Java编程那些事儿104——网络编程技术3
陈跃峰
出自：http://blog.csdn.net/mailbomb
为了一步一步的掌握网络编程，下面再研究网络编程中的两个基本问题，通过解决这两个问题将对网络编程的认识深入一层。
1、如何复用Socket连接？
在前面的示例中，客户端中建立了一次连接，只发送一次数据就关闭了，这就相当于拨打电话时，电话打通了只对话一次就关闭了，其实更加常用的应该是拨通一次电话以后多次对话，这就是复用客户端连接。
那么如何实现建立一次连接，进行多次数据交换呢？其实很简单，建立连接以后，将数据交换的逻辑写到一个循环中就可以了。这样只要循环不结束则连接就不会被关闭。按照这种思路，可以改造一下上面的代码，让该程序可以在建立连接一次以后，发送三次数据，当然这里的次数也可以是多次，示例代码如下：
package tcp;
import java.io.*;
import java.net.*;
/**
* 复用连接的Socket客户端
* 功能为：发送字符串“Hello”到服务器端，并打印出服务器端的反馈
*/
public class MulSocketClient {
public static void main(String[] args) {
Socket socket = null;
InputStream is = null;
OutputStream os = null;
//服务器端IP地址
String serverIP = "127.0.0.1";
//服务器端端口号
int port = 10000;
//发送内容
String data[] ={"First","Second","Third"};
try {
//建立连接
socket = new Socket(serverIP,port);
//初始化流
os = socket.getOutputStream();
is = socket.getInputStream();
byte[] b = new byte[1024];
for(int i = 0;i < data.length;i++){
//发送数据
os.write(data[i].getBytes());
//接收数据
int n = is.read(b);
//输出反馈数据
System.out.println("服务器反馈：" + new String(b,0,n));
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace(); //打印异常信息
}finally{
try {
//关闭流和连接
is.close();
os.close();
socket.close();
} catch (Exception e2) {}
}
}
}
该示例程序和前面的代码相比，将数据交换部分的逻辑写在一个for循环的内容，这样就可以建立一次连接，依次将data数组中的数据按照顺序发送给服务器端了。
如果还是使用前面示例代码中的服务器端程序运行该程序，则该程序的结果是：
java.net.SocketException: Software caused connection abort: recv failed
at java.net.SocketInputStream.socketRead0(Native Method)
at java.net.SocketInputStream.read(SocketInputStream.java:129)
at java.net.SocketInputStream.read(SocketInputStream.java:90)
at tcp.MulSocketClient.main(MulSocketClient.java:30)
服务器反馈：First
显然，客户端在实际运行时出现了异常，出现异常的原因是什么呢？如果仔细阅读前面的代码，应该还记得前面示例代码中的服务器端是对话一次数据以后就关闭了连接，如果服务器端程序关闭了，客户端继续发送数据肯定会出现异常，这就是出现该问题的原因。
按照客户端实现的逻辑，也可以复用服务器端的连接，实现的原理也是将服务器端的数据交换逻辑写在循环中即可，按照该种思路改造以后的服务器端代码为：
package tcp;
import java.io.*;
import java.net.*;
/**
* 复用连接的echo服务器
* 功能：将客户端发送的内容反馈给客户端
*/
public class MulSocketServer {
public static void main(String[] args) {
ServerSocket serverSocket = null;
Socket socket = null;
OutputStream os = null;
InputStream is = null;
//监听端口号
int port = 10000;
try {
//建立连接
serverSocket = new ServerSocket(port);
System.out.println("服务器已启动：");
//获得连接
socket = serverSocket.accept();
//初始化流
is = socket.getInputStream();
os = socket.getOutputStream();
byte[] b = new byte[1024];
for(int i = 0;i < 3;i++){
int n = is.read(b);
//输出
System.out.println("客户端发送内容为：" + new String(b,0,n));
//向客户端发送反馈内容
os.write(b, 0, n);
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}finally{
try{
//关闭流和连接
os.close();
is.close();
socket.close();
serverSocket.close();
}catch(Exception e){}
}
}
}
在该示例代码中，也将数据发送和接收的逻辑写在了一个for循环内部，只是在实现时硬性的将循环次数规定成了3次，这样代码虽然比较简单，但是通用性比较差。
以该服务器端代码实现为基础运行前面的客户端程序时，客户端的输出为：
服务器反馈：First
服务器反馈：Second
服务器反馈：Third
服务器端程序的输出结果为：
服务器已启动：
客户端发送内容为：First
客户端发送内容为：Second
客户端发送内容为：Third
在该程序中，比较明显的体现出了“请求-响应”模型，也就是在客户端发起连接以后，首先发送字符串“First”给服务器端，服务器端输出客户端发送的内容“First”，然后将客户端发送的内容再反馈给客户端，这样客户端也输出服务器反馈“First”，这样就完成了客户端和服务器端的一次对话，紧接着客户端发送“Second”给服务器端，服务端输出“Second”，然后将“Second”再反馈给客户端，客户端再输出“Second”，从而完成第二次会话，第三次会话的过程和这个一样。在这个过程中，每次都是客户端程序首先发送数据给服务器端，服务器接收数据以后，将结果反馈给客户端，客户端接收到服务器端的反馈，从而完成一次通讯过程。
在该示例中，虽然解决了多次发送的问题，但是客户端和服务器端的次数控制还不够灵活，如果客户端的次数不固定怎么办呢？是否可以使用某个特殊的字符串，例如quit，表示客户端退出呢,这就涉及到网络协议的内容了，会在后续的网络应用示例部分详细介绍。下面开始介绍另外一个网络编程的突出问题。
2、如何使服务器端支持多个客户端同时工作？
前面介绍的服务器端程序，只是实现了概念上的服务器端，离实际的服务器端程序结构距离还很遥远，如果需要让服务器端能够实际使用，那么最需要解决的问题就是——如何支持多个客户端同时工作。
一个服务器端一般都需要同时为多个客户端提供通讯，如果需要同时支持多个客户端，则必须使用前面介绍的线程的概念。简单来说，也就是当服务器端接收到一个连接时，启动一个专门的线程处理和该客户端的通讯。
按照这个思路改写的服务端示例程序将由两个部分组成，MulThreadSocketServer类实现服务器端控制，实现接收客户端连接，然后开启专门的逻辑线程处理该连接，LogicThread类实现对于一个客户端连接的逻辑处理，将处理的逻辑放置在该类的run方法中。该示例的代码实现为：
package tcp;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
/**
* 支持多客户端的服务器端实现
*/
public class MulThreadSocketServer {
public static void main(String[] args) {
ServerSocket serverSocket = null;
Socket socket = null;
//监听端口号
int port = 10000;
try {
//建立连接
serverSocket = new ServerSocket(port);
System.out.println("服务器已启动：");
while(true){
//获得连接
socket = serverSocket.accept();
//启动线程
new LogicThread(socket);
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}finally{
try{
//关闭连接
serverSocket.close();
}catch(Exception e){}
}
}
}
在该示例代码中，实现了一个while形式的死循环，由于accept方法是阻塞方法，所以当客户端连接未到达时，将阻塞该程序的执行，当客户端到达时接收该连接，并启动一个新的LogicThread线程处理该连接，然后按照循环的执行流程，继续等待下一个客户端连接。这样当任何一个客户端连接到达时，都开启一个专门的线程处理，通过多个线程支持多个客户端同时处理。
下面再看一下LogicThread线程类的源代码实现：
package tcp;
import java.io.*;
import java.net.*;
/**
* 服务器端逻辑线程
*/
public class LogicThread extends Thread {
Socket socket;
InputStream is;
OutputStream os;
public LogicThread(Socket socket){
this.socket = socket;
start(); //启动线程
}
public void run(){
byte[] b = new byte[1024];
try{
//初始化流
os = socket.getOutputStream();
is = socket.getInputStream();
for(int i = 0;i < 3;i++){
//读取数据
int n = is.read(b);
//逻辑处理
byte[] response = logic(b,0,n);
//反馈数据
os.write(response);
}
}catch(Exception e){
e.printStackTrace();
}finally{
close();
}
}
/**
* 关闭流和连接
*/
private void close(){
try{
//关闭流和连接
os.close();
is.close();
socket.close();
}catch(Exception e){}
}
/**
* 逻辑处理方法,实现echo逻辑
* @param b 客户端发送数据缓冲区
* @param off 起始下标
* @param len 有效数据长度
* @return
*/
private byte[] logic(byte[] b,int off,int len){
byte[] response = new byte[len];
//将有效数据拷贝到数组response中
System.arraycopy(b, 0, response, 0, len);
return response;
}
}
在该示例代码中，每次使用一个连接对象构造该线程，该连接对象就是该线程需要处理的连接，在线程构造完成以后，该线程就被启动起来了，然后在run方法内部对客户端连接进行处理，数据交换的逻辑和前面的示例代码一致，只是这里将接收到客户端发送过来的数据并进行处理的逻辑封装成了logic方法，按照前面介绍的IO编程的内容，客户端发送过来的内容存储在数组b的起始下标为0，长度为n个中，这些数据是客户端发送过来的有效数据，将有效的数据传递给logic方法，logic方法实现的是echo服务的逻辑，也就是将客户端发送的有效数据形成以后新的response数组，并作为返回值反馈。
在线程中将logic方法的返回值反馈给客户端，这样就完成了服务器端的逻辑处理模拟，其他的实现和前面的介绍类似，这里就不在重复了。
这里的示例还只是基础的服务器端实现，在实际的服务器端实现中，由于硬件和端口数的限制，所以不能无限制的创建线程对象，而且频繁的创建线程对象效率也比较低，所以程序中都实现了线程池来提高程序的执行效率。
这里简单介绍一下线程池的概念，线程池(Thread pool)是池技术的一种，就是在程序启动时首先把需要个数的线程对象创建好，例如创建5000个线程对象，然后当客户端连接到达时从池中取出一个已经创建完成的线程对象使用即可。当客户端连接关闭以后，将该线程对象重新放入到线程池中供其它的客户端重复使用，这样可以提高程序的执行速度，优化程序对于内存的占用等。
关于基础的TCP方式的网络编程就介绍这么多，下面介绍UDP方式的网络编程在Java语言中的实现。