基於Socket的java網絡編程

時間  2019-11-13
標籤 基於 socket java 網絡 編程 欄目 系統網絡 简体版
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1，什麼是Socket

網絡上的兩個程序經過一個雙向的通信鏈接實現數據的交換，這個雙向鏈路的一端稱爲一個Socket。Socket一般用來實現客戶方和服務方的鏈接。Socket是TCP/IP協議的一個十分流行的編程界面，一個Socket由一個IP地址和一個端口號惟一肯定。java

2，Socket通信的過程

對於一個功能齊全的Socket，都要包含如下基本結構，其工做過程包含如下四個基本的步驟：編程

　　（1） 建立Socket；服務器

　　（2） 打開鏈接到Socket的輸入/出流；網絡

　　（3） 按照必定的協議對Socket進行讀/寫操做；app

　　（4） 關閉Socket.（在實際應用中，並未使用到顯示的close，雖然不少文章都推薦如此，不過在個人程序中，可能由於程序自己比較簡單，要求不高，因此並未形成什麼影響。）dom

3，建立Socket

建立Socketsocket

java在包java.net中提供了兩個類Socket和ServerSocket，分別用來表示雙向鏈接的客戶端和服務端。這是兩個封裝得很是好的類，使用很方便。其構造方法以下：tcp

　　Socket(InetAddress address, int port);函數

　　Socket(InetAddress address, int port, boolean stream);學習

　　Socket(String host, int prot);

　　Socket(String host, int prot, boolean stream);

　　Socket(SocketImpl impl)

　　Socket(String host, int port, InetAddress localAddr, int localPort)

　　Socket(InetAddress address, int port, InetAddress localAddr, int localPort)

　　ServerSocket(int port);

　　ServerSocket(int port, int backlog);

　　ServerSocket(int port, int backlog, InetAddress bindAddr)

　　其中address、host和port分別是雙向鏈接中另外一方的IP地址、主機名和端 口號，stream指明socket是流socket仍是數據報socket，localPort表示本地主機的端口號，localAddr和 bindAddr是本地機器的地址（ServerSocket的主機地址），impl是socket的父類，既能夠用來建立serverSocket又可 以用來建立Socket。count則表示服務端所能支持的最大鏈接數。例如：學習視頻網 http://www.xxspw.com

　　Socket client = new Socket("127.0.01.", 80);

　　ServerSocket server = new ServerSocket(80);

　　注意，在選擇端口時，必須當心。每個端口提供一種特定的服務，只有給出正確的端口，才 能得到相應的服務。0~1023的端口號爲系統所保留，例如http服務的端口號爲80,telnet服務的端口號爲21,ftp服務的端口號爲23, 因此咱們在選擇端口號時，最好選擇一個大於1023的數以防止發生衝突。

　　在建立socket時若是發生錯誤，將產生IOException，在程序中必須對之做出處理。因此在建立Socket或ServerSocket是必須捕獲或拋出例外。

三、socket的基本操做

既然socket是「open—write/read—close」模式的一種實現，那麼socket就提供了這些操做對應的函數接口。下面以TCP爲例，介紹幾個基本的socket接口函數。

3.一、socket()函數

int socket(int domain, int type, int protocol);

socket函數對應於普通文件的打開操做。普通文件的打開操做返回一個文件描述字，而socket()用於建立一個socket描述符（socket descriptor），它惟一標識一個socket。這個socket描述字跟文件描述字同樣，後續的操做都有用到它，把它做爲參數，經過它來進行一些讀寫操做。

正如能夠給fopen的傳入不一樣參數值，以打開不一樣的文件。建立socket的時候，也能夠指定不一樣的參數建立不一樣的socket描述符，socket函數的三個參數分別爲：

  • domain：即協議域，又稱爲協議族（family）。經常使用的協議族有，AF_INET、AF_INET6、AF_LOCAL（或稱AF_UNIX，Unix域socket）、AF_ROUTE等等。協議族決定了socket的地址類型，在通訊中必須採用對應的地址，如AF_INET決定了要用ipv4地址（32位的）與端口號（16位的）的組合、AF_UNIX決定了要用一個絕對路徑名做爲地址。

  • type：指定socket類型。經常使用的socket類型有，SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等等（socket的類型有哪些？）。

  • protocol：故名思意，就是指定協議。經常使用的協議有，IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等，它們分別對應TCP傳輸協議、UDP傳輸協議、STCP傳輸協議、TIPC傳輸協議（這個協議我將會單獨開篇討論！）。

注意：並非上面的type和protocol能夠隨意組合的，如SOCK_STREAM不能夠跟IPPROTO_UDP組合。當protocol爲0時，會自動選擇type類型對應的默認協議。

當咱們調用socket建立一個socket時，返回的socket描述字它存在於協議族（address family，AF_XXX）空間中，但沒有一個具體的地址。若是想要給它賦值一個地址，就必須調用bind()函數，不然就當調用connect()、listen()時系統會自動隨機分配一個端口。

3.二、bind()函數

正如上面所說bind()函數把一個地址族中的特定地址賦給socket。例如對應AF_INET、AF_INET6就是把一個ipv4或ipv6地址和端口號組合賦給socket。

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

函數的三個參數分別爲：

  • sockfd：即socket描述字，它是經過socket()函數建立了，惟一標識一個socket。bind()函數就是將給這個描述字綁定一個名字。

  • addr：一個const struct sockaddr *指針，指向要綁定給sockfd的協議地址。這個地址結構根據地址建立socket時的地址協議族的不一樣而不一樣，如ipv4對應的是： 

    struct sockaddr_in {
        sa_family_t    sin_family; /* address family: AF_INET */
        in_port_t      sin_port;   /* port in network byte order */
        struct in_addr sin_addr;   /* internet address */};/* Internet address. */struct in_addr {
        uint32_t       s_addr;     /* address in network byte order */};

    ipv6對應的是： 

    struct sockaddr_in6 { 
        sa_family_t     sin6_family;   /* AF_INET6 */ 
        in_port_t       sin6_port;     /* port number */ 
        uint32_t        sin6_flowinfo; /* IPv6 flow information */ 
        struct in6_addr sin6_addr;     /* IPv6 address */ 
        uint32_t        sin6_scope_id; /* Scope ID (new in 2.4) */ };struct in6_addr { 
        unsigned char   s6_addr[16];   /* IPv6 address */ };

    Unix域對應的是： 

    #define UNIX_PATH_MAX    108struct sockaddr_un { 
        sa_family_t sun_family;               /* AF_UNIX */ 
        char        sun_path[UNIX_PATH_MAX];  /* pathname */ };

  • addrlen：對應的是地址的長度。

一般服務器在啓動的時候都會綁定一個衆所周知的地址（如ip地址+端口號），用於提供服務，客戶就能夠經過它來接連服務器；而客戶端就不用指定，有系統自動分配一個端口號和自身的ip地址組合。這就是爲何一般服務器端在listen以前會調用bind()，而客戶端就不會調用，而是在connect()時由系統隨機生成一個。

網絡字節序與主機字節序

主機字節序就是咱們日常說的大端和小端模式：不一樣的CPU有不一樣的字節序類型，這些字節序是指整數在內存中保存的順序，這個叫作主機序。引用標準的Big-Endian和Little-Endian的定義以下：

　　a) Little-Endian就是低位字節排放在內存的低地址端，高位字節排放在內存的高地址端。

　　b) Big-Endian就是高位字節排放在內存的低地址端，低位字節排放在內存的高地址端。

網絡字節序：4個字節的32 bit值如下面的次序傳輸：首先是0～7bit，其次8～15bit，而後16～23bit，最後是24~31bit。這種傳輸次序稱做大端字節序。因爲TCP/IP首部中全部的二進制整數在網絡中傳輸時都要求以這種次序，所以它又稱做網絡字節序。字節序，顧名思義字節的順序，就是大於一個字節類型的數據在內存中的存放順序，一個字節的數據沒有順序的問題了。

因此：在將一個地址綁定到socket的時候，請先將主機字節序轉換成爲網絡字節序，而不要假定主機字節序跟網絡字節序同樣使用的是Big-Endian。因爲這個問題曾引起過血案！公司項目代碼中因爲存在這個問題，致使了不少莫名其妙的問題，因此請謹記對主機字節序不要作任何假定，務必將其轉化爲網絡字節序再賦給socket。

3.三、listen()、connect()函數

若是做爲一個服務器，在調用socket()、bind()以後就會調用listen()來監聽這個socket，若是客戶端這時調用connect()發出鏈接請求，服務器端就會接收到這個請求。

int listen(int sockfd, int backlog);int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

listen函數的第一個參數即爲要監聽的socket描述字，第二個參數爲相應socket能夠排隊的最大鏈接個數。socket()函數建立的socket默認是一個主動類型的，listen函數將socket變爲被動類型的，等待客戶的鏈接請求。

connect函數的第一個參數即爲客戶端的socket描述字，第二參數爲服務器的socket地址，第三個參數爲socket地址的長度。客戶端經過調用connect函數來創建與TCP服務器的鏈接。

3.四、accept()函數

TCP服務器端依次調用socket()、bind()、listen()以後，就會監聽指定的socket地址了。TCP客戶端依次調用socket()、connect()以後就想TCP服務器發送了一個鏈接請求。TCP服務器監聽到這個請求以後，就會調用accept()函數取接收請求，這樣鏈接就創建好了。以後就能夠開始網絡I/O操做了，即類同於普通文件的讀寫I/O操做。

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

accept函數的第一個參數爲服務器的socket描述字，第二個參數爲指向struct sockaddr *的指針，用於返回客戶端的協議地址，第三個參數爲協議地址的長度。若是accpet成功，那麼其返回值是由內核自動生成的一個全新的描述字，表明與返回客戶的TCP鏈接。

注意：accept的第一個參數爲服務器的socket描述字，是服務器開始調用socket()函數生成的，稱爲監聽socket描述字；而accept函數返回的是已鏈接的socket描述字。一個服務器一般一般僅僅只建立一個監聽socket描述字，它在該服務器的生命週期內一直存在。內核爲每一個由服務器進程接受的客戶鏈接建立了一個已鏈接socket描述字，當服務器完成了對某個客戶的服務，相應的已鏈接socket描述字就被關閉。

3.五、read()、write()等函數

萬事具有隻欠東風，至此服務器與客戶已經創建好鏈接了。能夠調用網絡I/O進行讀寫操做了，即實現了網咯中不一樣進程之間的通訊！網絡I/O操做有下面幾組：

  • read()/write()

  • recv()/send()

  • readv()/writev()

  • recvmsg()/sendmsg()

  • recvfrom()/sendto()

我推薦使用recvmsg()/sendmsg()函數，這兩個函數是最通用的I/O函數，實際上能夠把上面的其它函數都替換成這兩個函數。它們的聲明以下：

       #include <unistd.h>

       ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
       ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

       #include <sys/types.h>
       #include <sys/socket.h>

       ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
       ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

       ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,                      const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
       ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,                        struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

       ssize_t sendmsg(int sockfd, const struct msghdr *msg, int flags);
       ssize_t recvmsg(int sockfd, struct msghdr *msg, int flags);

read函數是負責從fd中讀取內容.當讀成功時，read返回實際所讀的字節數，若是返回的值是0表示已經讀到文件的結束了，小於0表示出現了錯誤。若是錯誤爲EINTR說明讀是由中斷引發的，若是是ECONNREST表示網絡鏈接出了問題。

write函數將buf中的nbytes字節內容寫入文件描述符fd.成功時返回寫的字節數。失敗時返回-1，並設置errno變量。 在網絡程序中，當咱們向套接字文件描述符寫時有倆種可能。1)write的返回值大於0，表示寫了部分或者是所有的數據。2)返回的值小於0，此時出現了錯誤。咱們要根據錯誤類型來處理。若是錯誤爲EINTR表示在寫的時候出現了中斷錯誤。若是爲EPIPE表示網絡鏈接出現了問題(對方已經關閉了鏈接)。

其它的我就不一一介紹這幾對I/O函數了，具體參見man文檔或者baidu、Google，下面的例子中將使用到send/recv。

3.六、close()函數

在服務器與客戶端創建鏈接以後，會進行一些讀寫操做，完成了讀寫操做就要關閉相應的socket描述字，比如操做完打開的文件要調用fclose關閉打開的文件。

#include <unistd.h>int close(int fd);

close一個TCP socket的缺省行爲時把該socket標記爲以關閉，而後當即返回到調用進程。該描述字不能再由調用進程使用，也就是說不能再做爲read或write的第一個參數。

注意：close操做只是使相應socket描述字的引用計數-1，只有當引用計數爲0的時候，纔會觸發TCP客戶端向服務器發送終止鏈接請求。

四、socket中TCP的三次握手創建鏈接詳解

咱們知道tcp創建鏈接要進行「三次握手」，即交換三個分組。大體流程以下：

  • 客戶端向服務器發送一個SYN J

  • 服務器向客戶端響應一個SYN K，並對SYN J進行確認ACK J+1

  • 客戶端再想服務器發一個確認ACK K+1

只有就完了三次握手，可是這個三次握手發生在socket的那幾個函數中呢？請看下圖：

image

從圖中能夠看出，當客戶端調用connect時，觸發了鏈接請求，向服務器發送了SYN J包，這時connect進入阻塞狀態；服務器監聽到鏈接請求，即收到SYN J包，調用accept函數接收請求向客戶端發送SYN K ，ACK J+1，這時accept進入阻塞狀態；客戶端收到服務器的SYN K ，ACK J+1以後，這時connect返回，並對SYN K進行確認；服務器收到ACK K+1時，accept返回，至此三次握手完畢，鏈接創建。

總結：客戶端的connect在三次握手的第二個次返回，而服務器端的accept在三次握手的第三次返回。

五、socket中TCP的四次握手釋放鏈接詳解

上面介紹了socket中TCP的三次握手創建過程，及其涉及的socket函數。如今咱們介紹socket中的四次握手釋放鏈接的過程，請看下圖：

image

                                  圖二、socket中發送的TCP四次握手

圖示過程以下：

  • 某個應用進程首先調用close主動關閉鏈接，這時TCP發送一個FIN M；

  • 另外一端接收到FIN M以後，執行被動關閉，對這個FIN進行確認。它的接收也做爲文件結束符傳遞給應用進程，由於FIN的接收意味着應用進程在相應的鏈接上再也接收不到額外數據；

  • 一段時間以後，接收到文件結束符的應用進程調用close關閉它的socket。這致使它的TCP也發送一個FIN N；

  • 接收到這個FIN的源發送端TCP對它進行確認。

這樣每一個方向上都有一個FIN和ACK。

六、一個例子（實踐一下）

服務端（Server)：

#include<winsock2.h>
#include<stdio.h>
#pragmacomment(lib,"ws2_32.lib")
voidmain()
{
WSADATAwsaData;
SOCKETsockServer;
SOCKADDR_INaddrServer;
SOCKETsockClient;
SOCKADDR_INaddrClient;
WSAStartup(MAKEWORD(2,2),&wsaData);
sockServer=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
addrServer.sin_addr.S_un.S_addr=htonl(INADDR_ANY);//INADDR_ANY表示任何IP
addrServer.sin_family=AF_INET;
addrServer.sin_port=htons(6000);//綁定端口6000
bind(sockServer,(SOCKADDR*)&addrServer,sizeof(SOCKADDR));
 
//Listen監聽端
listen(sockServer,5);//5爲等待鏈接數目
printf("服務器已啓動:\n監聽中...\n");
intlen=sizeof(SOCKADDR);
charsendBuf[100];//發送至客戶端的字符串
charrecvBuf[100];//接受客戶端返回的字符串
 
//會阻塞進程，直到有客戶端鏈接上來爲止
sockClient=accept(sockServer,(SOCKADDR*)&addrClient,&len);
//接收並打印客戶端數據
recv(sockClient,recvBuf,100,0);
printf("%s\n",recvBuf);
 
//關閉socket
closesocket(sockClient);
WSACleanup();}

客戶端 (Client)：

#include<winsock2.h>
#include<stdio.h>
#pragmacomment(lib,"ws2_32.lib")
voidmain()
{
WSADATAwsaData;
SOCKETsockClient;//客戶端Socket
SOCKADDR_INaddrServer;//服務端地址
WSAStartup(MAKEWORD(2,2),&wsaData);
//新建客戶端socket
sockClient=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
//定義要鏈接的服務端地址
addrServer.sin_addr.S_un.S_addr=inet_addr("127.0.0.1");//目標IP(127.0.0.1是回送地址)
addrServer.sin_family=AF_INET;
addrServer.sin_port=htons(6000);//鏈接端口6000
//鏈接到服務端
connect(sockClient,(SOCKADDR*)&addrServer,sizeof(SOCKADDR));
//發送數據
charmessage[20]="HelloSocket!";
send(sockClient,message,strlen(message)+1,0);
//關閉socket
closesocket(sockClient);
WSACleanup();}

1. 客戶端程序
　　import java.io.*;
　　import java.net.*;
　　public class TalkClient {
　　　　public static void main(String args[]) {
　　　　　　try{
　　　　　　　　Socket socket=new Socket("127.0.0.1",4700);
　　　　　　　　//向本機的4700端口發出客戶請求
　　　　　　　　BufferedReader sin=new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
　　　　　　　　//由系統標準輸入設備構造BufferedReader對象
　　　　　　　　PrintWriter os=new PrintWriter(socket.getOutputStream());
　　　　　　　　//由Socket對象獲得輸出流，並構造PrintWriter對象
　　　　　　　　BufferedReader is=new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
　　　　　　　　//由Socket對象獲得輸入流，並構造相應的BufferedReader對象
　　　　　　　　String readline;
　　　　　　　　readline=sin.readLine(); //從系統標準輸入讀入一字符串
　　　　　　　　while(!readline.equals("bye")){
　　　　　　　　//若從標準輸入讀入的字符串爲 "bye"則中止循環
　　　　　　　　　　os.println(readline);
　　　　　　　　　　//將從系統標準輸入讀入的字符串輸出到Server
　　　　　　　　　　os.flush();
　　　　　　　　　　//刷新輸出流，使Server立刻收到該字符串
　　　　　　　　　　System.out.println("Client:"+readline);
　　　　　　　　　　//在系統標準輸出上打印讀入的字符串
　　　　　　　　　　System.out.println("Server:"+is.readLine());
　　　　　　　　　　//從Server讀入一字符串，並打印到標準輸出上
　　　　　　　　　　readline=sin.readLine(); //從系統標準輸入讀入一字符串
　　　　　　　　} //繼續循環
　　　　　　　　os.close(); //關閉Socket輸出流
　　　　　　　　is.close(); //關閉Socket輸入流
　　　　　　　　socket.close(); //關閉Socket
　　　　　　}catch(Exception e) {
　　　　　　　　System.out.println("Error"+e); //出錯，則打印出錯信息
　　　　　　}
　　}
}
　2. 服務器端程序
　　import java.io.*;
　　import java.net.*;
　　import java.applet.Applet;
　　public class TalkServer{
　　　　public static void main(String args[]) {
　　　　　　try{
　　　　　　　　ServerSocket server=null;
　　　　　　　　try{
　　　　　　　　　　server=new ServerSocket(4700);
　　　　　　　　//建立一個ServerSocket在端口4700監聽客戶請求
　　　　　　　　}catch(Exception e) {
　　　　　　　　　　System.out.println("can not listen to:"+e);
　　　　　　　　//出錯，打印出錯信息
　　　　　　　　}
　　　　　　　　Socket socket=null;
　　　　　　　　try{
　　　　　　　　　　socket=server.accept();
　　　　　　　　　　//使用accept()阻塞等待客戶請求，有客戶
　　　　　　　　　　//請求到來則產生一個Socket對象，並繼續執行
　　　　　　　　}catch(Exception e) {
　　　　　　　　　　System.out.println("Error."+e);
　　　　　　　　　　//出錯，打印出錯信息
　　　　　　　　}
　　　　　　　　String line;
　　　　　　　　BufferedReader is=new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
　　　　　　　　　//由Socket對象獲得輸入流，並構造相應的BufferedReader對象
　　　　　　　　PrintWriter os=newPrintWriter(socket.getOutputStream());
　　　　　　　　　//由Socket對象獲得輸出流，並構造PrintWriter對象
　　　　　　　　BufferedReader sin=new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
　　　　　　　　　//由系統標準輸入設備構造BufferedReader對象
　　　　　　　　System.out.println("Client:"+is.readLine());
　　　　　　　　//在標準輸出上打印從客戶端讀入的字符串
　　　　　　　　line=sin.readLine();
　　　　　　　　//從標準輸入讀入一字符串
　　　　　　　　while(!line.equals("bye")){
　　　　　　　　//若是該字符串爲 "bye"，則中止循環
　　　　　　　　　　os.println(line);
　　　　　　　　　　//向客戶端輸出該字符串
　　　　　　　　　　os.flush();
　　　　　　　　　　//刷新輸出流，使Client立刻收到該字符串
　　　　　　　　　　System.out.println("Server:"+line);
　　　　　　　　　　//在系統標準輸出上打印讀入的字符串
　　　　　　　　　　System.out.println("Client:"+is.readLine());
　　　　　　　　　　//從Client讀入一字符串，並打印到標準輸出上
　　　　　　　　　　line=sin.readLine();
　　　　　　　　　　//從系統標準輸入讀入一字符串
　　　　　　　　} 　//繼續循環
　　　　　　　　os.close(); //關閉Socket輸出流
　　　　　　　　is.close(); //關閉Socket輸入流
　　　　　　　　socket.close(); //關閉Socket
　　　　　　　　server.close(); //關閉ServerSocket
　　　　　　}catch(Exception e){
　　　　　　　　System.out.println("Error:"+e);
　　　　　　　　//出錯，打印出錯信息
　　　　　　}
　　　　}
　　}
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