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網路程式設計是開發中經常需要用到的一個點，也是面試中必考題，本節對網路程式設計中常用知識點進行簡要概述。

原文連結網路程式設計基礎(上)

網路程式設計基礎之UDP程式設計請看UDP

以下知識點均來源於廖雪峰官方網站https://www.liaoxuefeng.com/wiki/1252599548343744/1323711850348577

網路模型

計算機網路

計算機網路是指兩臺或更多的計算機組成的網路，在同一個網路中，任意兩臺計算機都可以直接通訊，因為所有計算機都需要遵循同一種網路協議。

那什麼是網際網路呢？網際網路是網路的網路（internet），即把很多計算機網路連線起來，形成一個全球統一的網際網路。

網路模型

由於計算機網路從底層的傳輸到高層的軟體設計十分複雜，要合理地設計計算機網路模型，必須採用分層模型，每一層負責處理自己的操作。OSI（Open System Interconnect） 網路模型是ISO組織定義的一個計算機互聯的標準模型，注意它只是一個定義，目的是為了簡化網路各層的操作，提供標準介面便於實現和維護。這個模型從上到下依次是：

• 應用層，提供應用程式之間的通訊；
• 表示層：處理資料格式，加解密等等；
• 會話層：負責建立和維護會話；
• 傳輸層：負責提供端到端的可靠傳輸；
• 網路層：負責根據目標地址選擇路由來傳輸資料；
• 鏈路層和物理層負責把資料進行分片並且真正通過物理網路傳輸，例如，無線網、光纖等。

TCP/IP 模型

網際網路實際使用的TCP/IP模型並不是對應到OSI的7層模型，而是大致對應OSI的5層模型：

小結

• 計算機網路：由兩臺或更多計算機組成的網路；
• 網際網路：連線網路的網路；
• IP地址：計算機的網路介面（通常是網絡卡）在網路中的唯一標識；
• 閘道器：負責連線多個網路，並在多個網路之間轉發資料的計算機，通常是路由器或交換機；
• 網路協議：網際網路使用TCP/IP協議，它泛指網際網路協議簇；
• IP協議：一種分組交換傳輸協議；
• TCP協議：一種面向連線，可靠傳輸的協議；
• UDP協議：一種無連線，不可靠傳輸的協議。

TCP 程式設計

Socket

在開發網路應用程式的時候，我們又會遇到Socket這個概念。Socket是一個抽象概念，一個應用程式通過一個Socket來建立一個遠端連線，而Socket內部通過TCP/IP協議把資料傳輸到網路：

Socket、TCP和部分IP的功能都是由作業系統提供的，不同的程式語言只是提供了對作業系統呼叫的簡單的封裝。例如，Java提供的幾個Socket相關的類就封裝了作業系統提供的介面。

為什麼需要Socket進行網路通訊？因為僅僅通過IP地址進行通訊是不夠的，同一臺計算機同一時間會執行多個網路應用程式，例如瀏覽器、QQ、郵件客戶端等。當作業系統接收到一個數據包的時候，如果只有IP地址，它沒法判斷應該發給哪個應用程式，所以，作業系統抽象出Socket介面，每個應用程式需要各自對應到不同的Socket，資料包才能根據Socket正確地發到對應的應用程式。

一個Socket就是由IP地址和埠號（範圍是0～65535）組成，可以把Socket簡單理解為IP地址加埠號。埠號總是由作業系統分配，它是一個0～65535之間的數字，其中，小於1024的埠屬於特權埠，需要管理員許可權，大於1024的埠可以由任意使用者的應用程式開啟。

使用Socket進行網路程式設計時，本質上就是兩個程序之間的網路通訊。其中一個程序必須充當伺服器端，它會主動監聽某個指定的埠，另一個程序必須充當客戶端，它必須主動連線伺服器的IP地址和指定埠，如果連線成功，伺服器端和客戶端就成功地建立了一個TCP連線，雙方後續就可以隨時傳送和接收資料。

因此，當Socket連線成功地在伺服器端和客戶端之間建立後：

• 對伺服器端來說，它的Socket是指定的IP地址和指定的埠號；
• 對客戶端來說，它的Socket是它所在計算機的IP地址和一個由作業系統分配的隨機埠號。

服務端實現

要使用Socket程式設計，我們首先要編寫伺服器端程式。Java標準庫提供了ServerSocket來實現對指定IP和指定埠的監聽。ServerSocket的典型實現程式碼如下：

/**
 * @Auther Mario
 * @Date 2020-12-30 12:38
 * @Version 1.0
 * Socket 通訊程式設計之TCP
 */
public class Server {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ServerSocket ss = new ServerSocket(6666);
        System.out.println("服務埠正在監聽");
        for(;;){
            //處理每個新的請求
            Socket sock = ss.accept();
            System.out.println("已經接受客服端請求");
            //每個請求分配一個執行緒處理
            Thread t = new Handle(sock);
            t.start();
        }
    }
}
class Handle extends Thread{
    private Socket socket;
    public Handle(Socket socket) {
        this.socket = socket;
    }
    public void run(){
        try(InputStream inputStream = this.socket.getInputStream()){
            try(OutputStream outputStream = this.socket.getOutputStream()){
                handle(inputStream,outputStream);

            }
        }catch (Exception e){
            try {
                this.socket.close();
            } catch (IOException e1) {
                e1.printStackTrace();
            }
            System.out.println("client disconnected");
        }

    }
    
    private void handle(InputStream inputStream,OutputStream outputStream) throws IOException {
        BufferedWriter bufferedWriter = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(outputStream, StandardCharsets.UTF_8));
        BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(inputStream, StandardCharsets.UTF_8));
        bufferedWriter.write("hello\n");
        bufferedWriter.flush();
        for(;;){
            //讀取請求的每一行資料，直到關鍵字'bye',傳送資料
            String read = bufferedReader.readLine();
            if(read.equals("bye\n")){
                bufferedWriter.write("bye\n");
                bufferedWriter.flush();
                break;
            }

            bufferedWriter.write("ok:  " + read + "bye\n");
            bufferedWriter.flush();
        }
    }
}

伺服器端通過程式碼：

ServerSocket ss = new ServerSocket(6666);

在指定埠「6666」監聽。這裡我們沒有指定IP地址，表示在計算機的所有網路介面上進行監聽。

如果ServerSocket監聽成功，我們就使用一個無限迴圈來處理客戶端的連線：

for (;;) {
    Socket sock = ss.accept();
    Thread t = new Handler(sock);
    t.start();
}

注意到程式碼ss.accept()表示每當有新的客戶端連線進來後，就返回一個Socket例項，這個Socket例項就是用來和剛連線的客戶端進行通訊的。由於客戶端很多，要實現併發處理，我們就必須為每個新的Socket建立一個新執行緒來處理，這樣，主執行緒的作用就是接收新的連線，每當收到新連線後，就建立一個新執行緒進行處理。

我們在多執行緒程式設計的章節中介紹過執行緒池，這裡也完全可以利用執行緒池來處理客戶端連線，能大大提高執行效率。

如果沒有客戶端連線進來，accept()方法會阻塞並一直等待。如果有多個客戶端同時連線進來，ServerSocket會把連線扔到佇列裡，然後一個一個處理。對於Java程式而言，只需要通過迴圈不斷呼叫accept()就可以獲取新的連線。

客服端實現

/**
 * @Auther mashang
 * @Date 2020-12-30 14:04
 * @Version 1.0
 * Socket 通訊程式設計 TCP
 */
public class Client {

    public static void main(String[] args) throws IOException {

        Socket socket = new Socket("localhost",6666);
        // 用於讀取網路資料:
        try(InputStream inputStream = socket.getInputStream()){
            // 用於寫入網路資料:
            try(OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()){
                handle(inputStream,outputStream);
            }
        }
        socket.close();
        System.out.println("disconnected");
    }
    
    private static void handle(InputStream inputStream,OutputStream outputStream) throws IOException {
        BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(inputStream, StandardCharsets.UTF_8));
        BufferedWriter bufferedWriter = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(outputStream, StandardCharsets.UTF_8));
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        System.out.println("[server]: " + bufferedReader.readLine());
        for(;;){
            System.out.println(">>>");
            String s = scanner.nextLine();
            bufferedWriter.write(s);
            bufferedWriter.newLine();
            bufferedWriter.flush();
            String resp = bufferedReader.readLine();
            System.out.println("<<<" + resp);
            if(resp.equals("bye")){
                break;
            }
        }
    }
}

客戶端程式通過：

Socket sock = new Socket("localhost", 6666);

連線到伺服器端，注意上述程式碼的伺服器地址是**“localhost”** ，表示本機地址，埠號是「6666」。如果連線成功，將返回一個Socket例項，用於後續通訊。

自我總結：通過以上對服務端和客服端簡要實現得知，服務端在6666埠一直處於監聽狀態，等待客服端連線，收到客戶端請求後新建一個Handle執行緒處理請求,該執行緒主要處理服務端通過socket流進行網路通訊，inputStream從客戶端接收的輸入流，outputStream發給客戶端的輸出流，handle()方法處理輸入輸出流，在通訊結束後關閉socket連線。handle()把inputStream和outputStream分別包裝為bufferedReader和bufferedWriter，建立連線後服務端首先發送"hello"給客戶端bufferedWriter.write(“hello\n”),flush()用於強制把緩衝區資料傳送出去，然後一直等待客戶端傳送資料，進而讀取資料，回覆資訊。客戶端則連線服務端埠建立通訊，通過socket傳遞資料，從輸入臺輸入資料，flush()傳送資料，通過bufferedReader.readLine()讀取資料，直到“bye”完成通訊，斷開連線。

Socket流

當Socket連線建立成功後，無論是伺服器端，還是客戶端，我們都使用Socket例項進行網路通訊。因為TCP是一種基於流的協議，因此，Java標準庫使用InputStream和OutputStream來封裝Socket的資料流，這樣我們使用Socket的流，和普通IO流類似：

// 用於讀取網路資料:
InputStream in = sock.getInputStream();
// 用於寫入網路資料:
OutputStream out = sock.getOutputStream();

最後我們重點來看看，為什麼寫入網路資料時，要呼叫flush()方法。

如果不呼叫flush()，我們很可能會發現，客戶端和伺服器都收不到資料，這並不是Java標準庫的設計問題，而是我們以流的形式寫入資料的時候，並不是一寫入就立刻傳送到網路，而是先寫入記憶體緩衝區，直到緩衝區滿了以後，才會一次性真正傳送到網路，這樣設計的目的是為了提高傳輸效率。如果緩衝區的資料很少，而我們又想強制把這些資料傳送到網路，就必須呼叫flush()強制把緩衝區資料傳送出去。

小結

使用Java進行TCP程式設計時，需要使用Socket模型：

• 伺服器端用ServerSocket監聽指定埠；
• 客戶端使用Socket(InetAddress, port)連線伺服器；
• 伺服器端用accept()接收連線並返回Socket；
• 雙方通過Socket開啟InputStream/OutputStream讀寫資料；
• 伺服器端通常使用多執行緒同時處理多個客戶端連線，利用執行緒池可大幅提升效率；
• flush()用於強制輸出緩衝區到網路。