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7.1 网络基础和 Java 中的网络 - 揭开神秘的面纱

在这个章节，我们将像是揭开一个神秘世界的面纱，探索网络通信的基础知识，并了解如何在Java中应用这些知识来建立连接和进行数据交换。

7.1.1 基础知识

• IP地址：每台连接到网络的设备都有一个唯一的IP地址，用于标识设备在网络上的位置，类似于现实世界中的邮寄地址。

• 端口号：端口号用于标识设备上的特定程序，允许一个IP地址提供多种不同的服务。想象一下，一个大楼（IP地址）有多扇门（端口号），每扇门后都是不同的服务。

• TCP和UDP：TCP（传输控制协议）提供了一种可靠的数据传输方式，确保数据完整无误地从源传到目的地；而UDP（用户数据报协议）则是一种简单的协议，不保证数据的可靠传输，但在某些情况下能提供更快的数据传输速度。

• Socket编程：Socket是网络编程的基石，提供了建立TCP连接和数据传输的方法。在Java中，通过java.net包中的Socket类和ServerSocket类，我们可以轻松实现网络通信。

7.1.2 重点案例：实现一个简单的聊天程序

我们将创建一个简单的聊天程序，其中包含一个服务器和一个客户端，演示基于TCP的Socket通信。

服务器端:

import java.io.*;
import java.net.*;public class ChatServer {public static void main(String[] args) throws IOException {ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(5555);System.out.println("Server is waiting for client...");Socket clientSocket = serverSocket.accept();PrintWriter out = new PrintWriter(clientSocket.getOutputStream(), true);BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream()));String inputLine;while ((inputLine = in.readLine()) != null) {System.out.println("Client says: " + inputLine);out.println("Echo: " + inputLine);}}
}

客户端:

import java.io.*;
import java.net.*;public class ChatClient {public static void main(String[] args) throws IOException {Socket socket = new Socket("localhost", 5555);PrintWriter out = new PrintWriter(socket.getOutputStream(), true);BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));BufferedReader stdIn = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));String userInput;while ((userInput = stdIn.readLine()) != null) {out.println(userInput);System.out.println("Server response: " + in.readLine());}}
}

7.1.3 拓展案例 1：使用 UDP 进行消息广播

除了TCP，我们还可以使用UDP进行数据传输。下面是一个简单的使用UDP进行消息广播的示例。

广播消息:

import java.net.*;public class UdpBroadcast {public static void main(String[] args) throws IOException {DatagramSocket socket = new DatagramSocket();byte[] buf = "Hello, UDP!".getBytes();InetAddress address = InetAddress.getByName("255.255.255.255");DatagramPacket packet = new DatagramPacket(buf, buf.length, address, 4445);socket.send(packet);socket.close();}
}

7.1.4 拓展案例 2：建立一个简单的 Web 服务器

使用Java的ServerSocket，我们可以建立一个简单的Web服务器，响应HTTP请求。

import java.io.*;
import java.net.*;public class SimpleWebServer {public static void main(String[] args) throws IOException {ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080);while (true) {Socket clientSocket = serverSocket.accept();PrintWriter out = new PrintWriter(clientSocket.getOutputStream(), true);out.println("HTTP/1.1 200 OK");out.println("Content-Type: text/html");out.println("\r\n");out.println("<h1>Hello, World!</h1>");clientSocket.close();}}
}

通过这些案例，我们可以看到网络编程并不是什么遥不可及的技术。无论是实现基于TCP的聊天程序，使用UDP进行数据广播，还是建立一个简单的Web服务器，Java都为我们提供了强大的工具。现在，拿起你的工具，开始在Java的网络世界中探险吧！

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7.2 创建客户端和服务器 - 构建沟通的桥梁

在Java网络编程的旅程中，创建客户端和服务器是基本而关键的一步，就像是在两座孤岛之间构建沟通的桥梁。客户端和服务器之间的交流基础是建立在网络协议之上的，而TCP/IP协议是最常用的协议之一，它能够确保数据的可靠传输。

7.2.1 基础知识

• Socket：在Java中，Socket是实现网络通信的核心，客户端通过Socket连接到服务器，服务器接受客户端的连接请求来建立连接。

• ServerSocket：在服务器端，ServerSocket用于监听来自客户端的连接请求。

• TCP连接的建立：客户端通过指定服务器的IP地址和端口号发起连接请求，服务器监听到请求后，通过接受请求来建立连接。

7.2.2 重点案例：实现文件传输系统

假设我们要构建一个简单的文件传输系统，允许客户端向服务器上传文件。

服务器端:

import java.io.*;
import java.net.*;public class FileTransferServer {public static void main(String[] args) throws IOException {ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(6666);System.out.println("Server is running and waiting for file...");Socket socket = serverSocket.accept();DataInputStream dis = new DataInputStream(socket.getInputStream());FileOutputStream fos = new FileOutputStream("received_file.txt");byte[] buffer = new byte[4096];int filesize = 15123; // Send file size in separate msgint read = 0;int totalRead = 0;int remaining = filesize;while((read = dis.read(buffer, 0, Math.min(buffer.length, remaining))) > 0) {totalRead += read;remaining -= read;System.out.println("read " + totalRead + " bytes.");fos.write(buffer, 0, read);}fos.close();dis.close();System.out.println("File received!");}
}

客户端:

import java.io.*;
import java.net.*;public class FileTransferClient {public static void main(String[] args) throws IOException {Socket socket = new Socket("localhost", 6666);FileInputStream fis = new FileInputStream("to_send_file.txt");DataOutputStream dos = new DataOutputStream(socket.getOutputStream());byte[] buffer = new byte[4096];while (fis.read(buffer) > 0) {dos.write(buffer);}fis.close();dos.close();System.out.println("File sent!");}
}

7.2.3 拓展案例 1：构建简单的聊天应用

我们可以通过Socket编程构建一个更实用的应用，比如一个简单的聊天应用，允许客户端和服务器互发消息。

聊天服务器

服务器端的任务是接受客户端连接，并转发客户端发送的消息到所有其他已连接的客户端。

import java.io.*;
import java.net.*;
import java.util.*;
import java.util.concurrent.*;public class ChatServer {private static final int PORT = 6666;private static final List<ClientHandler> clients = new CopyOnWriteArrayList<>();private static ExecutorService pool = Executors.newCachedThreadPool();public static void main(String[] args) throws IOException {ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(PORT);System.out.println("Chat Server is listening on port " + PORT);while (true) {Socket clientSocket = serverSocket.accept();System.out.println("Accepted new connection from " + clientSocket);ClientHandler clientHandler = new ClientHandler(clientSocket, clients);clients.add(clientHandler);pool.execute(clientHandler);}}
}class ClientHandler implements Runnable {private Socket clientSocket;private List<ClientHandler> clients;private PrintWriter out;private BufferedReader in;public ClientHandler(Socket socket, List<ClientHandler> clients) throws IOException {this.clientSocket = socket;this.clients = clients;this.out = new PrintWriter(clientSocket.getOutputStream(), true);this.in = new BufferedReader(new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream()));}@Overridepublic void run() {try {String message;while ((message = in.readLine()) != null) {broadcastMessage(message);}} catch (IOException e) {System.out.println("Error in ClientHandler: " + e.getMessage());} finally {try {in.close();out.close();clientSocket.close();} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}}private void broadcastMessage(String message) {for (ClientHandler aClient : clients) {if (aClient != this) {aClient.out.println(message);}}}
}

聊天客户端

客户端的任务是连接到服务器，发送自己的消息，并接收从服务器转发的其他客户端的消息。

import java.io.*;
import java.net.*;public class ChatClient {private static final String SERVER_IP = "127.0.0.1";private static final int SERVER_PORT = 6666;public static void main(String[] args) throws IOException {Socket socket = new Socket(SERVER_IP, SERVER_PORT);BufferedReader keyboardInput = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));PrintWriter out = new PrintWriter(socket.getOutputStream(), true);BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));// Create a new thread to read messages from the servernew Thread(new Runnable() {public void run() {try {String serverMessage;while ((serverMessage = in.readLine()) != null) {System.out.println("Server says: " + serverMessage);}} catch (IOException e) {System.out.println("Connection to server broken.");}}}).start();// Read messages from the keyboard and send them to the serverSystem.out.println("Enter your message: ");String userInput;while ((userInput = keyboardInput.readLine()) != null) {out.println(userInput);}}
}

在这个聊天应用中，服务器能够接收多个客户端连接，并将任一客户端发来的消息广播给所有其他客户端。客户端可以发送消息给服务器，服务器则将这些消息转发给所有其他已连接的客户端。这样，就实现了一个基础的多人聊天室功能。

7.2.4 拓展案例 2：多客户端支持的服务器

要让服务器能够同时处理多个客户端，我们可以为每个连接创建一个新的线程来处理。

服务器端:

public class MultiClientServer {public static void main(String[] args) throws IOException {ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(6666);System.out.println("Server is running...");while (true) {Socket socket = serverSocket.accept();new Thread(new ClientHandler(socket)).start();}}
}class ClientHandler implements Runnable {private Socket socket;public ClientHandler(Socket socket) {this.socket = socket;}@Overridepublic void run() {// 处理客户端请求}
}

通过实现这些案例，你已经学会了如何在Java中创建客户端和服务器，以及如何通过Socket进行基本的网络通信。无论是实现文件传输系统、构建简单的聊天应用，还是支持多客户端的服务器，这些基础知识都将为你打开网络编程的大门，帮助你构建更复杂和强大的网络应用。

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7.3 高效网络编程技巧 - 提升你的网络魔法效率

在Java网络编程的世界中，掌握一些高效的技巧可以大大提升你的应用性能和用户体验。就像一个熟练的魔法师，通过精细的魔法控制和策略，可以在战斗中取得压倒性的胜利。让我们一起探索如何成为网络编程领域的高级魔法师。

7.3.1 基础知识

• 非阻塞I/O（NIO）：Java NIO是一种基于通道(Channel)和缓冲区(Buffer)的I/O方式，它可以让你非阻塞地读写数据，提升I/O操作的效率。

• I/O多路复用：这是一种允许单个线程同时监控多个I/O通道的技术，如果某个通道准备好了I/O操作，系统就会通知线程。这减少了线程的数量和上下文切换的开销。

• 线程池：使用线程池可以避免为每个请求创建新线程的开销，复用线程资源，提高应用性能。

• 连接池：网络应用中，频繁地建立和关闭连接会造成资源的浪费，使用连接池可以复用已经建立的连接。

7.3.2 重点案例：基于 NIO 的聊天服务器

我们将构建一个基于Java NIO的聊天服务器，这个服务器可以非阻塞地处理多个客户端的连接和消息传输。

聊天服务器:

import java.nio.*;
import java.nio.channels.*;
import java.net.*;
import java.util.*;public class ChatServer {public void startServer() throws IOException {Selector selector = Selector.open();ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();serverChannel.bind(new InetSocketAddress(5555));serverChannel.configureBlocking(false);serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);while (true) {selector.select(); // 阻塞，直到至少有一个通道在你注册的事件上就绪了Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();Iterator<SelectionKey> iter = selectedKeys.iterator();while (iter.hasNext()) {SelectionKey key = iter.next();if (key.isAcceptable()) {register(selector, serverChannel);}if (key.isReadable()) {broadcast(selector, key);}iter.remove();}}}private void register(Selector selector, ServerSocketChannel serverChannel) throws IOException {SocketChannel client = serverChannel.accept();client.configureBlocking(false);client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);}private void broadcast(Selector selector, SelectionKey key) throws IOException {SocketChannel client = (SocketChannel) key.channel();ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(256);client.read(buffer);String message = new String(buffer.array()).trim();for (SelectionKey k : selector.keys()) {Channel target = k.channel();if (target instanceof SocketChannel && target != client) {((SocketChannel) target).write(ByteBuffer.wrap(message.getBytes()));}}}public static void main(String[] args) throws IOException {new ChatServer().startServer();}
}

7.3.3 拓展案例 1：使用线程池处理 Socket 连接

在多用户网络应用中，使用线程池来处理Socket连接可以大大提升性能。

import java.net.*;
import java.util.concurrent.*;public class ThreadPoolEchoServer {private static final int PORT = 5555;private static final ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(10);public static void main(String[] args) throws IOException {ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(PORT);System.out.println("Echo server is running.");while (true) {Socket clientSocket = serverSocket.accept();pool.execute(new EchoClientHandler(clientSocket));}}
}class EchoClientHandler implements Runnable {private Socket clientSocket;public EchoClientHandler(Socket socket) {this.clientSocket = socket;}@Overridepublic void run() {// 处理客户端请求}
}

7.3.4 拓展案例 2：优化长连接的性能

在需要维护长时间连接的应用中，合理管理这些连接是提升性能的关键。

优化长连接的性能是网络编程中的一个常见需求，尤其是在需要维护与客户端持续交互的应用中。以下是一个使用Java实现的简单心跳机制和连接池管理来优化长连接性能的示例。

**心跳机制：**心跳机制（Heartbeat）用于维持客户端与服务器之间的长连接，通过定期发送轻量级的心跳消息来确认连接的活性。

服务器端示例:

import java.io.*;
import java.net.*;
import java.util.concurrent.*;public class HeartbeatServer {private static final int PORT = 5555;private static final ExecutorService pool = Executors.newCachedThreadPool();public static void main(String[] args) throws IOException {ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(PORT);System.out.println("Server started, waiting for connections...");while (true) {Socket clientSocket = serverSocket.accept();pool.execute(new ClientHandler(clientSocket));}}static class ClientHandler implements Runnable {private final Socket clientSocket;public ClientHandler(Socket socket) {this.clientSocket = socket;}@Overridepublic void run() {try (DataInputStream dis = new DataInputStream(clientSocket.getInputStream());DataOutputStream dos = new DataOutputStream(clientSocket.getOutputStream())) {while (true) {String message = dis.readUTF(); // Read heartbeat messageif ("HEARTBEAT".equals(message)) {dos.writeUTF("ACK"); // Acknowledge heartbeat} else {// Handle other messages}}} catch (IOException e) {System.out.println("Client disconnected.");}}}
}

客户端示例:

import java.io.*;
import java.net.*;public class HeartbeatClient {public static void main(String[] args) {try (Socket socket = new Socket("localhost", 5555);DataOutputStream dos = new DataOutputStream(socket.getOutputStream());DataInputStream dis = new DataInputStream(socket.getInputStream())) {while (true) {dos.writeUTF("HEARTBEAT"); // Send heartbeat messageString response = dis.readUTF(); // Wait for server acknowledgmentif ("ACK".equals(response)) {System.out.println("Heartbeat acknowledged by server.");}Thread.sleep(5000); // Send heartbeat every 5 seconds}} catch (IOException | InterruptedException e) {System.out.println("Error: " + e.getMessage());}}
}

连接池管理

在需要维护多个长连接时，使用连接池可以提高资源的复用率和应用性能。虽然Java标准库中没有直接支持连接池的API，但我们可以通过第三方库如Apache Commons Pool或HikariCP来实现连接池管理。以下是概念性描述，具体实现将依赖于选用的连接池库：

// 创建连接池配置
HikariConfig config = new HikariConfig();
config.setJdbcUrl("jdbc:mysql://localhost:3306/yourdatabase");
config.setUsername("user");
config.setPassword("password");
config.addDataSourceProperty("cachePrepStmts", "true");
config.addDataSourceProperty("prepStmtCacheSize", "250");
config.addDataSourceProperty("prepStmtCacheSqlLimit", "2048");// 实例化连接池
HikariDataSource dataSource = new HikariDataSource(config);// 使用连接池获取连接
try (Connection conn = dataSource.getConnection();PreparedStatement stmt = conn.prepareStatement("your SQL query")) {// 处理数据库操作
} catch (SQLException e) {// 异常处理
}

通过这些技术，你可以有效地管理长连接，提升应用的性能和稳定性。心跳机制确保连接的活性，而连接池管理则提高了资源的利用率和响应速度。这些高级技巧将在网络编程中赋予你更大的力量和灵活性。