# Java 网络编程

在 JavaSE 阶段，我们学习了 I/O 流，既然 I/O 流如此强大，那么能否跨越不同的主机进行 I/O 操作呢？这就要提到 Java 的网络编程了。

** 注意：** 本章会涉及到 计算机网络 相关内容（只会讲解大致内容，不会完整的讲解计算机网络知识）

# 计算机网络基础

利用通信线路和通信设备，将地理位置不同的、功能独立的多台计算机互连起来，以功能完善的网络软件来实现资源共享和信息传递，就构成了计算机网络系统。

比如我们家里的路由器，通过将我们的设备（手机、平板、电脑、电视剧）连接到路由器，来实现对互联网的访问。实际上，我们的路由器连接在互联网上，而我们的设备又连接了路由器，这样我们的设备就可以通过路由器访问到互联网了。通过网络，我们可以直接访问互联网上的另一台主机，比如我们要把 QQ 的消息发送给我们的朋友，或是通过远程桌面管理来操作另一台电脑，也可以是连接本地网络上的打印机。

既然我们可以通过网络访问其他计算机，那么如何区别不同的计算机呢？通过 IP 地址，我们就可以区分不同的计算机了：

每一台电脑在同一个网络上都有一个自己的 IP 地址，用于区别于其他的电脑，我们可以通过对方主机的 IP 地址对其进行访问。那么我手机连接的移动流量，能访问到连接家里路由器的电脑吗？（不能，因为他们不属于同一个网络）

而我们的电脑上可能运行着大量的程序，每一个程序可能都需要通过网络来访问其他计算机，那这时该如何区分呢？我们可以通过端口号来区分：

因此，我们一般看到的是这样的： 192.168.0.11:8080 ，通过 IP:端口 的形式来访问目标主机上的一个应用程序服务。注意端口号只能是 0-65535 之间的值！

IP 地址分为 IPv4 和 IPv6，IPv4 类似于 192.168.0.11 ，我们上面提到的例子都是使用的 IPv4，它一共有四组数字，每组数字占 8 个 bit 位，IPv4 地址 0.0.0.0 表示为 2 进制就是：00000000.00000000.00000000.00000000，共 32 个 bit，最大为 255.255.255.255 ，实际上，IPv4 能够表示的所有地址，早就已经被用完了。IPv6 能够保存 128 个 bit 位，因此它也可以表示更多的 IP 地址，一个 IPv6 地址看起来像这样： 1030::C9B4:FF12:48AA:1A2B ，目前也正在向 IPv6 的阶段过度。

TCP 和 UDP 是两种不同的传输层协议：

TCP：当一台计算机想要与另一台计算机通讯时，两台计算机之间的通信需要畅通且可靠（会进行三次握手，断开也会进行四次挥手），这样才能保证正确收发数据，因此 TCP 更适合一些可靠的数据传输场景。
UDP：它是一种无连接协议，数据想发就发，而且不会建立可靠传输，也就是说传输过程中有可能会导致部分数据丢失，但是它比 TCP 传输更加简单高效，适合视频直播之类的。

# 了解 Socket 技术

通过 Socket 技术（它是计算机之间进行通信的一种约定或一种方式），我们就可以实现两台计算机之间的通信，Socket 也被翻译为 套接字 ，是操作系统底层提供的一项通信技术，它支持 TCP 和 UDP。而 Java 就对 socket 底层支持进行了一套完整的封装，我们可以通过 Java 来实现 Socket 通信。

要实现 Socket 通信，我们必须创建一个数据发送者和一个数据接收者，也就是客户端和服务端，我们需要提前启动服务端，来等待客户端的连接，而客户端只需要随时启动去连接服务端即可！

	// 服务端
	public static void main(String[] args) {
	try(ServerSocket server = new ServerSocket(8080)){ // 将服务端创建在端口 8080 上
	System.out.println("正在等待客户端连接...");
	Socket socket = server.accept(); // 当没有客户端连接时，线程会阻塞，直到有客户端连接为止
	System.out.println("客户端已连接，IP地址为："+socket.getInetAddress().getHostAddress());
	}catch (IOException e){
	e.printStackTrace();
	}
	}

	// 客户端
	public static void main(String[] args) {
	try (Socket socket = new Socket("localhost", 8080)){
	System.out.println("已连接到服务端！");
	}catch (IOException e){
	System.out.println("服务端连接失败！");
	e.printStackTrace();
	}
	}

实际上它就是一个 TCP 连接的建立过程：

一旦 TCP 连接建立，服务端和客户端之间就可以相互发送数据，直到客户端主动关闭连接。当然，服务端不仅仅只可以让一个客户端进行连接，我们可以尝试让服务端一直运行来不断接受客户端的连接：

	public static void main(String[] args) {
	try(ServerSocket server = new ServerSocket(8080)){ // 将服务端创建在端口 8080 上
	System.out.println("正在等待客户端连接...");
	while (true){ // 无限循环等待客户端连接
	Socket socket = server.accept();
	System.out.println("客户端已连接，IP地址为："+socket.getInetAddress().getHostAddress());
	}
	}catch (IOException e){
	e.printStackTrace();
	}
	}

现在我们就可以多次去连接此服务端了。

# 使用 Socket 进行数据传输

通过 Socket 对象，我们就可以获取到对应的 I/O 流进行网络数据传输：

	public static void main(String[] args) {
	try (Socket socket = new Socket("localhost", 8080);
	Scanner scanner = new Scanner(System.in)){
	System.out.println("已连接到服务端！");
	OutputStream stream = socket.getOutputStream();
	OutputStreamWriter writer = new OutputStreamWriter(stream); // 通过转换流来帮助我们快速写入内容
	System.out.println("请输入要发送给服务端的内容：");
	String text = scanner.nextLine();
	writer.write(text+'\n'); // 因为对方是 readLine () 这里加个换行符
	writer.flush();
	System.out.println("数据已发送："+text);
	}catch (IOException e){
	System.out.println("服务端连接失败！");
	e.printStackTrace();
	}finally {
	System.out.println("客户端断开连接！");
	}
	}
	}

	public static void main(String[] args) {
	try(ServerSocket server = new ServerSocket(8080)){ // 将服务端创建在端口 8080 上
	System.out.println("正在等待客户端连接...");
	Socket socket = server.accept();
	System.out.println("客户端已连接，IP地址为："+socket.getInetAddress().getHostAddress());
	BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream())); // 通过
	System.out.print("接收到客户端数据：");
	System.out.println(reader.readLine());
	socket.close(); // 和服务端 TCP 连接完成之后，记得关闭 socket
	}catch (IOException e){
	e.printStackTrace();
	}
	}

同理，既然服务端可以读取客户端的内容，客户端也可以在发送后等待服务端给予响应：

	public static void main(String[] args) {
	try (Socket socket = new Socket("localhost", 8080);
	Scanner scanner = new Scanner(System.in)){
	System.out.println("已连接到服务端！");
	OutputStream stream = socket.getOutputStream();
	OutputStreamWriter writer = new OutputStreamWriter(stream); // 通过转换流来帮助我们快速写入内容
	System.out.println("请输入要发送给服务端的内容：");
	String text = scanner.nextLine();
	writer.write(text+'\n'); // 因为对方是 readLine () 这里加个换行符
	writer.flush();
	System.out.println("数据已发送："+text);
	BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
	System.out.println("收到服务器返回："+reader.readLine());
	}catch (IOException e){
	System.out.println("服务端连接失败！");
	e.printStackTrace();
	}finally {
	System.out.println("客户端断开连接！");
	}
	}

	public static void main(String[] args) {
	try(ServerSocket server = new ServerSocket(8080)){ // 将服务端创建在端口 8080 上
	System.out.println("正在等待客户端连接...");
	Socket socket = server.accept();
	System.out.println("客户端已连接，IP地址为："+socket.getInetAddress().getHostAddress());
	BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream())); // 通过
	System.out.print("接收到客户端数据：");
	System.out.println(reader.readLine());
	OutputStreamWriter writer = new OutputStreamWriter(socket.getOutputStream());
	writer.write("已收到！");
	writer.flush();
	}catch (IOException e){
	e.printStackTrace();
	}
	}

我们可以手动关闭单向的流：

	socket.shutdownOutput(); // 关闭输出方向的流
	socket.shutdownInput(); // 关闭输入方向的流

如果我们不希望服务端等待太长的时间，我们可以通过调用 setSoTimeout() 方法来设定 IO 超时时间：

socket.setSoTimeout(3000);

当超过设定时间都依然没有收到客户端或是服务端的数据时，会抛出异常：

	java.net.SocketTimeoutException: Read timed out
	at java.net.SocketInputStream.socketRead0(Native Method)
	at java.net.SocketInputStream.socketRead(SocketInputStream.java:116)
	at java.net.SocketInputStream.read(SocketInputStream.java:171)
	at java.net.SocketInputStream.read(SocketInputStream.java:141)
	at sun.nio.cs.StreamDecoder.readBytes(StreamDecoder.java:284)
	at sun.nio.cs.StreamDecoder.implRead(StreamDecoder.java:326)
	at sun.nio.cs.StreamDecoder.read(StreamDecoder.java:178)
	at java.io.InputStreamReader.read(InputStreamReader.java:184)
	at java.io.BufferedReader.fill(BufferedReader.java:161)
	at java.io.BufferedReader.readLine(BufferedReader.java:324)
	at java.io.BufferedReader.readLine(BufferedReader.java:389)
	at com.test.Main.main(Main.java:41)

我们之前使用的都是通过构造方法直接连接服务端，那么是否可以等到我们想要的时候再去连接呢？

try (Socket socket = new Socket(); // 调用无参构造不会自动连接

     Scanner scanner = new Scanner(System.in)){

    socket.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080), 1000);  // 手动调用 connect 方法进行连接

如果连接的双方发生意外而通知不到对方，导致一方还持有连接，这样就会占用资源，因此我们可以使用 setKeepAlive() 方法来防止此类情况发生：

socket.setKeepAlive(true);

当客户端连接后，如果设置了 keeplive 为 true，当对方没有发送任何数据过来，超过一个时间 (看系统内核参数配置)，那么我们这边会发送一个 ack 探测包发到对方，探测双方的 TCP/IP 连接是否有效。

TCP 在传输过程中，实际上会有一个缓冲区用于数据的发送和接收：

此缓冲区大小为：8192，我们可以手动调整其大小来优化传输效率：

	socket.setReceiveBufferSize(25565); //TCP 接收缓冲区
	socket.setSendBufferSize(25565); //TCP 发送缓冲区

# 使用 Socket 传输文件

既然 Socket 为我们提供了 IO 流便于数据传输，那么我们就可以轻松地实现文件传输了。

# 使用浏览器访问 Socket 服务器

在了解了如何使用 Socket 传输文件后，我们来看看，浏览器是如何向服务器发起请求的：

	public static void main(String[] args) {
	try(ServerSocket server = new ServerSocket(8080)){ // 将服务端创建在端口 8080 上
	System.out.println("正在等待客户端连接...");
	Socket socket = server.accept();
	System.out.println("客户端已连接，IP地址为："+socket.getInetAddress().getHostAddress());
	InputStream in = socket.getInputStream(); // 通过
	System.out.println("接收到客户端数据：");
	while (true){
	int i = in.read();
	if(i == -1) break;
	System.out.print((char) i);
	}
	}catch (Exception e){
	e.printStackTrace();
	}
	}

我们现在打开浏览器，输入 http://localhost:8080 或是 http://127.0.0.1:8080/，来连接我们本地开放的服务器。

我们发现浏览器是无法打开这个链接的，但是我们服务端却收到了不少的信息：

	GET / HTTP/1.1
	Host: 127.0.0.1:8080
	Connection: keep-alive
	Cache-Control: max-age=0
	sec-ch-ua: "Chromium";v="94", "Google Chrome";v="94", ";Not A Brand";v="99"
	sec-ch-ua-mobile: ?0
	sec-ch-ua-platform: "macOS"
	Upgrade-Insecure-Requests: 1
	User-Agent: Mozilla/5.0 (Macintosh; Intel Mac OS X 10_15_7) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/94.0.4606.81 Safari/537.36
	Accept: text/html,application/xhtml+xml,application/xml;q=0.9,image/avif,image/webp,image/apng,/;q=0.8,application/signed-exchange;v=b3;q=0.9
	Sec-Fetch-Site: none
	Sec-Fetch-Mode: navigate
	Sec-Fetch-User: ?1
	Sec-Fetch-Dest: document
	Accept-Encoding: gzip, deflate, br
	Accept-Language: zh-CN,zh;q=0.9,und;q=0.8,en;q=0.7

实际上这些内容都是 Http 协议规定的请求头内容。HTTP 是一种应用层协议，全称为超文本传输协议，它本质也是基于 TCP 协议进行数据传输，因此我们的服务端能够读取 HTTP 请求。但是 Http 协议并不会保持长连接，在得到我们响应的数据后会立即关闭 TCP 连接。

既然使用的是 Http 连接，如果我们的服务器要支持响应 HTTP 请求，那么就需要按照 HTTP 协议的规则，返回一个规范的响应文本，首先是响应头，它至少要包含一个响应码：

HTTP/1.1 200 Accpeted

然后就是响应内容（注意一定要换行再写），我们尝试来编写一下支持 HTTP 协议的响应内容：

	public static void main(String[] args) {
	try(ServerSocket server = new ServerSocket(8080)){ // 将服务端创建在端口 8080 上
	System.out.println("正在等待客户端连接...");
	Socket socket = server.accept();
	System.out.println("客户端已连接，IP地址为："+socket.getInetAddress().getHostAddress());
	BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream())); // 通过
	System.out.println("接收到客户端数据：");
	while (reader.ready()) System.out.println(reader.readLine()); //ready 是判断当前流中是否还有可读内容
	OutputStreamWriter writer = new OutputStreamWriter(socket.getOutputStream());
	writer.write("HTTP/1.1 200 Accepted\r\n"); //200 是响应码，Http 协议规定 200 为接受请求，400 为错误的请求，404 为找不到此资源（不止这些，还有很多）
	writer.write("\r\n"); // 在请求头写完之后还要进行一次换行，然后写入我们的响应实体（会在浏览器上展示的内容）
	writer.write("lbwnb!");
	writer.flush();
	}catch (Exception e){
	e.printStackTrace();
	}
	}

我们可以打开浏览器的开发者模式（这里推荐使用 Chrome/Edge 浏览器，按下 F12 即可打开），我们来观察一下浏览器的实际请求过程。