基於Java回顧之網路通訊的應用分析

TCP連線

TCP的基礎是Socket，在TCP連線中，我們會使用ServerSocket和Socket，當客戶端和伺服器建立連線以後，剩下的基本上就是對I/O的控制了。

我們先來看一個簡單的TCP通信，它分為客戶端和伺服器端。

客戶端程式碼如下：

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();
         }
     }
 }

伺服器端程式碼如下：

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();
         }
     }
 }

這裡的伺服器的功能非常簡單，它接收客戶端發送的訊息，然後將訊息「原封不動」的傳回給客戶端。當客戶端發送“end”時，通訊結束。

上面的程式碼基本上勾勒了TCP通訊過程中，客戶端和伺服器端的主要框架，我們可以發現，上述的程式碼中，伺服器端在任何時刻，都只能處理來自客戶端的一個請求，它是串行處理的，不能並行，這和我們印像裡的伺服器處理方式不太相同，我們可以為伺服器添加多線程，當一個客戶端的請求進入後，我們就創建一個線程，來處理對應的請求。

改善後的伺服器端程式碼如下：

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();
         }
     }
 }

修改後的伺服器端，就可以同時處理來自客戶端的多個請求了。

在程式設計的過程中，我們會有「資源」的概念，例如資料庫連接就是一個典型的資源，為了提升效能，我們通常不會直接銷毀資料庫連接，而是使用資料庫連接池的方式來對多個資料庫連線進行管理，已實現重複使用的目的。對於Socket連線來說，它也是一種資源，當我們的程式需要大量的Socket連線時，如果每個連線都需要重新建立，那麼將會是一件非常沒有效率的做法。

和資料庫連接池類似，我們也可以設計TCP連接池，這裡的思路是我們用一個數組來維持多個Socket連接，另外一個狀態數組來描述每個Socket連接是否正在使用，當程式需要Socket連接時，我們遍歷狀態數組，取出第一個沒被使用的Socket連接，如果所有連接都在使用，拋出異常。這是一個很直觀簡單的“調度策略”，在許多開源或商業的框架中（Apache/Tomcat），都會有類似的“資源池”。

TCP連接池的代碼如下：

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連接

UDP是一種和TCP不同的連接方式，它通常應用在對實時性要求很高，對準確定要求不高的場合，例如線上影片。 UDP會有「丟包」的情況發生，在TCP中，如果Server沒有啟動，Client發送訊息時，會報出異常，但對UDP來說，不會產生任何異常。

UDP通訊使用的兩個類別時DatagramSocket和DatagramPacket，後者存放了通訊的內容。

下面是一個簡單的UDP通訊例子，同TCP一樣，也分為Client和Server兩部分，Client端程式碼如下：

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端程式碼如下：

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());
         }
     }
 }

這裡，我們也假設和TCP一樣，當Client發出「end」訊息時，認為通訊結束，但其實這樣的設計並不是必要的，Client端可以隨時斷開，並不需要關心Server端狀態。
多播（Multicast）

多播採用和UDP類似的方式，它會使用D類IP位址和標準的UDP連接埠號，D類IP位址是指224.0.0.0到239.255.255.255之間的地址，不包括224.0.0.0。

多播會使用到的類別是MulticastSocket，它有兩個方法要注意：joinGroup和leaveGroup。

下面有一個多播的例子，Client端程式碼如下：

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());
         }
     }
 }

伺服器端程式碼如下：

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它在緩衝區管理、網路通訊、檔案存取以及字元集操作方面有了新的設計。對於網路通訊來說，NIO使用了緩衝區和通道的概念。

下面是一個NIO的例子，和我們上面提到的程式碼風格有很大的不同。

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();
                 }
         }
     }
 }

上述程式碼會試圖存取一個本地的網址，然後將其內容列印出來。

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