Java網絡編程菜鳥進階：TCP和套接字入門

JDK 提供了對 TCP（Transmission Control Protocol，傳輸控制協議）和 UDP（User Datagram Protocol，用戶數據報協議）這兩個數據傳輸協議的支持。本文開始探討 TCP。

TCP 基礎知識

在“服務器-客戶端”這種架構中，服務器和客戶端各自維護一個端點，兩個端點需要通過網絡進行數據交換。TCP 為這種需求提供了一種可靠的流式連接，流式的意思是傳出和收到的數據都是連續的字節，沒有對數據量進行大小限制。一個端點由 IP 地址和端口構成（專業術語為“元組 {IP 地址, 端口}”）。這樣，一個連接就可以由元組 {本地地址, 本地端口, 遠程地址, 遠程端口} 來表示。

連接過程

在 TCP 編程接口中，端點體現為 TCP 套接字。共有兩種 TCP 套接字：主動和被動，“被動”狀態也常被稱為“偵聽”狀態。服務器和客戶端利用套接字進行連接的過程如下：

1、服務器創建一個被動套接字，開始循環偵聽客戶端的連接。

2、客戶端創建一個主動套接字，連接服務器。

3、服務器接受客戶端的連接，並創建一個代表該連接的主動套接字。

4、服務器和客戶端通過步驟 2 和 3 中創建的兩個主動套接字進行數據傳輸。

下面是連接過程的圖解：

一個簡單的 TCP 服務器

JDK 提供了 ServerSocket 類來代表 TCP 服務器的被動套接字。下面的代碼演示了一個簡單的 TCP 服務器（多線程阻塞模式），它不斷偵聽並接受客戶端的連接，然後將客戶端發送過來的文本按行讀取，全文轉換為大寫後返回給客戶端，直到客戶端發送文本行 bye：

public class TcpServer implements Runnable {   
    private ServerSocket serverSocket;   
    
    public TcpServer(int port) throws IOException {   
        // 創建綁定到某個端口的 TCP 服務器被動套接字。   
        serverSocket = new ServerSocket(port);   
    }   
    
    @Override 
    public void run() {   
        while (true) {   
            try {   
                // 以阻塞的方式接受一個客戶端連接，返回代表該連接的主動套接字。   
                Socket socket = serverSocket.accept();   
                // 在新線程中處理客戶端連接。   
                new Thread(new ClIEntHandler(socket)).start();   
            } catch (IOException ex) {   
                ex.printStackTrace();   
            }   
        }   
    }   
}   
    
public class ClIEntHandler implements Runnable {   
    private Socket socket;   
    
    public ClIEntHandler(Socket socket) {   
        this.socket = Objects.requireNonNull(socket);   
    }   
    
    @Override 
    public void run() {   
        try (Socket s = socket) {  // 減少代碼量的花招……   
            // 包裝套接字的輸入流以讀取客戶端發送的文本行。   
            BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(   
                    s.getInputStream(), StandardCharsets.UTF_8));   
            // 包裝套接字的輸出流以向客戶端發送轉換結果。   
            PrintWriter out = new PrintWriter(new OutputStreamWriter(   
                    s.getOutputStream(), StandardCharsets.UTF_8), true);   
    
            String line = null;   
            while ((line = in.readLine()) != null) {   
                if (line.equals("bye")) {   
                    break;   
                }   
    
                // 將轉換結果輸出給客戶端。   
                out.println(line.toUpperCase(Locale.ENGLISH));   
            }   
        } catch (IOException ex) {   
            ex.printStackTrace();   
        }   
    }   
}  

阻塞模式的編程方式簡單，但存在性能問題，因為服務器線程會卡死在接受客戶端的 accept() 方法上，不能有效利用資源。套接字支持非阻塞模式，現在暫時略過。

一個簡單的 TCP 客戶端

JDK 提供了 Socket 類來代表 TCP 客戶端的主動套接字。下面的代碼演示了上述服務器的客戶端：

public class TcpClIEnt implements Runnable {   
    private Socket socket;   
    
    public TcpClIEnt(String host, int port) throws IOException {   
        // 創建連接到服務器的套接字。   
        socket = new Socket(host, port);   
    }   
    
    @Override 
    public void run() {   
        try (Socket s = socket) {  // 再次減少代碼量……   
            // 包裝套接字的輸出流以向服務器發送文本行。   
            PrintWriter out = new PrintWriter(new OutputStreamWriter(   
                    s.getOutputStream(), StandardCharsets.UTF_8), true);   
            // 包裝套接字的輸入流以讀取服務器返回的文本行。   
            BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(   
                    s.getInputStream(), StandardCharsets.UTF_8));   
    
            Console console = System.console();   
            String line = null;   
            while ((line = console.readLine()) != null) {   
                if (line.equals("bye")) {   
                    break;   
                }   
    
                // 將文本行發送給服務器。   
                out.println(line);   
                // 打印服務器返回的文本行。   
                console.writer().println(in.readLine());   
            }   
    
            // 通知服務器關閉連接。   
            out.println("bye");   
        } catch (IOException ex) {   
            ex.printStackTrace();   
        }   
    }   
}  

從 JDK 文檔可以看到，ServerSocket 和 Socket 在初始化的時候，可以設定一些參數，還支持延遲綁定。這些東西對性能和行為都有所影響。後續兩篇文章將分別詳解這兩個類的初始化。