Java 实现简单的 Socket 通信

Java socket 封装了传输层的实现细节，开发人员可以基于 socket 实现应用层。本文介绍了 Java socket 简单用法。

1. 传输层协议

传输层包含了两种协议，分别是 TCP (Transmission Control Protocol，传输控制协议) 和 UDP (User Datagram Protocol，用户数据报协议)。

TCP 是一种面向连接，可靠的流协议。通信双方在“发送-接收”数据之前需要先建立 TCP 连接，然后通过互相发送二进制数据流来进行通信。所谓连接，指的是各种设备、线路，或网络中进行通信的应用程序为了相互传递消息而建立的专有、虚拟的通信线路。连接一旦建立，进行通信的应用程序只使用该虚拟的通信线路发送和接收数据。TCP 还需要处理端到端之间的流量控制。

UDP 是一种无连接的，不可靠的数据报协议。发送方不需要与接收方建立连接，通信双方通过发送一个个独立的数据报来进行通讯。

TCP 通过序列号、确认应答、数据校验等机制确保了传输的可靠性，适用于需要可靠数据传输的场景，应用层协议 HTTP，FTP 基于 TCP。UDP 没有复杂的控制机制，不纠错，不重发，不保证数据的准确性，不确保数据到达目的地；不过 UDP 传送等量数据花费更小的流量，适用于对时延要求高但对准确性要求不高的场景，如视频、音频通讯。

Java 中有 3 种套接字类，java.net.Socket 和 java.net.ServerSocket 基于 TCP，java.net.DatagramSocket 基于 UDP。

2. TCP 示例

TCP 是面向连接的，所以在进行通讯之前发送端（客户端）需要先连接到接收端（服务端）。客户端通过 new Socket("localhost", 9090) 来创建一个连接到服务端的套接字，这个套接字连接到主机 localhost 的 9090 端口。

ServerSocket 实现服务端套接字，通过 new ServerSocket(9090) 来创建一个监听端口为 9090 实例；ServerSocket.accept() 方法会阻塞等待客户端的连接，一旦有连接过来，会返回一个服务端的 Socket 实例。连接建立完成，客户端 Socket 实例和服务端 Socket 实例就可以面向输入输出流发送数据了。

2.1 示例效果

客户端程序接收控制台输入的内容，客户端控制台每输入一行，就往服务端发送，服务端接收到消息之后，将消息打印到控制台。

客户端输入 "Bye" 时，客户端断开与服务端的连接，客户端程序退出，服务端程序继续等待连接。

客户端控制台输入输出：

$ java Server.java
Bind Port 9090
New client connected.
Received Message --> Are you OK!

服务端控制台输出：

$ java Client.java
Are you OK!
Send Msg --> Are you OK!
Bye
$

2.2 服务端程序代码

import java.net.*;
import java.io.*;

class Server {

    public static void main(String[] args) {
        // ServerSocket 实现了 AutoCloseable 接口，所以支持 try-with-resource 语句
        // 创建一个 ServerSocket，监听 9090 端口
        try(ServerSocket serv = new ServerSocket(9090)){
            System.out.printf("Bind Port %d\n", serv.getLocalPort());
            Socket socket = null;
            while(true){
                // 接收连接，如果没有连接，accept() 方法会阻塞
                socket = serv.accept();

                // 获取输入流，并使用 BufferedInputStream 和 InputStreamReader 装饰，方便以字符流的形式处理，方便一行行读取内容
                try(BufferedReader in = new BufferedReader( new InputStreamReader(socket.getInputStream()) )){
                    String msg = null;
                    char[] cbuf = new char[1024];
                    int len = 0;
                    while( (len = in.read(cbuf, 0, 1024)) != -1 ){ // 循环读取输入流中的内容
                        msg = new String(cbuf, 0, len);
                        if("Bye".equals(msg)) { // 如果检测到 "Bye" ，则跳出循环，不再读取输入流中内容。
                            break;
                        }
                        System.out.printf("Received Message --> %s \n", msg);
                    }
                }catch (IOException e){
                    e.printStackTrace();
                }

            }

        }catch (IOException e){
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

2.3 客户端程序代码

import java.net.*;
import java.io.*;
import java.util.*;

class Client{

    public static void main(String[] args){

        try(Socket socket = new Socket("localhost", 9090)){
            BufferedWriter out = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(socket.getOutputStream()));
            Scanner scanner = new Scanner(System.in);
            scanner.useDelimiter("\r\n");
            String msg = null;
            while( !(msg = scanner.next()).equals("Bye") ){
                System.out.printf("Send Msg --> %s \n", msg);
                out.write(msg);
                out.flush(); // 立即发送，否则需要积累到一定大小才一次性发送
            }
        }catch (IOException e){
            e.printStackTrace();
        }

    }

}

3. UDP 示例

UDP 不需要连接，客户端与服务端通过发送数据报来完成通信。Java 中使用 java.net.DatagramSocket 来表示 UDP 客户端或服务端的套接字，使用 java.net.DatagramPacket 来表示 UDP 的数据报。客户端和服务端可以直接向对方发送数据报，不需要进行连接。

下面代码基于 UDP 实现了与上面程序同样的功能。不过消息可能会出错，某些消息可能也不能到达服务端。

3.1 服务端程序代码

import java.net.*;
import java.io.*;

class Server {

    public static void main(String[] args){

        // 创建一个 DatagramPacket 实例，用来接收客户端发送过来的 UDP 数据报，这个实例可以重复利用。
        byte[] buf = new byte[8192]; // 缓存区
        int len = buf.length;        // 要利用的缓存区的大小
        DatagramPacket pac = new DatagramPacket(buf, len);

        // 创建服务端的套接字，需要指定绑定的端口号
        try(DatagramSocket serv = new DatagramSocket(9191)){

            while(true){
                serv.receive(pac); // 接收数据报。如果没有数据报发送过来，会阻塞
                System.out.println("Message --> " + new String(pac.getData(), 0, pac.getLength()));
            }

        }catch (IOException e){
            e.printStackTrace();
        }
    }

}

3.2 客户端程序代码

import java.io.*;
import java.net.*;
import java.util.*;

class Client {
    public static void main(String[] args){

        // 创建一个客户端的 UDP 套接字，不需要指定任何信息
        try(DatagramSocket client = new DatagramSocket()){

            // 创建一个数据报实例，数据和长度在发送之前都会重新设置，所以这里直接置为 0 即可。
            // 由于是发送端，所以需要设置服务端的地址和端口
            DatagramPacket pac = new DatagramPacket(new byte[0], 0, InetAddress.getByName("localhost"), 9191);

            // 扫描控制台输入
            Scanner scanner = new Scanner(System.in);
            scanner.useDelimiter("\r\n");
            String msg = null;
            while( !(msg = scanner.next()).equals("Bye") ){
                // 设置要发送的数据
                pac.setData(msg.getBytes());
                // 发送数据报
                client.send(pac);
                System.out.println("Sent Message --> " + msg);
            }
        }catch (IOException e){
            e.printStackTrace();
        }

    }
}

需要注意的是，UDP 是面向无连接的，但 DatagramSocket 的 API 中提供了带有 connect 字样的方法，这里的 connect 并非 TCP 中连接的意思。而是指定了当前的 UDP 套接字只能够向指定的主机和端口发送数据报。