基于Java回顾之网络通信的应用分析

tcp连接

tcp的基础是socket，在tcp连接中，我们会使用serversocket和socket，当客户端和服务器建立连接以后，剩下的基本就是对i/o的控制了。

我们先来看一个简单的tcp通信，它分为客户端和服务器端。

客户端代码如下：

简单的tcp客户端
 import java.net.*;
 import java.io.*;
 public class simpletcpclient {

     public static void main(string[] args) throws ioexception
     {
         socket socket = null;
         bufferedreader br = null;
         printwriter pw = null;
         bufferedreader brtemp = null;
         try
         {
             socket = new socket(inetaddress.getlocalhost(), 5678);
             br = new bufferedreader(new inputstreamreader(socket.getinputstream()));
             pw = new printwriter(socket.getoutputstream());
             brtemp = new bufferedreader(new inputstreamreader(system.in));
             while(true)
             {
                 string line = brtemp.readline();
                 pw.println(line);
                 pw.flush();
                 if (line.equals("end")) break;
                 system.out.println(br.readline());
             }
         }
         catch(exception ex)
         {
             system.err.println(ex.getmessage());
         }
         finally
         {
             if (socket != null) socket.close();
             if (br != null) br.close();
             if (brtemp != null) brtemp.close();
             if (pw != null) pw.close();
         }
     }
 }

服务器端代码如下：

简单版本tcp服务器端
 import java.net.*;
 import java.io.*;
 public class simpletcpserver {

     public static void main(string[] args) throws ioexception
     {
         serversocket server = null;
         socket client = null;
         bufferedreader br = null;
         printwriter pw = null;
         try
         {
             server = new serversocket(5678);
             client = server.accept();
             br = new bufferedreader(new inputstreamreader(client.getinputstream()));
             pw = new printwriter(client.getoutputstream());
             while(true)
             {
                 string line = br.readline();
                 pw.println("response:" + line);
                 pw.flush();
                 if (line.equals("end")) break;
             }
         }
         catch(exception ex)
         {
             system.err.println(ex.getmessage());
         }
         finally
         {
             if (server != null) server.close();
             if (client != null) client.close();
             if (br != null) br.close();
             if (pw != null) pw.close();
         }
     }
 }

这里的服务器的功能非常简单，它接收客户端发来的消息，然后将消息“原封不动”的返回给客户端。当客户端发送“end”时，通信结束。

上面的代码基本上勾勒了tcp通信过程中，客户端和服务器端的主要框架，我们可以发现，上述的代码中，服务器端在任何时刻，都只能处理来自客户端的一个请求，它是串行处理的，不能并行，这和我们印象里的服务器处理方式不太相同，我们可以为服务器添加多线程，当一个客户端的请求进入后，我们就创建一个线程，来处理对应的请求。

改善后的服务器端代码如下：

多线程版本的tcp服务器端
 import java.net.*;
 import java.io.*;
 public class smarttcpserver {
     public static void main(string[] args) throws ioexception
     {
         serversocket server = new serversocket(5678);
         while(true)
         {
             socket client = server.accept();
             thread thread = new serverthread(client);
             thread.start();
         }
     }
 }

 class serverthread extends thread
 {
     private socket socket = null;

     public serverthread(socket socket)
     {
         this.socket = socket;
     }

     public void run() {
         bufferedreader br = null;
         printwriter pw = null;
         try
         {
             br = new bufferedreader(new inputstreamreader(socket.getinputstream()));
             pw = new printwriter(socket.getoutputstream());
             while(true)
             {
                 string line = br.readline();
                 pw.println("response:" + line);
                 pw.flush();
                 if (line.equals("end")) break;
             }
         }
         catch(exception ex)
         {
             system.err.println(ex.getmessage());
         }
         finally
         {
             if (socket != null)
                 try {
                     socket.close();
                 } catch (ioexception e1) {
                     e1.printstacktrace();
                 }
             if (br != null)
                 try {
                     br.close();
                 } catch (ioexception e) {
                     e.printstacktrace();
                 }
             if (pw != null) pw.close();
         }
     }
 }

修改后的服务器端，就可以同时处理来自客户端的多个请求了。

在编程的过程中，我们会有“资源”的概念，例如数据库连接就是一个典型的资源，为了提升性能，我们通常不会直接销毁数据库连接，而是使用数据库连接池的方式来对多个数据库连接进行管理，已实现重用的目的。对于socket连接来说，它也是一种资源，当我们的程序需要大量的socket连接时，如果每个连接都需要重新建立，那么将会是一件非常没有效率的做法。

和数据库连接池类似，我们也可以设计tcp连接池，这里的思路是我们用一个数组来维持多个socket连接，另外一个状态数组来描述每个socket连接是否正在使用，当程序需要socket连接时，我们遍历状态数组，取出第一个没被使用的socket连接，如果所有连接都在使用，抛出异常。这是一种很直观简单的“调度策略”，在很多开源或者商业的框架中（apache/tomcat），都会有类似的“资源池”。

tcp连接池的代码如下：

一个简单的tcp连接池
 import java.net.*;
 import java.io.*;
 public class tcpconnectionpool {

     private inetaddress address = null;
     private int port;
     private socket[] arrsockets = null;
     private boolean[] arrstatus = null;
     private int count;

     public tcpconnectionpool(inetaddress address, int port, int count)
     {
         this.address = address;
         this.port = port;
         this .count = count;
         arrsockets = new socket[count];
         arrstatus = new boolean[count];

         init();
     }

     private void init()
     {
         try
         {
             for (int i = 0; i < count; i++)
             {
                 arrsockets[i] = new socket(address.gethostaddress(), port);
                 arrstatus[i] = false;
             }
         }
         catch(exception ex)
         {
             system.err.println(ex.getmessage());
         }
     }

     public socket getconnection()
     {
         if (arrsockets == null) init();
         int i = 0;
         for(i = 0; i < count; i++)
         {
             if (arrstatus[i] == false)
             {
                 arrstatus[i] = true;
                 break;
             }
         }
         if (i == count) throw new runtimeexception("have no connection availiable for now.");

         return arrsockets[i];
     }

     public void releaseconnection(socket socket)
     {
         if (arrsockets == null) init();
         for (int i = 0; i < count; i++)
         {
             if (arrsockets[i] == socket)
             {
                 arrstatus[i] = false;
                 break;
             }
         }
     }

     public void rebuild()
     {
         init();
     }

     public void destory()
     {
         if (arrsockets == null) return;

         for(int i = 0; i < count; i++)
         {
             try
             {
                 arrsockets[i].close();
             }
             catch(exception ex)
             {
                 system.err.println(ex.getmessage());
                 continue;
             }
         }
     }
 }

udp连接

udp是一种和tcp不同的连接方式，它通常应用在对实时性要求很高，对准确定要求不高的场合，例如在线视频。udp会有“丢包”的情况发生，在tcp中，如果server没有启动，client发消息时，会报出异常，但对udp来说，不会产生任何异常。

udp通信使用的两个类时datagramsocket和datagrampacket，后者存放了通信的内容。

下面是一个简单的udp通信例子，同tcp一样，也分为client和server两部分，client端代码如下：

udp通信客户端
 import java.net.*;
 import java.io.*;
 public class udpclient {

     public static void main(string[] args)
     {
         try
         {
             inetaddress host = inetaddress.getlocalhost();
             int port = 5678;
             bufferedreader br = new bufferedreader(new inputstreamreader(system.in));
             while(true)
             {
                 string line = br.readline();
                 byte[] message = line.getbytes();
                 datagrampacket packet = new datagrampacket(message, message.length, host, port);
                 datagramsocket socket = new datagramsocket();
                 socket.send(packet);
                 socket.close();
                 if (line.equals("end")) break;
             }
             br.close();
         }
         catch(exception ex)
         {
             system.err.println(ex.getmessage());
         }
     }
 }

server端代码如下：

udp通信服务器端
 import java.net.*;
 import java.io.*;
 public class udpserver {

     public static void main(string[] args)
     {
         try
         {
             int port = 5678;
             datagramsocket dssocket = new datagramsocket(port);
             byte[] buffer = new byte[1024];
             datagrampacket packet = new datagrampacket(buffer, buffer.length);
             while(true)
             {
                 dssocket.receive(packet);
                 string message = new string(buffer, 0, packet.getlength());
                 system.out.println(packet.getaddress().gethostname() + ":" + message);
                 if (message.equals("end")) break;
                 packet.setlength(buffer.length);
             }
             dssocket.close();
         }
         catch(exception ex)
         {
             system.err.println(ex.getmessage());
         }
     }
 }

这里，我们也假设和tcp一样，当client发出“end”消息时，认为通信结束，但其实这样的设计不是必要的，client端可以随时断开，并不需要关心server端状态。
多播（multicast）

多播采用和udp类似的方式，它会使用d类ip地址和标准的udp端口号，d类ip地址是指224.0.0.0到239.255.255.255之间的地址，不包括224.0.0.0。

多播会使用到的类是multicastsocket，它有两个方法需要关注：joingroup和leavegroup。

下面是一个多播的例子，client端代码如下：

多播通信客户端
 import java.net.*;
 import java.io.*;
 public class multicastclient {

     public static void main(string[] args)
     {
         bufferedreader br = new bufferedreader(new inputstreamreader(system.in));
         try
         {
             inetaddress address = inetaddress.getbyname("230.0.0.1");
             int port = 5678;
             while(true)
             {
                 string line = br.readline();
                 byte[] message = line.getbytes();
                 datagrampacket packet = new datagrampacket(message, message.length, address, port);
                 multicastsocket multicastsocket = new multicastsocket();
                 multicastsocket.send(packet);
                 if (line.equals("end")) break;
             }
             br.close();
         }
         catch(exception ex)
         {
             system.err.println(ex.getmessage());
         }
     }
 }

服务器端代码如下：

多播通信服务器端
 import java.net.*;
 import java.io.*;
 public class multicastserver {

     public static void main(string[] args)
     {
         int port = 5678;
         try
         {
             multicastsocket multicastsocket = new multicastsocket(port);
             inetaddress address = inetaddress.getbyname("230.0.0.1");
             multicastsocket.joingroup(address);
             byte[] buffer = new byte[1024];
             datagrampacket packet = new datagrampacket(buffer, buffer.length);
             while(true)
             {
                 multicastsocket.receive(packet);
                 string message = new string(buffer, packet.getlength());
                 system.out.println(packet.getaddress().gethostname() + ":" + message);
                 if (message.equals("end")) break;
                 packet.setlength(buffer.length);
             }
             multicastsocket.close();
         }
         catch(exception ex)
         {
             system.err.println(ex.getmessage());
         }
     }
 }

nio（new io）

nio是jdk1.4引入的一套新的io api，它在缓冲区管理、网络通信、文件存取以及字符集操作方面有了新的设计。对于网络通信来说，nio使用了缓冲区和通道的概念。

下面是一个nio的例子，和我们上面提到的代码风格有很大的不同。

nio例子
 import java.io.*;
 import java.nio.*;
 import java.nio.channels.*;
 import java.nio.charset.*;
 import java.net.*;
 public class newiosample {

     public static void main(string[] args)
     {
         string host="127.0.0.1";
         int port = 5678;
         socketchannel channel = null;
         try
         {
             inetsocketaddress address = new inetsocketaddress(host,port);
             charset charset = charset.forname("utf-8");
             charsetdecoder decoder = charset.newdecoder();
             charsetencoder encoder = charset.newencoder();

             bytebuffer buffer = bytebuffer.allocate(1024);
             charbuffer charbuffer = charbuffer.allocate(1024);

             channel = socketchannel.open();
             channel.connect(address);

             string request = "get / \r\n\r\n";
             channel.write(encoder.encode(charbuffer.wrap(request)));

             while((channel.read(buffer)) != -1)
             {
                 buffer.flip();
                 decoder.decode(buffer, charbuffer, false);
                 charbuffer.flip();
                 system.out.println(charbuffer);
                 buffer.clear();
                 charbuffer.clear();
             }
         }
         catch(exception ex)
         {
             system.err.println(ex.getmessage());
         }
         finally
         {
             if (channel != null)
                 try {
                     channel.close();
                 } catch (ioexception e) {
                     // todo auto-generated catch block
                     e.printstacktrace();
                 }
         }
     }
 }

上述代码会试图访问一个本地的网址，然后将其内容打印出来。