基于Java的TCP Socket通信详解

基于Java的TCP Socket通信详解

TCP Socket通信是一种比较常用的基于连接的网络通信方式。本文通过Java实现TCP Socket通信,并将其用于计算机端,Android手机端,硬件设备端,同时做到代码规范化,实现代码最大化复用。

| 本文代码可在GitHub下载,建议对照源码阅读文章 https://github.com/IVanMissAya/tcp_server

TCP连接的建立

客户端和服务器间通过 三次握手 建立TCP连接。在Java中,连接建立完成后,服务器端和客户端分别获取到一个Socket实例,之后就可以通过这个Socket实例进行通信。服务器端和客户端使用不同的方法获取Socket实例。

  1. 服务器端

    在服务器端,通过ServerSocket实现对指定端口的监听,代码如下。其中port为int型端口数值,取值065535,01024为系统保留端口,这里取值1234。如果发生错误将会抛出异常。
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    int port = 1234;
    ServerSocket server = new ServerSocket(port);
    通过ServerSocket.accept()方法接受客户端连接。这个方法是阻塞的,从调用时开始监听端口,直到客户端连接建立时,执行结束并返回Socket实例。连接建立失败会抛出异常。
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        Socket socket = server.accept();
    ```

    2. #### 客户端
    客户端直接通过实例化的形式,产生Socket实例。实例化的过程中,尝试连接指定的服务器主机。连接成功则实例化完成,连接失败则抛出异常。hostIP为主机的IP地址,port为端口号,和服务器主机监听的端口号保持一致。
    String hostIP = “127.0.0.1”;
    int port = 1234;
    Socket socket = new Socket(hostIP, port);
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    ## 连接的建立过程    
    以上代码的执行顺序是:
    + 服务器端实例化ServerSocket:new ServerSocket(port);
    + 服务器端执行accept(),监听指定端口,此方法阻塞等待客户端连接:server.accept();
    + 客户端实例化Socket实例,尝试连接服务器:new Socket(hostIP, port);
    + TCP三次握手成功,服务器端的accept()返回Socket实例,同时客户端的Socket实例化成功。

    # Socket的读写
    以收发字符串为例来说明Socket的读写。

    向Socket对象写入数据,则会发送至TCP连接的另一方。这个操作在服务器端和客户端是一样的。可通过获取Socket的输出流来写入UTF8格式编码的字符串,代码如下。写入完成后,就会被发送到连接的另一端。

    private DataOutputStream out;
    out = new DataOutputStream(socket.getOutputStream());
    String s = “Test”;
    out.writeUTF(s);
    out.flush();
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    在接收端,通过获取Socket的输入流,就可以读取字符串数据,代码如下。readUTF()方法是阻塞的,直到对方发送完一个字符串,该方法才会执行结束并返回收到的字符串。如果连接中断,或强制关闭Socket的输入流,即执行socket.shutdownInput(),该方法会抛出异常。

    private DataInputStream in;
    in = new DataInputStream(socket.getInputStream());
    String s = in.readUTF();
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    在建立了TCP连接后,由于无法确定对方的数据发送时间,为了保证及时接收到数据,通过一个新线程不断调用in.readUTF()方法读取数据(相当于轮询法);并在接收到数据后回调相关函数,对数据进行处理。

    # TCP连接的断开
    TCP Socket连接是双向的,通过 **四次挥手** 的方式断开,双方分别调用Socket.close()方法断开连接。连接断开的过程中,一般一方A先断开连接,另一方B发现A断开连接后,也断开连接。为方便表述,将先断开连接的一方A称为“主动断开连接”;后断开的一方B,则为“被动断开连接”。

    在一方B阻塞执行in.readUTF()方法时,如果对方A主动断开Socket连接,这个方法会抛出异常。从而在B处理异常时,可以被动的断开这边的连接。

    为保证主动断开连接的一方不会阻塞在in.readUTF()方法中,需要先执行socket.shutdownInput()。所以主动断开连接的代码如下。

    socket.shutdownInput();
    in.close();
    socket.close();
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    被动断开连接的一方,在捕获到in.readUTF()的异常后,断开Socket连接。

    try {
    String s = in.readUTF();
    } catch (IOException e) {
    // 连接被断开(被动)
    try {
    in.close();
    socket.close();
    in = null;
    socket = null;
    } catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
    }
    }
    ```

SocketTransceiver的实现

考虑到在服务器端和客户端,Socket对象的操作是完全一样的,所以实现了一个SocketTransceiver(收发器),实现对Socket的直接操作,其他代码则通过SocketTransceiver间接操作Socket对象实现数据收发、断开连接等。

SocketTransceiver实现的功能有:

  • 开启新线程不断查询Socket是否收到数据;
  • 将字符串、文件等类型的数据进行打包,并通过Socket发送;
  • 从Socket接收数据,并自动解析出数据(字符串、文件等),接收完成后回调相应的方法;
  • 在发生错误、连接被动断开时,自动断开连接并进行相关处理,并回调相应方法。
    SocketTransceiver.class 使用抽象类实现,回调方法是抽象的,实例化时对抽象方法进行实现,处理回调。完整代码见附件。

TcpServer的实现

TcpServer为TCP Socket服务器端程序。为了让服务器能同时接受并处理来自多个客户端的TCP连接请求:

  • TcpServer中用一个监听线程对端口进行监听,即阻塞执行server.accept()方法,等待接受客户端连接;
  • 服务器端每次与一个客户端建立连接,即accept()方法执行结束并返回一个Socket对象,就会用一个SocketTransceiver对这个Socket进行操作;
  • 连接建立后,监听线程再次执行server.accept()方法,继续监听端口并等待下一个连接;
  • 服务器端有一个List,保存当前连接的每个客户端对应的SocketTransceiver对象,在需要时可取出并进行操作。

TcpClient的实现

TcpClient为TCP Socket客户端程序。主要工作是进行Socket的连接,并利用SocketTransceiver对Socket进行操作。

另附 windows 下tcp 测试工具

  1. sokit 是一款开源免费的 TCP / UDP 测试(调试)工具, 可以用来接收,发送或转发TCP/UDP数据包。 下载地址: http://sqdownd.onlinedown.net/down/sokit-1.3-win32-chs.zip

  2. TCPUDP测试工具用于开发网络通讯程序时,在服务器或客户端测试TCP/UDP通讯连接和测试数据的接收和发送情况。 下载地址: http://fastsoft.onlinedown.net/down/TCPUDPDebug102_Setup.exe


基于Java的TCP Socket通信详解
https://www.ivan.fun/posts/59c157cb/
作者
IVAn
发布于
2020年5月15日
许可协议