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Java网络编程：TCP与UDP通信实现及网络编程基础

news 2025/8/20 10:55:35

目录

  • Java网络编程学习笔记（简化案例版）：TCP与UDP通信实现及网络编程基础
    • 一、网络编程基础：InetAddress与协议概述
      • 1.1 InetAddress类：IP地址与主机名操作
        • 常用方法及案例
      • 1.2 TCP与UDP协议：特点与适用场景
    • 二、UDP通信：无连接的数据报传输
      • 2.1 UDP核心类：DatagramSocket与DatagramPacket
      • 2.2 UDP通信案例：客户端发送消息，服务端接收
        • 服务端实现（接收数据）
        • 客户端实现（发送数据）
      • 2.3 UDP通信步骤与注意事项
        • 服务端步骤：
        • 客户端步骤：
        • 注意事项：
    • 三、TCP通信：面向连接的可靠传输
      • 3.1 TCP核心类：Socket与ServerSocket
      • 3.2 TCP通信案例1：多线程服务端（支持同时处理多个客户端）
        • 服务端
        • 客户端实现
      • 3.3 TCP通信案例2：B/S架构模拟（使用线程池管理）
        • 简易HTTP服务端（支持浏览器访问）
      • 3.4 TCP通信步骤与注意事项
        • 服务端步骤：
        • 客户端步骤：
        • 注意事项：
    • 四、并发与并行：网络编程中的多任务处理
      • 4.1 概念区分
      • 4.2 网络编程中的应用
    • 五、总结

Java网络编程学习笔记（简化案例版）：TCP与UDP通信实现及网络编程基础

一、网络编程基础：InetAddress与协议概述

1.1 InetAddress类：IP地址与主机名操作

InetAddress是Java中用于表示IP地址的类，提供了获取主机名、IP地址等网络信息的方法。

常用方法及案例
import java.net.InetAddress;
import java.net.UnknownHostException;public class InetAddressDemo {public static void main(String[] args) throws UnknownHostException {// 1. 获取本地主机信息InetAddress localHost = InetAddress.getLocalHost();System.out.println("本地主机名：" + localHost.getHostName()); // 例如：DESKTOP-XXXSystem.out.println("本地IP地址：" + localHost.getHostAddress()); // 例如：192.168.1.100// 2. 根据域名获取IP地址（DNS解析）InetAddress baidu = InetAddress.getByName("www.baidu.com");System.out.println("百度主机名：" + baidu.getHostName()); // www.baidu.comSystem.out.println("百度IP地址：" + baidu.getHostAddress()); // 例如：180.101.50.242// 3. 判断是否可达（超时时间：3000毫秒）boolean reachable = baidu.isReachable(3000);System.out.println("百度服务器是否可达：" + reachable); // true（网络正常时）}
}

注意事项：

  • getByName(String host)：host可以是域名（如www.baidu.com）或IP字符串（如192.168.1.1）；
  • isReachable(int timeout)：判断主机是否可达，依赖ICMP协议（类似ping），部分系统可能需要管理员权限。

1.2 TCP与UDP协议：特点与适用场景

TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议）是TCP/IP协议族中两种核心传输层协议，核心区别在于是否提供可靠连接。

对比维度TCPUDP
连接方式面向连接（三次握手建立连接）无连接（直接发送，无需建立连接）
可靠性可靠（重传丢失数据包，保证顺序）不可靠（可能丢包、乱序，不重传）
速度较慢（三次握手、确认机制开销）较快（无连接开销，实时性高）
数据边界无（字节流，需应用层处理边界）有（数据报独立，一次发送一个完整包）
适用场景文件传输、登录认证、HTTP通信等视频通话、直播、DNS查询、游戏数据等
类比生活场景打电话（需接通，说话有顺序，对方确认听到）发短信（无需确认对方是否接收，直接发送）

二、UDP通信：无连接的数据报传输

UDP是一种无连接、不可靠的传输协议，数据以“数据报”形式发送，适用于对实时性要求高但可容忍少量丢包的场景（如视频直播、游戏）。

2.1 UDP核心类：DatagramSocket与DatagramPacket

  • DatagramSocket：用于发送/接收数据报的套接字（类似“快递收发站”）；
  • DatagramPacket：封装数据的数据包（类似“快递包裹”，包含数据、目标地址和端口）。

2.2 UDP通信案例：客户端发送消息，服务端接收

服务端实现（接收数据）
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;public class UDPServer {public static void main(String[] args) throws Exception {// 1. 创建DatagramSocket，绑定端口（服务端必须指定端口，让客户端知道发送到哪里）DatagramSocket socket = new DatagramSocket(8888); // 端口8888（1024-65535之间，避免冲突）// 2. 创建数据包，用于接收数据（缓冲区大小：1024字节）byte[] buffer = new byte[1024];DatagramPacket packet = new DatagramPacket(buffer, buffer.length);System.out.println("UDP服务端启动，等待接收数据...");// 3. 接收数据（阻塞方法，直到收到数据包）socket.receive(packet); // 将接收的数据存入packet// 4. 解析数据包String data = new String(packet.getData(), 0, packet.getLength(), "UTF-8"); // 从缓冲区提取有效数据String clientIP = packet.getAddress().getHostAddress(); // 获取客户端IPint clientPort = packet.getPort(); // 获取客户端端口System.out.println("收到来自 " + clientIP + ":" + clientPort + " 的消息：" + data);}
}
客户端实现（发送数据）
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.InetAddress;public class UDPClient {public static void main(String[] args) throws Exception {// 1. 创建DatagramSocket（客户端可不指定端口，系统自动分配临时端口）DatagramSocket socket = new DatagramSocket();// 2. 准备发送的数据String message = "Hello UDP Server!";byte[] data = message.getBytes("UTF-8"); // 字符串转字节数组（网络传输必须用字节）// 3. 创建数据包，指定目标IP、端口和数据InetAddress serverIP = InetAddress.getByName("127.0.0.1"); // 服务端IP（本地回环地址，测试用）int serverPort = 8888; // 服务端端口（必须与服务端绑定的端口一致）DatagramPacket packet = new DatagramPacket(data, data.length, serverIP, serverPort);// 4. 发送数据包socket.send(packet);// 5. 关闭资源socket.close();}
}

2.3 UDP通信步骤与注意事项

服务端步骤：
  1. 创建DatagramSocket并绑定端口（new DatagramSocket(端口号)）；
  2. 创建DatagramPacket作为接收缓冲区；
  3. 调用socket.receive(packet)阻塞接收数据；
  4. 解析packet获取数据、客户端IP和端口；
客户端步骤：
  1. 创建DatagramSocket（可不指定端口，系统自动分配）；
  2. 准备数据并转为字节数组；
  3. 创建DatagramPacket，指定服务端IP、端口和数据；
  4. 调用socket.send(packet)发送数据；
  5. 关闭socket。
注意事项：
  • 无连接特性：UDP客户端发送数据前无需与服务端建立连接，可能出现“服务端未启动，客户端仍能发送数据”的情况（数据会丢失）；
  • 数据报边界：每个DatagramPacket是独立的，服务端receive()一次接收一个完整数据包；
  • 不可靠性：UDP不保证数据一定到达，也不保证顺序，需应用层自行处理（如添加序号、重传机制）；
  • 端口冲突：服务端绑定的端口若被占用，会抛出BindException，需更换端口。

三、TCP通信：面向连接的可靠传输

TCP是一种面向连接、可靠的传输协议，通过三次握手建立连接，四次挥手断开连接，保证数据按序、不丢失地传输，适用于对可靠性要求高的场景（如文件传输、登录）。

3.1 TCP核心类：Socket与ServerSocket

  • ServerSocket：服务端套接字，用于监听客户端连接请求（类似“总机接线员”）；
  • Socket：客户端与服务端建立连接后的“双向通道”，通过输入流接收数据，输出流发送数据（类似“电话接通后的通话线路”）。

3.2 TCP通信案例1：多线程服务端（支持同时处理多个客户端）

服务端
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;public class TCPServer {public static void main(String[] args) throws Exception {//目标：创建服务器，接收数据System.out.println("服务器启动...");//创建TCP服务器ServerSocket server = new ServerSocket(9999);while (true) {//等待客户端连接Socket ss = server.accept();//输出连接客户端的IP地址System.out.println(ss.getInetAddress().getHostAddress()+"客户端已上线");//将客户端连接的Socket对象交给ServerRead线程处理new ServerRead(ss).start();}}
}import java.io.DataInputStream;
import java.io.InputStream;
import java.net.Socket;public class ServerRead extends Thread{private Socket tcpserver;//创建有参数构造方法接收服务器套接字public ServerRead(Socket tcpserver){this.tcpserver = tcpserver;}@Overridepublic void run(){try {//创建输入流InputStream is = tcpserver.getInputStream();//使用特殊数据流包装输入流DataInputStream dis = new DataInputStream(is);while (true) {//获取数据String str = dis.readUTF();System.out.println("收到客户端："+ tcpserver.getInetAddress().getHostAddress() +",端口："+ tcpserver.getPort() + ",的数据：" + str);}} catch (Exception e) {//输入exit或客户端断开连接（非正常退出），则输出客户端已下线System.out.println(tcpserver.getInetAddress().getHostAddress() + "客户端已下线");}}
}
客户端实现
import java.io.DataOutputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.net.Socket;
import java.util.Scanner;public class TCPClient {public static void main(String[] args) throws Exception {//目标：创建TCP客户端，发送数据System.out.println("客户端启动...");//创建TCP客户端，指定服务器的IP地址和端口号Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 9999);//创建输出流OutputStream os = socket.getOutputStream();//使用特殊数据流包装输出流DataOutputStream dos = new DataOutputStream(os);Scanner sc = new Scanner(System.in);//发送数据while (true) {System.out.println("请输入数据：");String str = sc.nextLine();if ("exit".equals(str)){System.out.println("客户端退出...");socket.close();break;}dos.writeUTF(str);dos.flush();}}
}

3.3 TCP通信案例2：B/S架构模拟（使用线程池管理）

B/S架构（Browser/Server）是TCP通信的典型应用，浏览器（客户端）向Web服务器发送HTTP请求，服务器响应HTML页面。以下模拟这一过程：

简易HTTP服务端（支持浏览器访问）
import java.io.*;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;public class HttpServer {public static void main(String[] args) throws Exception {ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080); // HTTP默认端口是80，这里用8080测试ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10); // 线程池管理请求System.out.println("HTTP服务端启动，监听端口8080，浏览器访问：http://127.0.0.1:8080");while (true) {Socket socket = serverSocket.accept(); // 接收浏览器连接（大堂经理接客）threadPool.submit(() -> handleHttp(socket)); //创建子线程 （转交给服务员）}}private static void handleHttp(Socket socket) {try (BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));PrintWriter pw = new PrintWriter(socket.getOutputStream(), true);) {// 读取HTTP请求（只读取请求行，简化处理）String requestLine = br.readLine();System.out.println("HTTP请求行：" + requestLine); // 例如：GET /index.html HTTP/1.1// 构建HTTP响应（响应行 + 响应头 + 空行 + 响应体）pw.println("HTTP/1.1 200 OK"); // 响应行：协议版本 状态码 状态描述pw.println("Content-Type: text/html;charset=UTF-8"); // 响应头：内容类型pw.println(); // 空行（分隔响应头和响应体）pw.println("<h1>Hello!</h1>"); // 响应体（HTML内容）} catch (Exception e) {e.printStackTrace();} finally {try {socket.close();} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}}
}

测试方式：启动服务端后，打开浏览器访问http://127.0.0.1:8080，页面会显示“Hello!”。

3.4 TCP通信步骤与注意事项

服务端步骤：
  1. 创建ServerSocket并绑定端口（new ServerSocket(端口号)）；
  2. 循环调用serverSocket.accept()阻塞等待客户端连接，返回Socket对象；
  3. 通过Socket获取输入流（接收客户端数据）和输出流（发送响应）；
  4. 处理数据（如多线程/线程池并发处理多个客户端）；
  5. 关闭Socket和ServerSocket。
客户端步骤：
  1. 创建Socket，指定服务端IP和端口（new Socket(ip, port)）；
  2. 通过Socket获取输入流（接收服务端响应）和输出流（发送数据）；
  3. 读写数据；
  4. 关闭Socket。
注意事项：
  • 连接建立：TCP客户端new Socket(ip, port)时，若服务端未启动，会抛出ConnectException（连接拒绝）；
  • 流的关闭顺序：通常先关闭输出流，再关闭输入流，最后关闭Socket；
  • 粘包问题：TCP是字节流，多次发送的小数据可能被合并成一个包发送（需应用层处理边界，如固定长度、分隔符）；
  • 线程池优化：服务端处理多个客户端时，使用线程池避免“客户端过多导致线程创建耗尽资源”的问题（如案例3.2中的ExecutorService）。

四、并发与并行：网络编程中的多任务处理

4.1 概念区分

  • 并发（Concurrency）：同一时间段内，多个任务交替执行（单核CPU通过时间片切换实现，如“一个CPU同时处理多个客户端请求”）；
  • 并行（Parallelism）：同一时刻，多个任务同时执行（多核CPU，多个任务在不同核心上真正同时运行）。

4.2 网络编程中的应用

  • TCP服务端多线程/线程池：通过并发处理多个客户端连接（如案例3.2中，线程池同时处理5个客户端，单核CPU时交替执行，多核时并行执行）；
  • UDP服务端：可通过多线程同时接收和处理多个数据报，提高吞吐量。

五、总结

Java网络编程核心基于TCP和UDP协议，两者各有适用场景：

  • UDP：无连接、速度快、不可靠，适用于实时通信（如视频、游戏）；
  • TCP：面向连接、可靠、速度较慢，适用于数据准确性要求高的场景（如文件传输、登录）。

开发步骤上，UDP通过DatagramSocket和DatagramPacket实现数据报传输，TCP通过ServerSocket和Socket实现字节流传输。实际开发中，需根据业务需求选择协议，并注意资源释放（如关闭Socket）、并发处理（如线程池）等问题。

http://www.lryc.cn/news/625920.html

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