Java网络编程-初识Socket

原文：http://www.sunnyang.com/410.html

Socket套接字计算机网络通信的基本技术之一。大多数基于网络的软件，如浏览器、即时通讯工具(QQ)或者P2P下载(迅雷)都是基于Socket实现的。本文介绍了Socket的一些基础知识点，对UDP协议没有过多的涉及，简要分析了Socket和HTTP.

Socket介绍

在了解Socket之前，首先要了解什么是客户端/服务器(client/server)模式。服务器通常采用高性能的PC、工作站或小型机，并采用大型数据库系统，如ORACLE、SYBASE、InfORMix或 SQL Server。客户端需要安装专用的客户端软件。客户端与服务器要进行通信，提供它们之间互相通信的接口就是Socket，所以说Socket本身并不是一种协议，而是基于一组协议设计而提供的对外操作的接口。

Socket可以说是对TCP/IP协议的封装和应用(程序员层面上)，但是它也适用于其它协议如UDP协议，Socket 是一种应用接口, TCP/IP 是网络传输协议，虽然接口相同, 但是不同的协议会有不同的服务性质。创建Socket 连接时，可以指定使用的传输层协议，Socket 可以支持不同的传输层协议（TCP 或UDP ），当使用TCP 协议进行连接时，该Socket 连接就是一个TCP 连接。因此也可以说Socket跟TCP/IP协议没有必然的联系。Socket的出现只是可以更方便的使用TCP/IP 协议栈而已。

Java语言中Socket通信机制采用了IO流操作模型。首先通信的双方，客户端和服务器需要建立Socket连接；之后双方都有各自的Socket对象。该Socket对象包含两个流：一个是输入流InputStream，其作用是接收数据；另一个是输出流OutputStream，作用是向外发送数据。

Java为TCP协议提供了两个类：Socket类和ServerSocket类。一个Socket实例代表了TCP连接的一端。一个TCP连接（TCP connection）是一条抽象的双向信道，两端分别由IP地址和端口号确定。在开始通信之前，要建立一个TCP连接，这需要先由客户端TCP向服务器端TCP发送连接请求。ServerSocket实例则监听TCP连接请求，并为每个请求创建新的Socket实例。也就是说，服务器端要同时处理ServerSocket实例和Socket实例，而客户端只需要使用Socket实例。

Socket与HTTP区别

网络七层协议物理层、数据链路层、网络层、传输层、回话层、表示层和应用层，Socket位于传输层，而HTTP位于应用层。HTTP协议即超文本传送协议(Hypertext Transfer Protocol )，是Web联网的基础，也是手机联网常用的协议之一，HTTP协议是建立在TCP协议之上的一种应用。HTTP连接最显著的特点是客户端发送的每次请求都需要服务器回送响应，在请求结束后，会主动释放连接。从建立连接到关闭连接的过程称为“一次连接”。

在HTTP 1.0中，客户端的每次请求都要求建立一次单独的连接，在处理完本次请求后，就自动释放连接。
在HTTP 1.1中则可以在一次连接中处理多个请求，并且多个请求可以重叠进行，不需要等待一个请求结束后再发送下一个请求。
由于HTTP在每次请求结束后都会主动释放连接，因此HTTP连接是一种“短连接”，要保持客户端程序的在线状态，需要不断地向服务器发起连接请求。通常的做法是即使不需要获
得任何数据，客户端也保持每隔一段固定的时间向服务器发送一次“保持连接”的请求，服务器在收到该请求后对客户端进行回复，表明知道客户端“在线”。若服务器长时间无法收到客户端的请求，则认为客户端“下线”，若客户端长时间无法收到服务器的回复，则认为网络已经断开。

由于通常情况下Socket连接就是TCP连接，因此Socket连接一旦建立，通信双方即可开始相互发送数据内容，直到双方连接断开。而HTTP连接使用的是“请求—响应”的方式，不仅在请求时需要先建立连接，而且需要客户端向服务器发出请求后，服务器端才能回复数据。

很多情况下，需要服务器端主动向客户端推送数据，保持客户端与服务器数据的实时与同步。此时若双方建立的是Socket连接，服务器就可以直接将数据传送给客户端；若双方建立的是HTTP连接，则服务器需要等到客户端发送一次请求后才能将数据传回给客户端，因此，客户端定时向服务器端发送连接请求，不仅可以保持在线，同时也是在“询问”服务器是否有新的数据，如果有就将数据传给客户端。

HTTP协议手机都支持，Socket不一定(Android对于WebSocket的支持很差)。
HTTP只能是一问一答（即以request/response 的方式连网收发信息), 而Socket可以双向通讯( 定位到某一URL 后, 就可以双方收发信息, 无需request/response) 。
Socket 可能会被防火墙屏蔽, 但HTTP可以穿越防火墙。
HTTP 是基于Socket 通信的子协议, Socket 收发信息自由, 协议都可由使用者定义。 HTTP 在Socket 基础上做了协议规范, 通信只能按照特定的格式去做, 用户可在HTTP 上做自己的子协议, 如网页浏览，webservice，soap等

Socket编程示例

交互过程

Socket类

Socket常用的构造方法如下：

Socket(InetAddress address, int port)throws UnknownHostException, IOExceptionSocket(String host, int port)throws UnknownHostException, IOException

如果失败会抛出IOException错误。如果成功，则返回Socket对象。InetAddress是一个用于记录主机的类，其静态getHostByName(String msg)可以返回一个实例，其静态方法getLocalHost()也可以获得当前主机的IP地址，并返回一个实例。

host一般为客户端的IP地址，port就是服务器端用来监听请求的端口，也即是服务端的端口。在选择端口时，需要注意一点，就是0~1023这些端口都已经被系统预留了。这些端口为一些常用的服务所使用，比如邮件，FTP和HTTP。当你在编写服务器端的代码，选择端口时，请选择一个大于1023的端口。

当Socket实例化完成，就表示与服务器建立好了连接。但是数据的发送和接收还需要从Socket对象中获取输入流InputStream和输出流OutputStream，IO流的获取主要通过以下方法：

public InputStream getInputStream()throws IOExceptionpublic OutputStream getOutputStream()throws IOException

由上面可以知道，客户端操作主要包括两个步骤：

建立连接；
进行流的读写操作。

public class TCPClient {    private static int PORT=1001;    private static String HOST="127.0.0.1";    public static void main(String[] args) {        String str="hello world!";        try {            //建立连接            Socket client=new Socket(HOST, PORT);            OutputStream os=client.getOutputStream();            InputStream is=client.getInputStream();            //IO流写入操作            os.write(str.getBytes());            byte buffer[]=new byte[1024];            int len=-1;            //IO流的读取操作            while((len=is.read(buffer))!=-1){                System.out.println(new String(buffer, 0, len));            }            os.close();            is.close();        }catch (Exception e) {            e.printStackTrace();        }    }}

ServerSocket类

上述客户端仅仅表示通信的一方，若要真正完成通信，还需要相应的、能根据客户的请求作出相应的服务器程序。服务器这一端的功能实现就是通过ServerSocket实现的，ServerSocket常用的构造方法如下：

ServerSocket(int port)throws IOException

该构造方法创建一个ServerSocket对象，并绑定到所指定的端口port上面。ServerSocket对象一旦建立，就可以完成其监听端口和等待连接的功能，所采用的实例方法是：

public Socket accept()throws IOException

上述该方法是一个阻塞方法，阻塞的含义是其将一直处于等待状态，直到有连接请求才从方法中返回。方法的返回值是一个Socket对象，服务端就是通过该对象与客户端进行通信的。

服务端的操作一般分为以下三个步骤：

监听端口
接收连接
进行流的读写操作

public class TCPServer {    private static int PORT=1001;    public static void main(String[] args) {        try {            //监听端口            ServerSocket server=new ServerSocket(PORT);            while(true){                //接收连接                Socket client=server.accept();                //流的读写操作                InputStream is=client.getInputStream();                OutputStream os=client.getOutputStream();                byte buffer[]=new byte[1024];                int len=-1;                while((len=is.read(buffer))!=-1){                    System.out.println(new String(buffer, 0, len));                    os.write("tcp server".getBytes());                }            }        } catch (IOException e) {            e.printStackTrace();        }    }

多线程ServerSocket

在上面的ServerSocket示例代码中，我们采用的是一种顺序处理方式，当有多个客户向服务器发送请求时，服务器是一个一个轮流处理得；若是服务器对每个请求都有较为复杂的处理，就会导致某些客户有较长的等待时间。这非常类似于在 银行排队等候处理个人业务，所排的队伍越长，则等待的时间越长，银行的服务窗口可类比于服务器。那么如何才能减少排队等候的时间呢，可以多开几个服务窗口，相对应的，我们服务器采用多线程处理，为每一个客户端分配一个子线程进行单独处理，由该线程完成客户端的处理工作。

public class TCPServer {    private static int PORT = 1001;    public static void main(String[] args) {        new TCPServer().startUp();    }    public void startUp() {        try {            // 监听端口            ServerSocket server = new ServerSocket(PORT);            while (true) {                // 接收连接                Socket client = server.accept();                // 每一个连接代表了一个子线程                new Thread(new ServerThread(client)).start();            }        } catch (IOException e) {            e.printStackTrace();        }    }    private class ServerThread implements Runnable {        private InputStream is;        private OutputStream os;        private boolean isRunning = true;        public ServerThread(Socket client) {            try {                is = client.getInputStream();                os = client.getOutputStream();            } catch (IOException e) {                isRunning = false;                e.printStackTrace();            }        }        public void run() {            while (isRunning) {                byte buffer[] = new byte[1024];                int len = -1;                try {                    while ((len = is.read(buffer)) != -1) {                        System.out.println(new String(buffer, 0, len));                        os.write("tcp server".getBytes());                    }                } catch (IOException e) {                    isRunning = false;                    e.printStackTrace();                }            }        }    }}public class TCPServer {    private static int PORT = 1001;    public static void main(String[] args) {        new TCPServer().startUp();    }    public void startUp() {        try {            // 监听端口            ServerSocket server = new ServerSocket(PORT);            while (true) {                // 接收连接                Socket client = server.accept();                // 每一个连接代表了一个子线程                new Thread(new ServerThread(client)).start();            }        } catch (IOException e) {            e.printStackTrace();        }    }    private class ServerThread implements Runnable {        private InputStream is;        private OutputStream os;        private boolean isRunning = true;        public ServerThread(Socket client) {            try {                is = client.getInputStream();                os = client.getOutputStream();            } catch (IOException e) {                isRunning = false;                e.printStackTrace();            }        }        public void run() {            while (isRunning) {                byte buffer[] = new byte[1024];                int len = -1;                try {                    while ((len = is.read(buffer)) != -1) {                        System.out.println(new String(buffer, 0, len));                        os.write("tcp server".getBytes());                    }                } catch (IOException e) {                    isRunning = false;                    e.printStackTrace();                }            }        }    }}

小结

在开发中用到Socket感觉是很高大上的，在Java中有关Socket相关的类都位于java.net包下，sun.*这个包也包含了很多的网络编程相关的类，但是不建议使用这个包下面的API，因为这个包可能会改变，另外这个包不能保证在所有的平台都有包含。

Socket编程重点就在于如何避免多个Socket的读写阻塞，将读和写分别放在不同的子线程中是一种处理方式。在JDK1.4版本中引入了NIO,引入了非阻塞socket，可以不用堵塞进行网络操作。当然了也可以借助于第三方框架如Apache MINA包。