Java TCP Socket编程如何实现可靠通信？-杰瑞科技汇

核心概念与流程

TCP 通信就像打电话，必须先建立连接，然后才能互相通话，最后挂断连接。

（图片来源网络，侵删）

两个核心角色

客户端：主动发起连接请求的一方，它需要知道服务器的 IP 地址和端口号。
服务器端：被动等待连接请求的一方，它需要绑定一个特定的端口号，并在此端口上监听客户端的连接。

通信流程

一个完整的 TCP 通信过程如下：

服务器端启动：
- 创建一个 ServerSocket 实例，并绑定到一个具体的端口号。
- 调用 ServerSocket 的 accept() 方法，该方法会阻塞线程，等待客户端的连接请求。
- 当一个客户端连接成功时,accept() 方法返回一个新的 Socket 实例，这个 Socket 代表了与该客户端的专用连接通道。
客户端启动：
- 创建一个 Socket 实例，同时指定服务器的 IP 地址和端口号。
- Java 会尝试通过三次握手与服务器建立连接，如果成功，Socket 构造函数会返回；如果失败（如服务器未启动或端口错误），则会抛出异常。
数据传输：
（图片来源网络，侵删）
- 一旦连接建立,客户端和服务器端的 Socket 对象就可以通过 输入流 和 输出流 进行双向数据传输。
- 客户端通过 Socket.getOutputStream() 获取输出流，向服务器发送数据。
- 客户端通过 Socket.getInputStream() 获取输入流，读取服务器发来的数据。
- 服务器端通过 Socket.getOutputStream() 获取输出流，向客户端发送数据。
- 服务器端通过 Socket.getInputStream() 获取输入流，读取客户端发来的数据。
关闭连接：

通信结束后,客户端和服务器端都需要关闭各自的 Socket 和相关的输入/输出流，关闭的顺序通常是：先关闭流，再关闭 Socket。

代码示例

下面是一个经典的“Echo Server”（回显服务器）的完整实现，客户端发送任何消息，服务器都会原样返回。

服务器端代码

// 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 = 8888;
        try ( // 使用 try-with-resources 语句，确保资源自动关闭
              // 1. 创建 ServerSocket，并绑定到指定端口
              ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(port)) {
            System.out.println("服务器已启动，正在监听端口 " + port + "...");
            // 2. 调用 accept() 方法，阻塞等待客户端连接
            // 当有客户端连接时，accept() 返回一个 Socket 对象，代表与该客户端的连接
            Socket clientSocket = serverSocket.accept();
            System.out.println("客户端已连接: " + clientSocket.getInetAddress().getHostAddress());
            try (
                 // 3. 获取客户端的输入流，用于读取客户端发送的数据
                 InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream();
                 BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(inputStream));
                 // 4. 获取客户端的输出流，用于向客户端发送数据
                 OutputStream outputStream = clientSocket.getOutputStream();
                 PrintWriter out = new PrintWriter(outputStream, true)) { // autoFlush=true
                String inputLine;
                // 5. 循环读取客户端发送的数据
                while ((inputLine = in.readLine()) != null) {
                    System.out.println("收到客户端消息: " + inputLine);
                    // 6. 将收到的消息回显给客户端
                    out.println("服务器回显: " + inputLine);
                }
                System.out.println("客户端已断开连接。");
            } // 内部的 try-with-resources 会自动关闭 in 和 out
            // clientSocket 会在外层 try-with-resources 结束时关闭
        } catch (IOException e) {
            System.err.println("服务器异常: " + e.getMessage());
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

客户端代码

// EchoClient.java
import java.io.*;
import java.net.*;
public class EchoClient {
    public static void main(String[] args) {
        // 服务器的 IP 地址（本地回环地址）和端口号
        String host = "127.0.0.1";
        int port = 8888;
        try ( // 使用 try-with-resources 语句，确保资源自动关闭
              // 1. 创建 Socket 对象，尝试连接到服务器
              Socket socket = new Socket(host, port);
              // 2. 获取服务器的输出流，用于向服务器发送数据
              OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
              PrintWriter out = new PrintWriter(outputStream, true); // autoFlush=true
              // 3. 获取服务器的输入流，用于读取服务器返回的数据
              InputStream inputStream = socket.getInputStream();
              BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(inputStream))) {
            System.out.println("已连接到服务器 " + host + ":" + port);
            // 创建一个控制台读取器，用于从键盘读取用户输入
            BufferedReader stdIn = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
            String userInput;
            // 4. 循环读取用户输入并发送给服务器
            System.out.println("请输入要发送的消息 (输入 'exit' 退出):");
            while ((userInput = stdIn.readLine()) != null) {
                if ("exit".equalsIgnoreCase(userInput)) {
                    break; // 输入 'exit' 则退出循环
                }
                // 发送消息到服务器
                out.println(userInput);
                // 读取并打印服务器回显的消息
                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: " + host);
            e.printStackTrace();
        } catch (IOException e) {
            System.err.println("I/O 发生异常: " + e.getMessage());
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

关键点解析

`try-with-resources` 语句

在上述代码中,我们使用了 try-with-resources (Java 7+ 特性)，只要一个类实现了 AutoCloseable 接口（Socket, ServerSocket, InputStream, OutputStream, Reader, Writer 等都实现了），就可以放在 try 后面的括号里，这样，无论 try 块是正常结束还是抛出异常，JVM 都会自动调用这些资源的 close() 方法，避免了资源泄漏。

（图片来源网络，侵删）

`InputStream` / `OutputStream` vs. `Reader` / `Writer`

字节流 (InputStream/OutputStream)：处理原始的二进制数据（图片、视频、文件等），它们是面向字节的。
字符流 (Reader/Writer)：处理字符数据（文本），它们是面向字符的，并且可以处理字符编码。

在 TCP Socket 编程中，底层传输的是字节流，当我们想传输文本时，通常需要进行“桥接”：

用 InputStreamReader 将 InputStream (字节流) 包装成 Reader (字符流)。
用 OutputStreamWriter 将 OutputStream (字节流) 包装成 Writer (字符流)。

为了方便操作文本行,我们通常会进一步使用 BufferedReader 和 PrintWriter。

阻塞方法

ServerSocket.accept()：服务器端阻塞，它会一直等待，直到有客户端连接。
Socket.getInputStream().read()：客户端和服务器端都阻塞，它会一直等待，直到从网络中读取到数据。
BufferedReader.readLine()：阻塞，它会一直等待，直到读取到一行完整的文本（以 \n, \r, 或 \r\n 。

理解这些阻塞行为对于编写多线程网络程序至关重要。

半关闭

TCP 连接是全双工的，意味着可以双向独立关闭。Socket.close() 会同时关闭输入流和输出流，但有时我们可能只想关闭一个方向，

客户端发送完所有数据后,想告诉服务器“我没有数据要发了，但你还可以继续发给我”，这时可以调用 socket.shutdownOutput()。
服务器收到这个信号后,在 read() 方法时会读到 -1，从而知道客户端已经发送完毕。

进阶与最佳实践

处理多个客户端

上面的服务器一次只能处理一个客户端,因为它在 accept() 之后是同步等待数据收发的，在实际应用中，服务器需要能够同时为多个客户端服务，这通常通过多线程实现。

改进的服务器端（多线程版）：

// MultiThreadEchoServer.java
import java.io.*;
import java.net.*;
public class MultiThreadEchoServer {
    public static void main(String[] args) {
        int port = 8888;
        try (ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(port)) {
            System.out.println("多线程服务器已启动，正在监听端口 " + port + "...");
            while (true) { // 循环接受所有客户端连接
                Socket clientSocket = serverSocket.accept();
                System.out.println("新客户端已连接: " + clientSocket.getInetAddress().getHostAddress());
                // 为每个客户端创建一个新的线程来处理
                ClientHandler handler = new ClientHandler(clientSocket);
                new Thread(handler).start();
            }
        } catch (IOException e) {
            System.err.println("服务器异常: " + e.getMessage());
        }
    }
}
// 客户端处理任务
class ClientHandler implements Runnable {
    private final Socket clientSocket;
    public ClientHandler(Socket socket) {
        this.clientSocket = socket;
    }
    @Override
    public void run() {
        try (
             BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream()));
             PrintWriter out = new PrintWriter(clientSocket.getOutputStream(), true)
        ) {
            String inputLine;
            while ((inputLine = in.readLine()) != null) {
                System.out.println("[" + Thread.currentThread().getName() + "] 收到客户端消息: " + inputLine);
                out.println("服务器回显: " + inputLine);
            }
        } catch (IOException e) {
            // 如果客户端断开连接，会抛出 SocketException，这是正常行为
            System.out.println("客户端 " + clientSocket.getInetAddress() + " 已断开连接。");
        } finally {
            try {
                clientSocket.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

使用 NIO (New I/O) 提高性能

对于高并发的场景,为每个连接创建一个线程会消耗大量系统资源，Java NIO (Non-blocking I/O) 提供了一种更高效的方式，它使用通道和 选择器，允许一个线程管理多个连接，通过事件驱动模型来处理 I/O 操作，从而大大提高了系统的吞吐量。

NIO 是一个更复杂但更强大的主题，适合构建高性能的网络框架。

序列化对象

如果不想只传输字符串,而是想直接传输 Java 对象，可以使用 ObjectInputStream 和 ObjectOutputStream，被传输的类必须实现 java.io.Serializable 接口。

// 发送对象
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(socket.getOutputStream());
oos.writeObject(myObject);
// 接收对象
ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(socket.getInputStream());
MyObject myObject = (MyObject) ois.readObject();

使用现成框架

在实际项目中,直接使用原生 Socket 编写复杂的网络应用是比较繁琐的，通常会使用成熟的网络框架，它们封装了底层的细节，提供了更高级的功能，如：

Netty: 异步事件驱动的网络应用框架，性能极高，是目前最流行的 Java NIO 框架。
Mina: 另一个流行的 NIO 框架。
Apache Commons Net: 提供了一些客户端和服务器端的实现，相对简单。

希望这份详细的指南能帮助你理解 Java TCP Socket 编程！

Java TCP Socket编程如何实现可靠通信？

核心概念与流程

两个核心角色

通信流程

代码示例

服务器端代码

客户端代码

关键点解析

`try-with-resources` 语句

`InputStream` / `OutputStream` vs. `Reader` / `Writer`

阻塞方法

半关闭

进阶与最佳实践

处理多个客户端

使用 NIO (New I/O) 提高性能

序列化对象

使用现成框架

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核心概念与流程

两个核心角色

通信流程

代码示例

服务器端代码

客户端代码

关键点解析

try-with-resources 语句

InputStream / OutputStream vs. Reader / Writer

阻塞方法

半关闭

进阶与最佳实践

处理多个客户端

使用 NIO (New I/O) 提高性能

序列化对象

使用现成框架

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`try-with-resources` 语句

`InputStream` / `OutputStream` vs. `Reader` / `Writer`