Java Socket编程入门
1.必备知识
TCP是Tranfer Control Protocol的简称，即传输控制协议，基于TCP协议，可以进行有顺序的，无差错的数据流传输，当然，发送方和接收方之间必须建立连接，在建立连接后，双方可以双向通信。UDP是User Datagram Protocol的简称，即用户数据报协议，该协议是无连接的，每个数据报都是个独立的信息体，包含源地址和目的地址，它是无序的，不安全的，能否到达目的地，什么时候到达目的地，都无法保证，但它比TCP高效，多用于网络稳定的局域网通信。
Socket通常也称作"套接字"，用于描述IP地址和端口，是一个通信链的句柄。应用程序通常通过"套接字"向网络发出请求或者应答网络请求。当然，Java中的Socket并不是只支持TCP/IP，还包括SMTP甚至是自定义协议传输。
基于Java自身包实现消息方式的系统间通信的方式有四种：TCP/IP+BIO,TCP/IP+NIO ,UDP/IP+BIO,UDP/IP+NIO。本篇文章讲解的就是TCP/IP+BIO。
2.简单例子
为了实践，我们先建立两个Java项目，一个为客户端，项目名称为JavaClientProject，一个为服务端，项目名称为JavaServerProject。
下面先展现一个比较简单的Socket例子：
1.客户端项目ClientTest.java中的main方法:
publicstaticvoid main(String[] args) {
Socket socket = null;
try {
// InetAddress.getLocalHost()为服务端IP地址,因为服务器就部署在本地，1314为服务端开启的端口号
socket = new Socket(InetAddress.getLocalHost(), 1314);
// socket.setSoTimeout(60000); // 设置超时时间为60秒
// 创建向服务器写入流的PrintWriter
PrintWriter send = new PrintWriter(socket.getOutputStream(), true);
// 创建读取服务器端返回流的BufferedReader
BufferedReader receive = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
// 向服务器发送字符串信息
send.println("Is me, Client!!");
// 阻塞读取服务端的返回信息。如果希望一段时间后就不阻塞了，那么要在创建Socket对象后调用socket.setSoTimeout(毫秒单位的超时时间)
System.out.println("接收到服务端的响应：" + receive.readLine());
System.out.println("客户端处理完毕！");
socket.close();
} catch (UnknownHostException e) {
e.printStackTrace();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
try {
if(socket != null)
socket.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
2.服务端项目ServerTest.java中的main方法:
publicstaticvoid main(String[] args) {
ServerSocket serverSocket = null;
try {
// 创建对本地指定端口的监听，如果端口冲突，则抛出SocketException，并指定队列里面最多只能存放20个Socket。
serverSocket = new ServerSocket(1314, 20, InetAddress.getLocalHost());
// serverSocket.setSoTimeout(60000);
// 接收客户端建立连接的请求，并返回Socket对象，以便和客户端进行交互。
// 交互方式与客户端相同，也是通过Socket.getInputStream和Socket.getOutputStream
// 来进行读写操作，此方法会一直阻塞到有客户端发送建立连接的请求，如果希望次方法阻塞一定的时间，
// 则要在创建ServerSocket后调用setSoTimeout设置超时时间
Socket socket = serverSocket.accept();
// 创建读取客户端发送流的BufferedReader
BufferedReader receive = new BufferedReader(new InputStreamReader(
socket.getInputStream()));
// 创建向客户端写入流的PrintWriter
PrintWriter send = new PrintWriter(socket.getOutputStream(), true);
// 阻塞读取服务端的返回信息。如果希望一段时间后就不阻塞了，那么要在创建ServerSocket对象后调用其setSoTimeout(毫秒单位的超时时间)
System.out.println("接收到客户端的信息：" + receive.readLine());
// 向客户端发送字符串信息
send.println("I know you are Client!");
System.out.println("服务端处理完毕！");
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
try {
if(serverSocket != null)
serverSocket.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
为了更方便的看到效果，最好客户端项目和服务端项目各用一个eclipse运行。先运行服务端的ServerTest.java，开始对1314端口进行监听（如果实在windows下，可以在CMD中输入netstat –ano 来查看已经打开的端口，其中肯定有1314），然再运行客户端项目的ClientTest.java，最后就可以看到如下控制台效果：
--服务端控制台--
接收到客户端的信息：Is me, Client!!
服务端处理完毕！
--客户端控制台—
接收到服务端的响应：I know you are Client!
客户端处理完毕！
这里需要注意的是，客户端用的是Socket。而服务端得先用ServerSocket来建立起端口的监听，而且可以用ServerSocket的accept()方法来获取一个Socket，当然accept()方法是阻塞的，除非客户端那边有新的Socket来连接到服务端监听的端口，accept()方法才会返回新的Socket，客户端向已经连接上的Socket发送消息accept()是不会被触发的。其实在服务端有个Socket队列，新连接上的Scoekt会依次放在里面，只要队列里面还有没有取出来的Socket，accept()每触发一次，就会从队列中取出一个Socket。
3.用连接池来管理开销，提高性能
由于服务端资源是有限的，如果客户端发来大量Socket连接，必定会导致客户端等待消息处理超时，因为上面的例子服务端处理Socket用的是单线程。但也不能每来一个Socket连接服务端就建立一个新的线程，这样很快会导致服务端资源耗尽。于是乎，我们可以在服务器端使用线程池来对线程进行管理。
而对于客户端，频繁的新建Socket和关闭Socket也是一笔不小的资源开销，最好的办法是建立一个Socket连接池，用完的Socket不是直接关闭，而是放入连接池中，当有新的消息需要发送，再从Socket连接池中把空闲的Socket连接取出来。
4.连接池的简单例子
下面，我们给出一个最最最简单的连接池的实现。
在客户端项目JavaClientProject中新建com.manzhizhen.tcpip包，该包下有如下几个类：
SocketData.java – 客户端和服务端沟通的数据对象
TcpIpBIOClient.java – 该类用来模拟客户端向服务端发送并发Socket请求
TcpIpBIOClientSocketPool.java – 客户端的Socket连接池的最最最简单的实现
TcpIpBIOClientThread.java – 客户端连接的线程实现（因为需要模拟并发，所以需要线程）
在服务端项目JavaServerProject中新建com.manzhizhen.tcpip包，该包下有如下几个类：
SocketData.java – 客户端和服务端沟通的数据对象（代码和客户端的一样）
TcpIpBIOServer.java – 该类用来模拟服务端监听客户端发送的请求，并做出回应
TcpIpBIOServerThreadPool.java – 服务端的线程连接池的最最最简单的实现
TcpIpBIOServerThread.java – 服务端的线程实现，由线程池进行统一管理
为了方便测试，我们可以把这两个项目用不同的Eclipse运行。先运行JavaServerProject中TcpIpBIOServer.java的main方法，来开启服务端的对本地1314端口的监听。然后再运行JavaClientProject中TcpIpBIOClient.java的main方法，可以发现服务端和客户端的控制台都有信息输出，说明两者之间通信成功。因为我们在客户端的TcpIpBIOClient的main方法中加入了Thread.sleep(9999999);代码段，这是因为如果客户端运行完了main方法，由于服务端还在不断的读取，却发现客户端未响应了（因为运行完main方法客户端就关了），服务端会抛出Connect reset的Socket异常，加入该代码段只是为了暂时避免。如果想多次尝试，可以关闭客户端应用，再次运行客户端TcpIpBIOServer.java的main方法来测试，因为服务端还未关闭，一直在监听。可以发现，如果客户端设置的并发数量大于Socket连接池的Socket数量，会有部分客户端线程暂时获取不到空闲可用的Socket，于是我们通过循环来每隔一段时间去重新调用Socket连接池的方法来尝试获取空闲Socket，直到超过Socket连接池设置的最大尝试次数为止，如果到了最大尝试次数还未获取到空闲的Socket，则报超时。
5.附录（客户端和服务端代码）
客户端JavaClientProject代码如下：
--SocketData.java—-
package com.manzhizhen.tcpip;
/**
* 客户端和服务器之间传输的数据对象
* @author Manzhizhen
*/
publicclass SocketData {
privateintclientNum; // 客户端的初始化数据
privateintserverNum; // 被服务端处理后的数据
publicint getClientNum() {
returnclientNum;
}
publicvoid setClientNum(int clientNum) {
this.clientNum = clientNum;
}
publicint getServerNum() {
returnserverNum;
}
publicvoid setServerNum(int serverNum) {
this.serverNum = serverNum;
}
@Override
public String toString() {
return"(" + clientNum + "~" + serverNum +")";
}
/**
* 将字符串转换为SocketData对象
* Socket是不能发送对象的，只能将对象转化成字符串发送
* @param socketData
* @return
*/
public String getStrFromObj() {
returnclientNum + "~" + serverNum;
}
/**
* 将字符串转换为SocketData对象
* 该方法用于把经过getStrFromObj(SocketData socketData)
* 的字符串转化成SocketData对象
* @param str
* @return
*/
publicstatic SocketData getObjFromStr(String str) {
SocketData socketData = new SocketData();
String[] strs = str.trim().split("~");
socketData.setClientNum(Integer.valueOf(strs[0]));
socketData.setServerNum(Integer.valueOf(strs[1]));
return socketData;
}
}
--TcpIpBIOClient.java—-
package com.manzhizhen.tcpip;
import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.InetAddress;
import java.net.Socket;
import java.net.UnknownHostException;
/**
* 客户端的入口
* TCP/IP+BIO
* 基于Java自身包实现消息方式的系统间通信的方式有四种：
* TCP/IP+BIO TCP/IP+NIO UDP/IP+BIO UDP/IP+NIO
* @author Manzhizhen
*
*/
publicclass TcpIpBIOClient {
publicstaticvoid client() {
try {
// 初始化Socket连接池
TcpIpBIOClientSocketPool.init();
// 自增用来作为发送的数据
int startNum = 10000;
// 模拟300个并发请求
for(int i = 0; i < 300; i++) {
SocketData socketData = new SocketData();
socketData.setClientNum(startNum + i);
// 每次请求都会创建一个新的线程
Runnable runnable = new TcpIpBIOClientThread(socketData);
new Thread(runnable).start();
}
try {
// 处理完休息一下
Thread.sleep(9999999);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
} catch (UnknownHostException e) {
e.printStackTrace();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
publicstaticvoid main(String[] args) {
client();
}
}
-- TcpIpBIOClientSocketPool.java—-
package com.manzhizhen.tcpip;
import java.io.IOException;
import java.net.InetAddress;
import java.net.Socket;
import java.net.UnknownHostException;
import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;
import java.util.Hashtable;
import java.util.Map;
/**
* 客户端Socket连接池
* @author Manzhizhen
*
*/
publicclass TcpIpBIOClientSocketPool {
privatestaticintMAX_POOL_NUM = 50; // Socket连接池中Socket最大数量
publicstaticintTIMEOUT = 60000; // 设置超时间为60秒
publicstaticintMAX_TRY_TIMES = 10; // 如果客户端没有获取到空闲的Scoket，尝试获取Scoket的次数
privatestaticbooleanINIT_STATUS = false; // 连接池的初始化状态
privatestatic InetAddress IP_ADDRESS;// 服务器端IP地址
privatestaticintPORT; // 服务器端口号
publicstatic Map<Socket, Boolean> socketMap = new Hashtable<Socket, Boolean>(MAX_POOL_NUM); // true表示该Socket可以使用
private TcpIpBIOClientSocketPool() {
}
/**
* 初始化Socket连接池
* @throws IOException
* @throws UnknownHostException
*/
publicstaticvoid init() throws UnknownHostException, IOException {
if(INIT_STATUS) {
return ;
}
IP_ADDRESS = InetAddress.getLocalHost(); // 设置服务器端IP地址，因为服务器就在本地，所以使用本地IP地址。
PORT = 1314; // 设置服务器端口号
for(int i = MAX_POOL_NUM; i > 0; i--) {
Socket socket = new Socket(IP_ADDRESS, PORT);
socketMap.put(socket, true);
}
// 如果没抛异常，设置初始化状态为true
INIT_STATUS = true;
}
/**
* 释放一个Socket，该Socket可以供其他客户端使用
* @param socket
*/
publicstaticvoid freeSocket(Socket socket) {
if(!INIT_STATUS) {
System.out.println("连接池未初始化！");
return ;
}
if(socket == null) {
return ;
}
if(socketMap.get(socket) != null) {
socketMap.put(socket, true);
System.out.println(TcpIpBIOClientSocketPool.currentTime() + " 已经释放了一个Socket");
}
}
/**
* 获得一个可用的Socket，如果没有可用Socket，则返回null
* @param socket
*/
publicstaticsynchronized Socket getSocket() {
if(!INIT_STATUS) {
System.out.println("连接池未初始化！");
returnnull;
}
for(Socket socket : socketMap.keySet()) {
if(socketMap.get(socket)) {
socketMap.put(socket, false);
return socket;
}
}
returnnull;
}
/**
* 获取当前时间
* @return
*/
publicstatic String currentTime() {
returnnew SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss").format(new Date());
}
}
-- TcpIpBIOClientThread.java—-
package com.manzhizhen.tcpip;
import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.Socket;
/**
* 客户端线程
* @author Manzhizhen
*
*/
publicclass TcpIpBIOClientThread implements Runnable {
private SocketData socketData;
private Socket socket = null;
public TcpIpBIOClientThread(SocketData socketData) {
this.socketData = socketData;
}
@Override
publicvoid run() {
try {
boolean isGet = false;
for(int i = 0; i < TcpIpBIOClientSocketPool.MAX_TRY_TIMES; i++) {
if((socket = TcpIpBIOClientSocketPool.getSocket()) == null) {
Thread.sleep(1000); // 如果没获取到空闲的Socket，则1秒后再尝试获取
System.out.println(TcpIpBIOClientSocketPool.currentTime() + this + " 尝试再次获取Socket！");
} else {
System.out.println(TcpIpBIOClientSocketPool.currentTime() + this + " 成功获取Socket！");
isGet = true;
break ;
}
}
if(!isGet) {
System.err.println(TcpIpBIOClientSocketPool.currentTime() + " 客户端获取Socket超时！");
return ;
}
// socket.setSoTimeout(TcpIpBIOClientSocketPool.TIMEOUT);
// 创建向服务器写入流的PrintWriter
PrintWriter send = new PrintWriter(socket.getOutputStream(), true);
// 创建读取服务器端返回流的BufferedReader
BufferedReader receive = new BufferedReader(new InputStreamReader(
socket.getInputStream()));
// 向服务器发送数据对象
send.println(socketData.getStrFromObj());
// 阻塞读取服务端的返回信息。如果希望一段时间后就不阻塞了，那么要在创建Socket对象后调用socket.setSoTimeout(毫秒单位的超时时间)
socketData = SocketData.getObjFromStr(receive.readLine());
System.out.println(TcpIpBIOClientSocketPool.currentTime() + this + " 客户端接收完毕：" + socketData);
} catch (IOException e) {
System.err.println(TcpIpBIOClientSocketPool.currentTime() + this + " 客户端异常：" + socketData);
e.printStackTrace();
} catch (InterruptedException e) {
System.err.println(TcpIpBIOClientSocketPool.currentTime() + this + " 客户端异常：" + socketData);
e.printStackTrace();
} finally {
// 释放客户端那有限的Socket资源
TcpIpBIOClientSocketPool.freeSocket(socket);
}
}
public SocketData getSocketData() {
returnsocketData;
}
public Socket getSocket() {
returnsocket;
}
}
服务端JavaClientProject代码如下：
--SocketData.java—- （同客户端）
--TcpIpBIOServer.java—-
package com.manzhizhen.tcpip;
import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.InetAddress;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.net.UnknownHostException;
publicclass TcpIpBIOServer {
publicstaticvoid server() {
try {
TcpIpBIOServerThreadPool.init();
// 创建对本地指定端口的监听，如果端口冲突，则抛出SocketException。
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(1314);
// serverSocket.setSoTimeout(60000); // 这里不设置超时时间，以便可以不停的运行客户端来测试
boolean isDeal;
// 因为不知道什么时候有会有Socket来连接，所以不断循环
while(true) {
// 只有当新的Socket来连接，就会触发accept()
Socket socket = serverSocket.accept();
TcpIpBIOServerThread runnable = null;
isDeal = false;
for(int i = 0; i < TcpIpBIOServerThreadPool.MAX_TRY_TIMES; i++) {
if((runnable = TcpIpBIOServerThreadPool.getThread()) == null) {
Thread.sleep(500); // 如果没获取到空闲的线程，则0.5秒后再尝试获取
System.out.println(TcpIpBIOServerThreadPool.currentTime() + " 尝试再次获取线程！");
} else {
// 给获取到的Socket分配到线程
runnable.setSocket(socket);
System.out.println(TcpIpBIOServerThreadPool.currentTime() + " 获取线程成功！");
isDeal = true;
break ;
}
}
// 如果在尝试了指定次数后，仍然无法获取到空闲的线程，则报超时。
if(!isDeal) {
System.err.println(TcpIpBIOServerThreadPool.currentTime() + " 服务端获取Thread超时！");
continue;
}
// 处理客户端请求
new Thread(runnable).start();
}
} catch (UnknownHostException e) {
e.printStackTrace();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
publicstaticvoid main(String[] args) {
server();
}
}
--TcpIpBIOServerThread.java—-
package com.manzhizhen.tcpip;
import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.Socket;
import java.net.SocketException;
/**
* 服务端处理Socket的线程
*
* @author Administrator
*
*/
publicclass TcpIpBIOServerThread implements Runnable {
private SocketData socketData = new SocketData();
private Socket socket = null;
public TcpIpBIOServerThread() {
}
@Override
publicvoid run() {
try {
// socket.setSoTimeout(TcpIpBIOServerThreadPool.READ_TIMEOUT);
// 创建读取客户端发送的BufferedReader
BufferedReader read = new BufferedReader(new InputStreamReader(
socket.getInputStream()));
// 创建给客户端响应写入流的PrintWriter
PrintWriter sendOut = new PrintWriter(socket.getOutputStream(), true);
// 阻塞读取客户端的发送的信息。如果希望一段时间后就不阻塞了，那么要在创建Socket对象后调用socket.setSoTimeout(毫秒单位的超时时间)
String readStr = null;
while(true) {
// 一旦客户端项目的TcpIpBIOClient.java的main方法运行完，客户端会失去响应，
// 此时下面的语句会抛出java.net.SocketException: Connection reset异常
// 为了避免这样发生，可以在客户端的main方法加入sleep()让客户端进程睡眠。
readStr = read.readLine();
if(readStr != null) {
socketData = SocketData.getObjFromStr(readStr);
// 服务端处理数据
dealData(socketData);
// 向客户端发送响应数字信息
sendOut.println(socketData.getStrFromObj());
System.out.println(TcpIpBIOServerThreadPool.currentTime() + " 服务端处理完毕完毕：" + socketData);
}
}
} catch (SocketException e) {
e.printStackTrace();
} catch (IOException e) {
System.err.println(TcpIpBIOServerThreadPool.currentTime() + " 服务端异常：" + socketData);
e.printStackTrace();
} finally {
// 使用完后释放自己
TcpIpBIOServerThreadPool.freeThread(this);
// 注意，这里不必关闭Socket，因为这个Socket是客户端Socket连接池维护的，
// 如果这时候关了，客户端就无法通过这个Socket来和服务端通信了
}
}
/**
* 对数据进行业务处理方法
* @param socketData2
*/
privatevoid dealData(SocketData socketData) {
// 将客户端发送过来的数据进行简单处理
socketData.setServerNum(socketData.getClientNum() * 2);
}
publicvoid setSocket(Socket socket) {
this.socket = socket;
}
}
--TcpIpBIOServerThreadPool.java—-
package com.manzhizhen.tcpip;
import java.io.IOException;
import java.net.UnknownHostException;
import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;
import java.util.Hashtable;
import java.util.Map;
/**
* 服务端线程连接池
* @author Administrator
*
*/
publicclass TcpIpBIOServerThreadPool {
publicstaticintMAX_POOL_NUM = 50; // 连接池数量
publicstaticintACCEPT_TIMEOUT = 99999999; // 设置ServerSocket监听的超时时间
publicstaticintREAD_TIMEOUT = 60000; // 设置Socket读取数据的超时时间为60秒
publicstaticintMAX_TRY_TIMES = 20; // 如果服务端没有获取到空闲的线程，尝试获取线程的次数
privatestaticbooleanINIT_STATUS = false; // 连接池的初始化状态
publicstatic Map<TcpIpBIOServerThread, Boolean> threadMap = new Hashtable<TcpIpBIOServerThread, Boolean>(MAX_POOL_NUM); // true表示该线程可以使用
private TcpIpBIOServerThreadPool() {
}
/**
* 初始化线程连接池
* @throws IOException
* @throws UnknownHostException
*/
publicstaticvoid init() throws UnknownHostException, IOException {
if(INIT_STATUS) {
return ;
}
for(int i = MAX_POOL_NUM; i >= 0; i--) {
TcpIpBIOServerThread runnable = new TcpIpBIOServerThread();
threadMap.put(runnable, true);
}
// 如果没抛异常，设置初始化状态为true
INIT_STATUS = true;
}
/**
* 释放一个线程，该线程可以供其他请求使用
* @param socket
*/
publicstaticvoid freeThread(TcpIpBIOServerThread runnable) {
if(!INIT_STATUS) {
System.out.println("连接池未初始化！");
return ;
}
if(runnable == null) {
return ;
}
if(threadMap.get(runnable) != null) {
System.out.println(currentTime() + runnable + " 释放线程成功！ ");
threadMap.put(runnable, true);
}
}
/**
* 获得一个可用的线程，如果没有可用线程，则返回null
* @param socket
*/
publicstatic TcpIpBIOServerThread getThread() {
if(!INIT_STATUS) {
System.out.println("连接池未初始化！");
returnnull;
}
for(TcpIpBIOServerThread runnable : threadMap.keySet()) {
if(threadMap.get(runnable)) {
threadMap.put(runnable, false);
return runnable;
}
}
returnnull;
}
/**
* 获取当前时间
* @return
*/
publicstatic String currentTime() {
returnnew SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss").format(new Date());
}
}
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