Socket与操作系统有什么关系呢?请细读下文
简介
TCP简介
TCP(Transmission Control Protocol 传输控制协议)是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议,由IETF的RFC 793定义。在简化的计算机网络OSI模型中,它完成第四层传输层所指定的功能,用户数据报协议(UDP,下一篇博客会实现)是同一层内 另一个重要的传输协议。在因特网协议族(Internet protocol suite)中,TCP层是位于IP层之上,应用层之下的中间层。不同主机的应用层之间经常需要可靠的、像管道一样的连接,但是IP层不提供这样的流机制,而是提供不可靠的包交换。
应用层向TCP层发送用于网间传输的、用8位字节表示的数据流,然后TCP把数据流分区成适当长度的报文段(通常受该计算机连接的网络的数据链路层的最大传输单元( MTU)的限制)。之后TCP把结果包传给IP层,由它来通过网络将包传送给接收端实体的TCP层。TCP为了保证不发生丢包,就给每个包一个序号,同时序号也保证了传送到接收端实体的包的按序接收。然后接收端实体对已成功收到的包发回一个相应的确认(ACK);如果发送端实体在合理的往返时延(RTT)内未收到确认,那么对应的数据包就被假设为已丢失将会被进行重传。TCP用一个校验和函数来检验数据是否有错误;在发送和接收时都要计算校验和。
JAVA Socket简介
所谓socket 通常也称作”套接字“,用于描述IP地址和端口,是一个通信链的句柄。应用程序通常通过”套接字”向网络发出请求或者应答网络请求。
以J2SDK-1.3为例,Socket和ServerSocket类库位于java.net包中。ServerSocket用于服务器端,Socket是建立网络连接时使用的。在连接成功时,应用程序两端都会产生一个Socket实例,操作这个实例,完成所需的会话。对于一个网络连接来说,套接字是平等的,并没有差别,不因为在服务器端或在客户端而产生不同级别。不管是Socket还是ServerSocket它们的工作都是通过SocketImpl类及其子类完成的。
重要的Socket API:
java.net.Socket继承于java.lang.Object,有八个构造器,其方法并不多,下面介绍使用最频繁的三个方法,其它方法大家可以见JDK-1.3文档。
. Accept方法用于产生”阻塞”,直到接受到一个连接,并且返回一个客户端的Socket对象实例。”阻塞”是一个术语,它使程序运行暂时”停留”在这个地方,直到一个会话产生,然后程序继续;通常”阻塞”是由循环产生的。
. getInputStream方法获得网络连接输入,同时返回一个InputStream对象实例。
. getOutputStream方法连接的另一端将得到输入,同时返回一个OutputStream对象实例。
注意:其中getInputStream和getOutputStream方法均会产生一个IOException,它必须被捕获,因为它们返回的流对象,通常都会被另一个流对象使用。
SocketImpl介绍
既然不管是Socket还是ServerSocket它们的工作都是通**过SocketImpl类及其子类完成的,那么当然要介绍啦。
抽象类 SocketImpl 是实际实现套接字的所有类的通用超类。创建客户端和服务器套接字都可以使用它。
具体JDK见:
http://www.javaweb.cc/help/JavaAPI1.6/index.html?java/nio/ReadOnlyBufferException.html
由于它是超类具体代码实现还是见下面的Socket
TCP 编程‘
构造ServerSocket
具体API见:http://www.javaweb.cc/help/JavaAPI1.6/index.html?java/nio/ReadOnlyBufferException.html
构造方法:
ServerSocket() ~创建非绑定服务器套接字。
ServerSocket(int port) ~创建绑定到特定端口的服务器套接字。
ServerSocket(int port, int backlog) ~利用指定的 backlog 创建服务器套接字并将其绑定到指定的本地端口号。
ServerSocket(int port, int backlog, InetAddress bindAddr) ~使用指定的端口、侦听 backlog 和要绑定到的本地 IP 地址创建服务器。
1.1 绑定端口
除了第一个不带参数的构造方法以外, 其他构造方法都会使服务器与特定端口绑定, 该端口有参数 port 指定. 例如, 以下代码创建了一个与 80 端口绑定的服务器:
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(80);
如果运行时无法绑定到 80 端口, 以上代码会抛出 IOException, 更确切地说, 是抛出 BindException, 它是 IOException 的子类. BindException 一般是由以下原因造成的:
- 端口已经被其他服务器进程占用;
- 在某些操作系统中, 如果没有以超级用户的身份来运行服务器程序, 那么操作系统不允许服务器绑定到 1-1023 之间的端口.
如果把参数 port 设为 0, 表示由操作系统来为服务器分配一个任意可用的端口. 有操作系统分配的端口也称为匿名端口. 对于多数服务器, 会使用明确的端口, 而不会使用匿名端口, 因为客户程序需要事先知道服务器的端口, 才能方便地访问服务器.
1.2 设定客户连接请求队列的长度
当服务器进程运行时, 可能会同时监听到多个客户的连接请求. 例如, 每当一个客户进程执行以下代码:
Socket socket = new Socket("www.javathinker.org", 80);
就意味着在远程 www.javathinker.org 主机的 80 端口上, 监听到了一个客户的连接请求. 管理客户连接请求的任务是由操作系统来完成的. 操作系统把这些连接请求存储在一个先进先出的队列中. 许多操作系统限定了队列的最大长度, 一般为 50 . 当队列中的连接请求达到了队列的最大容量时, 服务器进程所在的主机会拒绝新的连接请求. 只有当服务器进程通过 ServerSocket 的 accept() 方法从队列中取出连接请求, 使队列腾出空位时, 队列才能继续加入新的连接请求.
对于客户进程, 如果它发出的连接请求被加入到服务器的请求连接队列中, 就意味着客户与服务器的连接建立成功, 客户进程从 Socket 构造方法中正常返回. 如果客户进程发出的连接请求被服务器拒绝, Socket 构造方法就会抛出 ConnectionException.
Tips: 创建绑定端口的服务器进程后, 当客户进程的 Socket构造方法返回成功, 表示客户进程的连接请求被加入到服务器进程的请求连接队列中. 虽然客户端成功返回 Socket对象, 但是还没跟服务器进程形成一条通信线路. 必须在服务器进程通过 ServerSocket 的 accept() 方法从请求连接队列中取出连接请求, 并返回一个Socket 对象后, 服务器进程这个Socket 对象才与客户端的 Socket 对象形成一条通信线路.
ServerSocket 构造方法的 backlog 参数用来显式设置连接请求队列的长度, 它将覆盖操作系统限定的队列的最大长度. 值得注意的是, 在以下几种情况中, 仍然会采用操作系统限定的队列的最大长度:
- backlog 参数的值大于操作系统限定的队列的最大长度;
- backlog 参数的值小于或等于0;
-
在ServerSocket 构造方法中没有设置 backlog 参数.
以下的 Client.java 和 Server.java 用来演示服务器的连接请求队列的特性.
Client.java
import java.net.Socket; public class Client { public static void main(String[] args) throws Exception{ final int length = 100; String host = "localhost"; int port = 1122; Socket[] socket = new Socket[length]; for(int i = 0;i<length;i++){ socket[i] = new Socket(host,port); System.out.println("第"+(i+1)+"次连接成功!"); } Thread.sleep(3000); for(int i=0;i<length;i++){ socket[i].close(); } } }
Server.java
import java.io.IOException; import java.net.ServerSocket; import java.net.Socket; public class Server { private int port = 1122; private ServerSocket serverSocket; public Server() throws Exception{ serverSocket = new ServerSocket(port,3); System.out.println("服务器启动!"); } public void service(){ while(true){ Socket socket = null; try { socket = serverSocket.accept(); System.out.println("New connection accepted "+ socket.getInetAddress()+":"+socket.getPort()); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); }finally{ if(socket!=null){ try { socket.close(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } } } } public static void main(String[] args) throws Exception{ Server server = new Server(); Thread.sleep(60000*10); server.service(); } }
⑴ 在Server 中只创建一个 ServerSocket 对象, 在构造方法中指定监听的端口为1122 和 连接请求队列的长度为 3 . 构造 Server 对象后, Server 程序睡眠 10 分钟, 并且在 Server 中不执行 serverSocket.accept() 方法. 这意味着队列中的连接请求永远不会被取出. 运行Server 程序和 Client 程序后, Client程序的打印结果如下:
第 1 次连接成功
第 2 次连接成功
第 3 次连接成功
Exception in thread “main” java.net.ConnectException: Connection refused: connect
…………….
从以上打印的结果可以看出, Client 与 Server 在成功地建立了3 个连接后, 就无法再创建其余的连接了, 因为服务器的队已经满了.
⑵ 在Server中构造一个跟 ⑴ 相同的 ServerSocket对象, Server程序不睡眠, 在一个 while 循环中不断执行 serverSocket.accept()方法, 该方法从队列中取出连接请求, 使得队列能及时腾出空位, 以容纳新的连接请求. Client 程序的打印结果如下:
第 1 次连接成功
第 2 次连接成功
第 3 次连接成功
………..
第 100 次连接成功
从以上打印结果可以看出, 此时 Client 能顺利与 Server 建立 100 次连接.(每次while的循环要够快才行, 如果太慢, 从队列取连接请求的速度比放连接请求的速度慢的话, 不一定都能成功连接)
1.3 设定绑定的IP 地址
如果主机只有一个IP 地址, 那么默认情况下, 服务器程序就与该IP 地址绑定. ServerSocket 的第 4 个构造方法 ServerSocket(int port, int backlog, InetAddress bingAddr) 有一个 bindAddr 参数, 它显式指定服务器要绑定的IP 地址, 该构造方法适用于具有多个IP 地址的主机. 假定一个主机有两个网卡, 一个网卡用于连接到 Internet, IP为 222.67.5.94, 还有一个网卡用于连接到本地局域网, IP 地址为 192.168.3.4. 如果服务器仅仅被本地局域网中的客户访问, 那么可以按如下方式创建 ServerSocket:
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8000, 10, InetAddress.getByName(“192.168.3.4”));
1.4 默认构造方法的作用
ServerSocket 有一个不带参数的默认构造方法. 通过该方法创建的 ServerSocket 不与任何端口绑定, 接下来还需要通过 bind() 方法与特定端口绑定.
这个默认构造方法的用途是, 允许服务器在绑定到特定端口之前, 先设置ServerSocket 的一些选项. 因为一旦服务器与特定端口绑定, 有些选项就不能再改变了.比如:SO_REUSEADDR 选项
在以下代码中, 先把 ServerSocket 的 SO_REUSEADDR 选项设为 true, 然后再把它与 8000 端口绑定:
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(); serverSocket.setReuseAddress(true); //设置 ServerSocket 的选项 serverSocket.bind(new InetSocketAddress(8000)); //与8000端口绑定
如果把以上程序代码改为:
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8000); serverSocket.setReuseAddress(true);//设置 ServerSocket 的选项
那么 serverSocket.setReuseAddress(true) 方法就不起任何作用了, 因为 SO_REUSEADDR 选项必须在服务器绑定端口之前设置才有效.
多线程示例
客户端:
import java.io.BufferedReader; import java.io.IOException; import java.io.InputStream; import java.io.InputStreamReader; import java.io.OutputStream; import java.io.PrintWriter; import java.net.Socket; import java.net.UnknownHostException; /* * 客户端 */ public class Client { public static void main(String[] args) { try { //1.创建客户端Socket,指定服务器地址和端口 Socket socket=new Socket("localhost", 8888); //2.获取输出流,向服务器端发送信息 OutputStream os=socket.getOutputStream();//字节输出流 PrintWriter pw=new PrintWriter(os);//将输出流包装为打印流 pw.write("用户名:whf;密码:789"); pw.flush(); socket.shutdownOutput();//关闭输出流 //3.获取输入流,并读取服务器端的响应信息 InputStream is=socket.getInputStream(); BufferedReader br=new BufferedReader(new InputStreamReader(is)); String info=null; while((info=br.readLine())!=null){ System.out.println("我是客户端,服务器说:"+info); } //4.关闭资源 br.close(); is.close(); pw.close(); os.close(); socket.close(); } catch (UnknownHostException e) { e.printStackTrace(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } }
服务端:
import java.io.BufferedReader; import java.io.IOException; import java.io.InputStream; import java.io.InputStreamReader; import java.io.OutputStream; import java.io.PrintWriter; import java.net.InetAddress; import java.net.ServerSocket; import java.net.Socket; /* * 基于TCP协议的Socket通信,实现用户登陆 * 服务器端 */ public class Server { public static void main(String[] args) { try { //1.创建一个服务器端Socket,即ServerSocket,指定绑定的端口,并监听此端口 ServerSocket serverSocket=new ServerSocket(8888); Socket socket=null; //记录客户端的数量 int count=0; System.out.println("***服务器即将启动,等待客户端的连接***"); //循环监听等待客户端的连接 while(true){ //调用accept()方法开始监听,等待客户端的连接 socket=serverSocket.accept(); //创建一个新的线程 ServerThread serverThread=new ServerThread(socket); //启动线程 serverThread.start(); count++;//统计客户端的数量 System.out.println("客户端的数量:"+count); InetAddress address=socket.getInetAddress(); System.out.println("当前客户端的IP:"+address.getHostAddress()); } } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } }
服务器处理类:
import java.io.BufferedReader; import java.io.IOException; import java.io.InputStream; import java.io.InputStreamReader; import java.io.OutputStream; import java.io.PrintWriter; import java.net.Socket; /* * 服务器线程处理类 */ public class ServerThread extends Thread { // 和本线程相关的Socket Socket socket = null; public ServerThread(Socket socket) { this.socket = socket; } //线程执行的操作,响应客户端的请求 public void run(){ InputStream is=null; InputStreamReader isr=null; BufferedReader br=null; OutputStream os=null; PrintWriter pw=null; try { //获取输入流,并读取客户端信息 is = socket.getInputStream(); isr = new InputStreamReader(is); br = new BufferedReader(isr); String info=null; while((info=br.readLine())!=null){//循环读取客户端的信息 System.out.println("我是服务器,客户端说:"+info); } socket.shutdownInput();//关闭输入流 //获取输出流,响应客户端的请求 os = socket.getOutputStream(); pw = new PrintWriter(os); pw.write("欢迎您!"); pw.flush();//调用flush()方法将缓冲输出 } catch (IOException e) { // TODO Auto-generated catch block e.printStackTrace(); }finally{ //关闭资源 try { if(pw!=null) pw.close(); if(os!=null) os.close(); if(br!=null) br.close(); if(isr!=null) isr.close(); if(is!=null) is.close(); if(socket!=null) socket.close(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } } }
附:TCP vs UDP
TCP(Transmission Control Protocol,传输控制协议)是基于连接的协议,也就是说,在正式收发数据前,必须和对方建立可靠的连接。一个TCP连接必须要经过三次“对话”才能建立起来,其中的过程非常复杂,我们这里只做简单、形象的介绍,你只要做到能够理解这个过程即可。我们来看看这三次对话的简单过程:主机A向主机B发出连接请求数据包:“我想给你发数据,可以吗?”,这是第一次对话;主机B向主机A发送同意连接和要求同步(同步就是两台主机一个在发送,一个在接收,协调工作)的数据包:“可以,你什么时候发?”,这是第二次对话;主机A再发出一个数据包确认主机B的要求同步:“我现在就发,你接着吧!”,这是第三次对话。三次“对话”的目的是使数据包的发送和接收同步,经过三次“对话”之后,主机A才向主机B正式发送数据。
UDP(User Data Protocol,用户数据报协议)是与TCP相对应的协议。它是面向非连接的协议,它不与对方建立连接,而是直接就把数据包发送过去!
UDP适用于一次只传送少量数据、对可靠性要求不高的应用环境。比如,我们经常使用“ping”命令来测试两台主机之间TCP/IP通信是否正常,其实“ping”命令的原理就是向对方主机发送UDP数据包,然后对方主机确认收到数据包,如果数据包是否到达的消息及时反馈回来,那么网络就是通的。例如,在默认状态下,一次“ping”操作发送4个数据包(如图2所示)。大家可以看到,发送的数据包数量是4包,收到的也是4包(因为对方主机收到后会发回一个确认收到的数据包)。这充分说明了UDP协议是面向非连接的协议,没有建立连接的过程。正因为UDP协议没有连接的过程,所以它的通信效果高;但也正因为如此,它的可靠性不如TCP协议高。QQ就使用UDP发消息,因此有时会出现收不到消息的情况。
tcp协议和udp协议的差别
TCP UDP
是否连接 面向连接 面向非连接
传输可靠性 可靠 不可靠
应用场合 传输大量数据 少量数据
速度 慢 快
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