Java Socket如何高效传输数据？-杰瑞科技汇

核心概念：Socket 是什么？

想象一下打电话的过程：

（图片来源网络，侵删）

拨号：你拨对方的电话号码，建立连接。
通话：双方通过听筒和麦克风（输入/输出流）进行语音交流。
挂断：通话结束，双方挂断电话，释放资源。

Java Socket 的过程与此非常相似：

Socket (套接字)：代表了网络连接中的一个端点，每个 Socket 都有一个 IP 地址和一个端口号，就像一个电话号码，通过 Socket 对象，你可以发起连接或接受连接。
IP 地址：网络中设备的唯一标识，168.1.100。
端口号：应用程序在设备上的唯一标识，范围是 0-65535，Web 服务通常使用 80 端口，HTTPS 使用 443 端口。
输入流 / 输出流：一旦连接建立，Socket 就会提供 InputStream 和 OutputStream，你可以把它们想象成电话的听筒和麦克风，用来在网络上读写数据。

Java 中有两个主要的 Socket 类：

java.net.Socket：客户端使用的类，用于发起连接。
java.net.ServerSocket：服务器端使用的类，用于监听并接受客户端的连接。

数据传输的关键：字节流

Socket 传输的是原始的字节，而不是字符串或对象，这意味着：

你需要将 Java 的 String、int、Object 等类型转换为字节数组（序列化）。
接收方需要将收到的字节数组再转换回原来的类型（反序列化）。

常用的转换方式有：

（图片来源网络，侵删）

字符串：使用 String.getBytes() 和 new String(byte[])。
基本数据类型：可以使用 DataInputStream 和 DataOutputStream，它们提供了方便的方法如 writeInt(), readInt(), writeUTF(), readUTF()。
对象：使用 ObjectInputStream 和 ObjectOutputStream，要求对象必须实现 Serializable 接口。

完整代码示例：一个简单的 Echo 服务器

下面我们创建一个经典的 "Echo"（回声）服务：客户端发送一条消息，服务器原样返回这条消息。

1 服务器端代码

服务器需要一直运行,等待客户端的连接。

EchoServer.java

import java.io.*;
import java.net.*;
public class EchoServer {
    public static void main(String[] args) {
        // 定义服务器监听的端口号
        int port = 12345;
        try ( // 使用 try-with-resources 自动关闭资源
              // 创建一个 ServerSocket，在指定端口上监听客户端连接
              ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(port);
              // 等待客户端连接，accept() 是一个阻塞方法，直到有客户端连接才会返回
              Socket clientSocket = serverSocket.accept();
              // 获取客户端的输入流，用于读取客户端发送的数据
              BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream()));
              // 获取客户端的输出流，用于向客户端发送数据
              PrintWriter out = new PrintWriter(clientSocket.getOutputStream(), true)
        ) {
            System.out.println("客户端已连接: " + clientSocket.getInetAddress().getHostAddress());
            String inputLine;
            // 循环读取客户端发送的数据
            // readLine() 也是一个阻塞方法，直到客户端发送一行数据或关闭连接
            while ((inputLine = in.readLine()) != null) {
                System.out.println("收到客户端消息: " + inputLine);
                // 将收到的消息回写给客户端
                out.println("服务器回声: " + inputLine);
            }
            System.out.println("客户端已断开连接。");
        } catch (IOException e) {
            System.err.println("服务器异常: " + e.getMessage());
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

2 客户端代码

客户端主动连接服务器,发送消息并接收响应。

（图片来源网络，侵删）

EchoClient.java

import java.io.*;
import java.net.*;
public class EchoClient {
    public static void main(String[] args) {
        // 服务器的 IP 地址和端口号
        String serverAddress = "127.0.0.1"; // "localhost" 代表本机
        int port = 12345;
        try ( // 使用 try-with-resources 自动关闭资源
              // 创建一个 Socket 对象，连接到指定的服务器地址和端口
              Socket socket = new Socket(serverAddress, port);
              // 获取服务器的输入流，用于读取服务器返回的数据
              BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
              // 获取服务器的输出流，用于向服务器发送数据
              PrintWriter out = new PrintWriter(socket.getOutputStream(), true);
              // 从控制台读取用户输入
              BufferedReader stdIn = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in))
        ) {
            System.out.println("已连接到服务器 " + serverAddress + ":" + port);
            System.out.println("请输入要发送的消息 (输入 'exit' 退出):");
            String userInput;
            // 循环读取用户输入
            while ((userInput = stdIn.readLine()) != null) {
                if ("exit".equalsIgnoreCase(userInput)) {
                    break; // 用户输入 exit，则退出循环
                }
                // 将用户输入的消息发送给服务器
                out.println(userInput);
                // 读取服务器返回的回声
                String response = in.readLine();
                System.out.println("服务器响应: " + response);
            }
        } catch (UnknownHostException e) {
            System.err.println("无法找到主机: " + serverAddress);
            e.printStackTrace();
        } catch (IOException e) {
            System.err.println("I/O Error: " + e.getMessage());
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("客户端已关闭。");
    }
}

3 如何运行

编译：将两个 .java 文件放在同一个目录下，编译它们。
```
javac EchoServer.java EchoClient.java
```
运行服务器：先运行服务器端程序，它会启动并等待连接。
```
java EchoServer
```
你会看到控制台输出：服务器已启动，等待连接在端口 12345...
运行客户端：在另一个新的终端窗口中，运行客户端程序。
```
java EchoClient
```
交互：
- 客户端控制台会提示你输入消息。
- 服务器端控制台会显示 客户端已连接... 和 收到客户端消息: ...。
- 客户端输入 你好，按回车。
- 客户端会立即收到服务器的响应：服务器响应: 服务器回声: 你好。
- 客户端输入 exit 并按回车，客户端程序会退出。
- 服务器端会显示 客户端已断开连接。，并继续等待新的客户端连接。

更复杂的传输：发送和接收对象

上面的例子只能传输字符串,在实际开发中，我们更希望传输自定义的对象。

1 定义可序列化的对象

对象必须实现 java.io.Serializable 接口，它是一个标记接口，不需要实现任何方法。

User.java

import java.io.Serializable;
// 必须实现 Serializable 接口
public class User implements Serializable {
    private String username;
    private int age;
    // 构造函数
    public User(String username, int age) {
        this.username = username;
        this.age = age;
    }
    // Getters
    public String getUsername() { return username; }
    public int getAge() { return age; }
    @Override
    public String toString() {
        return "User{username='" + username + "', age=" + age + "}";
    }
}

2 修改代码以传输对象

ObjectEchoServer.java

import java.io.*;
import java.net.*;
public class ObjectEchoServer {
    public static void main(String[] args) {
        int port = 12346;
        try (ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(port);
             Socket clientSocket = serverSocket.accept();
             // 使用 ObjectInputStream 读取对象
             ObjectInputStream in = new ObjectInputStream(clientSocket.getInputStream());
             // 使用 ObjectOutputStream 发送对象
             ObjectOutputStream out = new ObjectOutputStream(clientSocket.getOutputStream())
        ) {
            System.out.println("客户端已连接，等待接收 User 对象...");
            // 读取客户端发送的 User 对象
            User receivedUser = (User) in.readObject();
            System.out.println("收到用户对象: " + receivedUser);
            // 修改对象并发回
            receivedUser.setAge(receivedUser.getAge() + 1);
            System.out.println("修改后并发回对象: " + receivedUser);
            out.writeObject(receivedUser);
        } catch (IOException e) {
            System.err.println("服务器 I/O 异常: " + e.getMessage());
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            System.err.println("服务器: 无法找到类 " + e.getMessage());
        }
    }
}

ObjectEchoClient.java

import java.io.*;
import java.net.*;
public class ObjectEchoClient {
    public static void main(String[] args) {
        String serverAddress = "127.0.0.1";
        int port = 12346;
        try (Socket socket = new Socket(serverAddress, port);
             // 使用 ObjectOutputStream 发送对象
             ObjectOutputStream out = new ObjectOutputStream(socket.getOutputStream());
             // 使用 ObjectInputStream 读取对象
             ObjectInputStream in = new ObjectInputStream(socket.getInputStream())
        ) {
            // 创建一个 User 对象并发送给服务器
            User userToSend = new User("张三", 30);
            System.out.println("发送用户对象: " + userToSend);
            out.writeObject(userToSend);
            // 读取服务器返回的修改后的 User 对象
            User modifiedUser = (User) in.readObject();
            System.out.println("收到服务器返回的对象: " + modifiedUser);
        } catch (IOException e) {
            System.err.println("客户端 I/O 异常: " + e.getMessage());
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            System.err.println("客户端: 无法找到类 " + e.getMessage());
        }
    }
}

重要注意事项和最佳实践

阻塞与非阻塞：
- ServerSocket.accept()、InputStream.read() 等方法都是阻塞的，线程会一直等待，直到有事件发生（如连接到来、数据到达），对于简单的服务，这没问题，对于高并发的服务，需要使用多线程、NIO（New I/O）或 Netty 等框架。
资源管理：
- Socket 和相关的 I/O 流都是需要手动关闭的资源。强烈推荐使用 try-with-resources 语句，它能确保在代码块执行完毕后，资源被自动关闭，即使发生了异常。
字符编码：
- 当传输文本（如 String）时，务必注意编码问题，最好在创建 InputStreamReader 或 OutputStreamWriter 时明确指定编码，new InputStreamReader(socket.getInputStream(), StandardCharsets.UTF_8)，以避免因平台默认编码不同而导致的乱码。
网络异常处理：
- 网络是不可靠的,必须妥善处理各种 IOException，如连接中断、主机不可达、读写超时等。
协议设计：
- 对于复杂的应用,仅仅靠 readLine() 或 readObject() 是不够的，你需要设计一个应用层协议。
  - 长度前缀：在每个消息前加上一个固定长度的整数（4字节），表示消息体的长度，接收方先读取这4个字节，就知道接下来要读多少字节的数据。
  - 分隔符：使用特殊字符（如 \r\n 或 \0）来分隔消息。
  - 序列化格式：使用 JSON、XML、Protocol Buffers 等格式来结构化你的数据，这比 Java 原生的序列化更通用、更高效。

角色	核心类	主要步骤	关键点
服务器	`ServerSocket`	创建 `ServerSocket` 并绑定端口。 `accept()` 阻塞等待连接。通过 `Socket` 获取 `InputStream` 和 `OutputStream`。读写数据。关闭资源。	`accept()` 是阻塞的，需要持续运行。
客户端	`Socket`	创建 `Socket` 并连接服务器 IP 和端口。通过 `Socket` 获取 `InputStream` 和 `OutputStream`。读写数据。关闭资源。	`new Socket()` 连接过程是阻塞的。

掌握 Java Socket 编程是理解网络编程的基础，从简单的字符串传输开始，逐步过渡到对象和自定义协议，你就能构建出强大的网络应用。

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1 定义可序列化的对象

2 修改代码以传输对象

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