用，以 TCP/IP 协议簇为例，主要包括两种socket，即针对 TCP 的流 socket 和针对 UDP 的数据报 socket。
根据目的应用主机、所在端口号等信息实现寻址过程。
链接建立与数据传输。
关闭链接。

看到一张比较详细的socket过程，图片转自 link.

2. TCP Echo Request 样例

2.1 Server 端

运行参数设置：

服务端代码：

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.net.SocketAddress;

public class TCPEchoServer { 
   
    private static final int BUFSIZE = 32;

    public static void main(String[] args) throws IOException { 
   
        // 参数校验，传入参数 端口号
        if (args.length != 1) { 
   
            throw new IllegalArgumentException("Parameter(s): <Port>");
        }

        int servPort = Integer.parseInt(args[0]);

        // 创建 ServerSocket 实例，并监听给定端口号 servPort
        ServerSocket servSock = new ServerSocket(servPort);
        int recvMsgSize;
        byte[] receiveBuf = new byte[BUFSIZE];

        while (true) { 
   
            // 用于获取下一个客户端连接，根据连接创建 Socket 实例
            Socket clntSock = servSock.accept();
            // 获取客户端地址和端口号
            SocketAddress clientAddress = clntSock.getRemoteSocketAddress();
            System.out.println("Handling client at " + clientAddress);

            // 获取 socket 的输入输出流
            InputStream in = clntSock.getInputStream();
            OutputStream out = clntSock.getOutputStream();

            // 每次从输入流中读取数据并写到输出流中，直至输入流为空
            while ((recvMsgSize = in.read(receiveBuf)) != -1) { 
   
                out.write(receiveBuf, 0, recvMsgSize);
            }

            // 关闭 Socket
            clntSock.close();
        }
    }
}

必要说明：

Socket 中的输入输出流是流抽象，可看做一个字符序列，输入流支持读取字节，输出流支持取出字节。每个 Socket 实例都维护了一个 InputStream 和一个 OutputStream 实例，数据传输也主要依靠从流中获取数据并解析的过程。
ServerSocket 与 Socket 区别，ServerSocket 主要用于服务端，用于为新的 TCP 连接请求提供一个新的已连接的 Socket 实例。Socket 则用于服务端和客户端，用于表示 TCP 连接的一端。因此，服务端需要同时处理 ServerSocket 和 Socket 实例，而客户端只需要处理 Socket 实例即可。

2.2 Client 端

运行参数设置：

客户端代码：

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.net.Socket;
import java.net.SocketException;

public class TCPEchoClient { 
   
    public static void main(String[] args) throws IOException { 
   
        // 参数校验，传入格式 url "info" 或 url "info" 10240
        if ((args.length < 2) || (args.length > 3)) { 
   
            throw new IllegalArgumentException("Parameter(s): <server><word> [<Port>]");
        }

        // 获取目标应用 url
        String server = args[0];
        // 将传送数据转化为字节数组
        byte[] data = args[1].getBytes();
        // 解析端口号，若无则设为 10240
        int servPort = (args.length == 3) ? Integer.parseInt(args[2]) : 10240;

        // 根据参数创建 Socket 实例
        Socket socket = new Socket(server, servPort);

        System.out.println("Connected to server... sending echo string");

        // 获取 socket 的输入输出流
        InputStream in = socket.getInputStream();
        OutputStream out = socket.getOutputStream();

        // 将数据写入到 Socket 的输出流中，并发送数据
        out.write(data);

        int totalBytesRcvd = 0;
        int bytesRcvd;

        // 接收返回信息
        while (totalBytesRcvd < data.length) { 
   
            if ((bytesRcvd = in.read(data, totalBytesRcvd, data.length - totalBytesRcvd)) == -1) { 
   
                throw new SocketException("Connection closed permaturely");
            }
            totalBytesRcvd += bytesRcvd;
        }

        System.out.println("Received: " + new String(data));

        // 关闭 Socket
        socket.close();
    }
}

必要说明：
发送数据时只通过 write() 方法，接收时为何需要多个 read() 方法?
TCP 协议无法确定在 read() 和 write() 方法中所发送信息的界限，而且发送过程中可能存在乱序现象，即分割成多个部分，所以无法通过一次 read() 获取到全部数据信息。

3. UDP Echo Request 实例

3.1 Server 端

运行参数设置：

服务端代码：

import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.SocketException;

public class UDPEchoServer { 
   
    private static final int ECHOMAX = 255;

    public static void main(String[] args) throws IOException { 
   
        // 参数校验，格式 port
        if (args.length != 1) { 
   
            throw new IllegalArgumentException("Parameter(s): <Port>");
        }

        // 获取端口号
        int servPort = Integer.parseInt(args[0]);
        // 创建数据报文 Socket
        DatagramSocket socket = new DatagramSocket(servPort);
        // 创建数据报文
        DatagramPacket packet = new DatagramPacket(new byte[ECHOMAX], ECHOMAX);

        while (true) { 
   
            // 接收请求报文
            socket.receive(packet);
            System.out.println("Handling client at " + packet.getAddress().getHostAddress() +
                    " on port " + packet.getPort());

            // 发送数据报文
            socket.send(packet);
            // 重置缓存区大小
            packet.setLength(ECHOMAX);
        }
    }
}

必要说明：

UDP服务端与 TCP 服务端不同，TCP 对于每一个客户端请求都需要先建立连接，而 UDP 则不需要。因此，UDP 只需创建一个 Socket 等待客户端连接即可。
典型的 UDP 服务器的常见步骤：
1. 创建一个 DatagramSocket 实例，指定本地端口号和地址，准备接收报文。
2. 利用 DatagramSocket 的 receive() 方法接收 DatagramPacket 实例，然后根据接收到的信息，获取客户端地址和端口号。
3. 使用 DatagramSocket 的 send() 和 receive() 方法来发送和接收 DatagramPackets 实例进行通信。
在该 UDP 服务器的实现中，只接收和发送数据报文中的前 ECHOMAX 个字符，超出部分直接丢弃。
在处理过接收到的消息后，数据包的内部长度会设置为刚处理过的消息长度，通常比初始长度要短，因此需重置缓冲区为初始长度。否则后续可能会使得缓冲区长度不断减小，使得数据包被截断。

3.2 Client 端

运行参数设置：

客户端代码：

import java.io.IOException;
import java.io.InterruptedIOException;
import java.net.*;

public class UDPEchoClient { 
   
    private static final int TIMEOUT = 3000;
    private static final int MAXTRIES = 5;

    public static void main(String[] args) throws IOException { 
   
        // 参数解析，格式 url "info" 或 url "info" 10240
        if ((args.length < 2) || (args.length > 3)) { 
   
            throw new IllegalArgumentException("Parameter(s): <Server> <Word> [<Port>]");
        }

        // 创建目标 Server IP 地址对象
        InetAddress serverAddress = InetAddress.getByName(args[0]);

        // 将需传输字符转换为字节数组
        byte[] byteToSend = args[1].getBytes();
        // 获取服务端端口号，默认 10241
        int servPort = (args.length == 3) ? Integer.parseInt(args[2]) : 10241;

        // 创建 UDP 套接字，选择本地可用的地址和可用端口号
        DatagramSocket socket = new DatagramSocket();

        // 设置超时时间，用于控制 receive() 方法调用的实际最短阻塞时间
        socket.setSoTimeout(TIMEOUT);

        // 创建发送数据报文
        DatagramPacket sendPacket = new DatagramPacket(byteToSend, byteToSend.length, serverAddress, servPort);

        // 创建接收数据报文
        DatagramPacket receivePacket = new DatagramPacket(new byte[byteToSend.length], byteToSend.length);

        // 设置最大重试次数，以减少数据丢失产生的影响
        int tries = 0;
        // 是否收到响应
        boolean receivedResponse = false;
        do { 
   
            // 将数据报文传输到指定服务器和端口
            socket.send(sendPacket);
            try { 
   
                // 阻塞等待，直到收到一个数据报文或等待超时，超时会抛出异常
                socket.receive(receivePacket);
                // 校验服务端返回报文的地址和端口号
                if (!receivePacket.getAddress().equals(serverAddress)) { 
   
                    throw new IOException("Received packet from an unknown source");
                }
                receivedResponse = true;
            } catch (InterruptedIOException e) { 
   
                tries += 1;
                System.out.println("Timed out, " + (MAXTRIES - tries) + " more tries...");
            }
        } while (!receivedResponse && (tries < MAXTRIES));

        if (receivedResponse) { 
   
            System.out.println("Received: " + new String(receivePacket.getData()));
        } else { 
   
            System.out.println("No response -- giving up.");
        }
        // 关闭 Socket
        socket.close();
    }
}

必要说明：
由于 UDP 提供的是尽最大可能的交付，所以在发送 Echo Request 请求时，无法保证一定可以送达目标地址和端口，因此考虑设置重传次数，若在超过最大等待时间后仍未收到回复，则重发当前请求，若重发次数超过最大重试次数，则可直接返回未发送成功。

4. UDP Socket 与 TCP Socket 区别

UDP 保存了消息的边界信息，而 TCP 则没有。
在 TCP 中需通过多次 read() 来接收一次 write() 的信息，而 UDP 中对于单次 send() 的数据，最多只需一次 receive() 调用。
TCP 存在传输缓冲区，UDP 则无需对数据进行缓存。
由于 TCP 存在错误重传机制，因此需保留数据的缓存，以便于重传操作，当调用 write() 方法并返回后，数据被复制到传输缓冲区中，数据有可能处于发送过程中或还没有发生传送。而 UDP 则不存在该机制，因此无需缓存数据，当调用 send() 方法返回后，消息处于发送过程中。
UDP 会丢掉超过最大长度限制的数据，而 TCP 不会。
在 TCP 中，一旦建立连接后，对于所有数据都可以看做一个连续的字节序列。而在 UDP 中接收到的消息则可能来自于不同的源地址和端口，因此会将接收到的数据放在消息队列中，按照顺序来响应，超过最大长度的消息直接截断。Datagrampacket 所能传输的最大数据量为 65507 字节，也就是一个 UDP 报文能承载的最大数据。

5. 总结

Socket 的设计与实现，可以看做是对 TCP 和 UDP 在应用层的一种封装方式，对于有连接的 TCP，如何控制连接过程，以准确传输数据对于精确度要求高的程序就比较重要。而对于 UDP，如何提供尽可能便捷、尽可能快的方式就比较重要。
在实际应用中，根据具体需求选择合适的形式即可。

参考文献

[1] Java TCP/IP Socket编程

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Java Socket 入门

1. Socket 简介

1.1 关键问题一：如何定位到目标应用

1.2 关键问题二：与 TCP/IP 关系

1.3 关键问题三：socket 工作过程

2. TCP Echo Request 样例

2.1 Server 端

2.2 Client 端

3. UDP Echo Request 实例

3.1 Server 端

3.2 Client 端

4. UDP Socket 与 TCP Socket 区别

5. 总结

参考文献

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