Java Web入门

在这里我们可以学习Java程序与另一台机器上的程序对话。Java好处之一就是：通过网络发送和接收数据都是I/O，只是I/O链末尾的连接稍有不同。我们可以建立一个client类和一个server类来模拟服务器与客户端的数据传递。

传输协议

TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议）是两种常用的传输层协议，它们在计算机网络中负责在主机之间传输数据。它们各自有不同的特性和适用场景。以下是对它们的详细介绍：

TCP（传输控制协议）

连接导向: TCP是一个面向连接的协议，这意味着在实际数据传输之前，必须在通信的两端建立一个连接。这个连接确保数据的可靠传输。
可靠性: TCP提供可靠的数据传输，确保数据包的顺序、完整性和无丢失。在数据传输过程中，TCP会进行错误检测、重传丢失的数据包、以及保证数据包的顺序正确。
流量控制: TCP通过流量控制机制来避免发送方过快地发送数据，从而防止接收方处理不及。
拥塞控制: TCP还具备拥塞控制功能，能够动态调整数据传输的速率，以应对网络中的拥塞情况。
数据传输: TCP将数据分段，并在接收端重新组装成完整的数据流。每个数据包都有序号，以便接收端可以按顺序重新组装数据。
使用场景: 由于其可靠性，TCP适用于需要保证数据传输完整性和顺序的应用，如网页浏览（HTTP/HTTPS）、电子邮件（SMTP）、文件传输（FTP）等。

UDP（用户数据报协议）

无连接: UDP是一个无连接的协议，这意味着在数据传输之前不需要建立连接。每个数据包（称为数据报）独立发送，不保证数据的到达顺序或完整性。
不可靠: UDP不提供数据包丢失的重传、顺序保证或错误校验。数据可能会丢失、重复或乱序到达。
低开销: 由于UDP没有连接建立和管理的开销，相比TCP，UDP的开销更小，传输效率更高。
数据传输: UDP将数据分割成数据报，每个数据报独立发送，接收端不进行重新组装，接收应用需要自行处理数据的顺序和完整性。
使用场景: UDP适用于那些对数据传输速度要求高而对可靠性要求低的应用，如实时视频流、在线游戏、语音通话（VoIP）等。在这些场景中，数据传输的速度和时效性比数据的完整性更为重要。

所以一般情况下，我们使用TCP协议传输较多。

关于数据传输，我们可以参考下图的TCP三次握手，当我们完成了三次握手，就说明客户端已经和服务器建立了连接，可以进行数据传输了。

tcp三次连接握手

通俗的理解：

客户端：听得到吗？ ——> 服务器（连接）
客户端 ——> 服务器：听得到，你听的到我吗？（接收）
客户端：可以听到，我们可以说话了 ——> 服务器（发送）

Web实现思路

连接

要建立连接，我们需要知道这个服务器的IP地址和TCP端口号。当我们发送信息时Java会将二进制数据传入“网络栈”中，并向外发送请求。

我们大致的连接思路如下：

1 2	`InetSocketAddress serverAddress = new InetSocketAddress("192.164.1.103",5000); SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(serverAddress);`

通过InetSocketAddress我们记录了所要地址的ip和端口，然后我们通过SocketChannel进行连接。注意在SocketChannel后面是SocketChannel.open(serverAddress)，说明我们并没有使用构造器来创建，而是调用了一个open()方法。这会创建一个新的SocketChannel，并把它连接到一个提供的地址。

注意：一般情况下TCP端口号在0-1023是用作公认服务的，当自己在创建服务器的时候应当尽量避免这些端口。我们使用的端口可以在1024-65535之间随便选择。

接收

用BufferedReader读取

BufferedReader通过使用缓冲区来减少对底层输入流的频繁访问，从而提高读取效率。它通常会将多个字符读取到内存中，然后逐个读取，从而减少I/O操作的开销.

建立与服务器的连接(就是重复上一步)：

1 2	`SocketAddress serverAddr = new InetSocketAddress("127.0.0.1",5000); SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(serverAddr);`

从这个连接创建或获取一个Reader：

1	`Reader reader = Channels.newReader(socketChannel,StandardCharsets.UTF_8);`

这个Reader是字符流和字节流交流的桥梁，比如来自Channel的流就是字节流，链流顶端的BufferedReader就是字符流。我们在文件传输最底层是由字节流传递的，而最后由我们客户端接收显示就是要由字符流形成。也就是我们用reader将字节变成了字符。

创建一个BufferedReader并读取：

1 2	`BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(reader); String message = bufferedReader.readLine();`

我们用我们上一步的reader，我们知道reader此时已经是字符，我们只需再将其通过BufferedReader构造器，变成缓冲的字符，然后我们就可以再客户端读取数据了。

发送

用PrintWriter写至网络

同样的线创建一个连接：

1 2	`SocketAddress serverAddr = new InetSocketAddress("127.0.0.1",5000); SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(serverAddr);`

从连接创建或获得一个Writer：

1	`Writer writer = Channels.newWriter(socketChannel,StandardCharsets.UTF_8);`

Writer也同Reader一样，在字符流和字节流中间充当桥梁。

创建一个PrinterWriter并打印一些内容：

1
2
3

PrintWriter printWriter = new PrintWriter(writer);
writer.println("message to send");
writer.println("another message");

PrintWriter接收字符，然后串链到Writer，最后Writer转换字符流为字节流传递给服务器。

另一种连接方式

Socket连接：

Socket chatSocket = new Socket("127.0.0.1",5000);
InputStreamReader in = new InputStreamReader(chatSocket.getInputStream());

BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(in);
String message = bufferedReader.readLine();

PrintWriter writer = new PrintWriter(chatSocket.getOutputStream());

writer.println("message to send");
writer.println("another message");

当然我们已经有了Channel来进行连接了，为什么还要用Socket来连接呢？

基本概念

Socket：是Java中用于进行网络通信的传统方式。它代表一个端点，通过TCP或UDP协议在网络中进行数据传输。
Channel：是Java NIO（New Input/Output）中的一个概念，代表一个连接的打开的通道，支持非阻塞I/O操作，能够进行更高效的文件和网络操作。

阻塞与非阻塞

Socket：通常是阻塞的，这意味着当你进行读写操作时，调用会一直等待，直到操作完成。
Channel：支持非阻塞模式，允许你在没有数据可用时继续执行其他操作。可以通过Selector管理多个Channel，从而在单个线程中处理多个连接。

I/O模型

Socket：使用传统的字节流或字符流进行数据的读取和写入。
Channel：使用Buffer进行数据的传输，可以通过ByteBuffer和CharBuffer等直接操作内存，提高性能。

API设计

Socket：使用较简单，适合小型或简单的网络应用。比如，通过Socket和ServerSocket类进行创建和管理连接。
Channel：提供更灵活的API，如SocketChannel、ServerSocketChannel等，适合高性能应用，尤其是需要处理大量并发连接的场景。

适用场景

Socket：适合小型应用或较为简单的网络通信需求。
Channel：适合高性能的网络应用，尤其是在处理大量连接或需要非阻塞I/O的场景。

Socket适合传统、简单的网络编程，而Channel则是为了更高效的非阻塞I/O设计的，特别是在需要处理高并发和高性能时。

两个实例

服务器向客户端发送字符串

客户端：

package com.bayeeaa.demo1.web.Advice;

import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.Reader;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.Channels;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.charset.StandardCharsets;

public class DaliyAdviceClient {
    public void go() {
        InetSocketAddress serverAddress = new InetSocketAddress("127.0.0.1",5000); //获取地址和端口
        try(SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(serverAddress)){ //尝试连接,返回字节流，赋值于socketChannel
            Reader channelReader = Channels.newReader(socketChannel, StandardCharsets.UTF_8); //channelReader读入传输数据，转为字符流
            BufferedReader reader = new BufferedReader(channelReader); //BufferedReader可以显著提高读取性能,它通过在内存中维护一个缓冲区来减少对底层数据源的访问频率
            String advice = reader.readLine(); //读取行
            System.out.println("Today you should " + advice);
            reader.close(); //关闭输入流
        } catch (IOException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        new DaliyAdviceClient().go();
    }
}

服务端：

package com.bayeeaa.demo1.web.Advice;

import java.io.IOException;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.channels.Channel;
import java.nio.channels.Channels;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Random;

public class DaliyAdviceServer {
    final private String[] adviceList = { //随机一个建议
            "Happy",
            "Good",
            "Be yourself",
            "relax",
            "paly computer games"
    };
    private final Random random = new Random();

    private String getAdvice() {
        int nextAdvice = random.nextInt(adviceList.length);
        return adviceList[nextAdvice];
    }

    public void go(){
        try(ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open()) {
            serverChannel.bind(new InetSocketAddress(5000));
            while(serverChannel.isOpen()){
                SocketChannel clientChannel = serverChannel.accept();
                PrintWriter writer = new PrintWriter(Channels.newOutputStream(clientChannel));
                String advice = getAdvice();
                writer.println(advice);
                writer.close();
                System.out.println(advice);
            }
        } catch (IOException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        new DaliyAdviceServer().go();
    }
}

客户端向服务器发送字符串信息

客户端：

package com.bayeeaa.demo1.web.simplechat;

import javax.swing.*;
import java.awt.*;
import java.io.IOException;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.channels.Channels;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.charset.StandardCharsets;

public class SimpleChatClientA {
    private JTextField outgoing;
    private PrintWriter writer;
    public void go() {
        setUpNetworking();

        outgoing = new JTextField(20); //这里是在搞GUI

        JButton sendButton = new JButton("Send");
        sendButton.addActionListener(e -> sendMessage());

        JPanel mainPanel = new JPanel();
        mainPanel.add(outgoing);
        mainPanel.add(sendButton);
        JFrame frame = new JFrame("Simple Chat Client");
        frame.getContentPane().add(BorderLayout.CENTER,mainPanel);
        frame.setSize(400,100);
        frame.setVisible(true);
        frame.setDefaultCloseOperation(WindowConstants.EXIT_ON_CLOSE);
    }

    public void setUpNetworking() {
        InetSocketAddress serverAddress = new InetSocketAddress("127.0.0.1",5000);
        try {
            SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(serverAddress); //socketChannel为网络通道
            writer = new PrintWriter(Channels.newWriter(socketChannel, StandardCharsets.UTF_8)); //PrintWriter 是一个字符流类，用于将字符数据写入输出流
            //Channels.newWriter(socketChannel, StandardCharsets.UTF_8) 创建了一个 WritableByteChannel 的字符流，这样可以将字符数据写入到与 socketChannel 关联的网络通道中。socketChannel 是一个与远程服务器连接的 SocketChannel。
            System.out.println("Network established");
            writer.println("nihao");//这里测试，是将"nihao"输入到了服务器
        } catch (IOException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    private void sendMessage() {
        writer.println(outgoing.getText());
        writer.flush(); //强制将所有缓存的输出数据写入到底层输出流中
        outgoing.setText(""); //setText 是一个方法，用于设置文本组件中显示的文本内容.这里是清空 outgoing 组件中的文本
        outgoing.requestFocus(); //requestFocus() 方法会将焦点设置到 outgoing 组件，使得用户可以立即开始在该组件中输入文本
    }

    public static void main(String[] args) {
        new SimpleChatClientA().go();
    }
}

服务端：

package com.bayeeaa.demo1.web.simplechat;

import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.channels.Channels;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class SimpleChatServer {
    private final List<PrintWriter> clientWriters = new ArrayList<>();

    private void tellEveryone(String message) {
        for(PrintWriter writer : clientWriters){
            writer.println(message);
            writer.flush();
        }
    }

    public class ClientHanlder implements Runnable{
        BufferedReader reader;
        SocketChannel socket;

        public ClientHanlder(SocketChannel clientSocket){
            socket = clientSocket;
            reader = new BufferedReader(Channels.newReader(socket, StandardCharsets.UTF_8));
        }

        @Override
        public void run() {
            String message;
            try {
                while((message = reader.readLine()) != null){
                    System.out.println("read " + message);
                    tellEveryone(message);
                }
            }catch (IOException ex){
                ex.printStackTrace();
            }

        }
    }

    public void go() {
        ExecutorService treadPool = Executors.newCachedThreadPool();
        try {
            ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
            serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(5000));

            while (serverSocketChannel.isOpen()) {
                SocketChannel clientSocket = serverSocketChannel.accept();
                PrintWriter writer = new PrintWriter(Channels.newWriter(clientSocket, StandardCharsets.UTF_8));
                clientWriters.add(writer);
                treadPool.submit(new ClientHanlder(clientSocket));
                System.out.println("got a connection");
            }
        } catch (IOException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        new SimpleChatServer().go();
    }
}

这里使用了简单的GUI使操作可视化，只需在跳出的窗口中输入字符串就可以发送到服务器，并在其终端查看内容。

实例如图

可以看到”nihao”和我刚刚输入的”123”是同时打出的，说明这个”nihao”是加入了缓冲中，然后点击”send”时最后释放。

#计算机网络 #java

Java Web入门

https://bayeeaa.github.io/2024/09/22/Java-Web入门/

Author

Posted on

September 22, 2024

Licensed under

操作系统概述 Previous

通过Github Pages上线Vite app静态项目 Next