Java网络编程菜鸟进阶：TCP和套接字入门

JDK 提供了对 TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）和 UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）这两个数据传输协议的支持。本文开始探讨 TCP。

TCP 基础知识

在“服务器-客户端”这种架构中，服务器和客户端各自维护一个端点，两个端点需要通过网络进行数据交换。TCP 为这种需求提供了一种可靠的流式连接，流式的意思是传出和收到的数据都是连续的字节，没有对数据量进行大小限制。一个端点由 IP 地址和端口构成（专业术语为“元组 {IP 地址, 端口}”）。这样，一个连接就可以由元组 {本地地址, 本地端口, 远程地址, 远程端口} 来表示。

连接过程

在 TCP 编程接口中，端点体现为 TCP 套接字。共有两种 TCP 套接字：主动和被动，“被动”状态也常被称为“侦听”状态。服务器和客户端利用套接字进行连接的过程如下：

1、服务器创建一个被动套接字，开始循环侦听客户端的连接。

2、客户端创建一个主动套接字，连接服务器。

3、服务器接受客户端的连接，并创建一个代表该连接的主动套接字。

4、服务器和客户端通过步骤 2 和 3 中创建的两个主动套接字进行数据传输。

下面是连接过程的图解：

一个简单的 TCP 服务器

JDK 提供了 ServerSocket 类来代表 TCP 服务器的被动套接字。下面的代码演示了一个简单的 TCP 服务器（多线程阻塞模式），它不断侦听并接受客户端的连接，然后将客户端发送过来的文本按行读取，全文转换为大写后返回给客户端，直到客户端发送文本行 bye：

public class TcpServer implements Runnable {   
    private ServerSocket serverSocket;   
    
    public TcpServer(int port) throws IOException {   
        // 创建绑定到某个端口的 TCP 服务器被动套接字。   
        serverSocket = new ServerSocket(port);   
    }   
    
    @Override 
    public void run() {   
        while (true) {   
            try {   
                // 以阻塞的方式接受一个客户端连接，返回代表该连接的主动套接字。   
                Socket socket = serverSocket.accept();   
                // 在新线程中处理客户端连接。   
                new Thread(new ClientHandler(socket)).start();   
            } catch (IOException ex) {   
                ex.printStackTrace();   
            }   
        }   
    }   
}   
    
public class ClientHandler implements Runnable {   
    private Socket socket;   
    
    public ClientHandler(Socket socket) {   
        this.socket = Objects.requireNonNull(socket);   
    }   
    
    @Override 
    public void run() {   
        try (Socket s = socket) {  // 减少代码量的花招……   
            // 包装套接字的输入流以读取客户端发送的文本行。   
            BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(   
                    s.getInputStream(), StandardCharsets.UTF_8));   
            // 包装套接字的输出流以向客户端发送转换结果。   
            PrintWriter out = new PrintWriter(new OutputStreamWriter(   
                    s.getOutputStream(), StandardCharsets.UTF_8), true);   
    
            String line = null;   
            while ((line = in.readLine()) != null) {   
                if (line.equals("bye")) {   
                    break;   
                }   
    
                // 将转换结果输出给客户端。   
                out.println(line.toUpperCase(Locale.ENGLISH));   
            }   
        } catch (IOException ex) {   
            ex.printStackTrace();   
        }   
    }   
}  

阻塞模式的编程方式简单，但存在性能问题，因为服务器线程会卡死在接受客户端的 accept() 方法上，不能有效利用资源。套接字支持非阻塞模式，现在暂时略过。

一个简单的 TCP 客户端

JDK 提供了 Socket 类来代表 TCP 客户端的主动套接字。下面的代码演示了上述服务器的客户端：

public class TcpClient implements Runnable {   
    private Socket socket;   
    
    public TcpClient(String host, int port) throws IOException {   
        // 创建连接到服务器的套接字。   
        socket = new Socket(host, port);   
    }   
    
    @Override 
    public void run() {   
        try (Socket s = socket) {  // 再次减少代码量……   
            // 包装套接字的输出流以向服务器发送文本行。   
            PrintWriter out = new PrintWriter(new OutputStreamWriter(   
                    s.getOutputStream(), StandardCharsets.UTF_8), true);   
            // 包装套接字的输入流以读取服务器返回的文本行。   
            BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(   
                    s.getInputStream(), StandardCharsets.UTF_8));   
    
            Console console = System.console();   
            String line = null;   
            while ((line = console.readLine()) != null) {   
                if (line.equals("bye")) {   
                    break;   
                }   
    
                // 将文本行发送给服务器。   
                out.println(line);   
                // 打印服务器返回的文本行。   
                console.writer().println(in.readLine());   
            }   
    
            // 通知服务器关闭连接。   
            out.println("bye");   
        } catch (IOException ex) {   
            ex.printStackTrace();   
        }   
    }   
}  

从 JDK 文档可以看到，ServerSocket 和 Socket 在初始化的时候，可以设定一些参数，还支持延迟绑定。这些东西对性能和行为都有所影响。后续两篇文章将分别详解这两个类的初始化。