如何创建 Java TCP Socket

1. 前言

TCP 的英文全称是 Transmission Control Protocol，翻译成中文叫做传输控制协议，它是 TCP/IP 协议族中非常重要的一个传输层协议。TCP 是一个面向连接的、面向字节流的、可靠的传输层协议，有丢包重传机制、有流控机制、有拥塞控制机制。TCP 保证数据包的顺序，并且对重复包进行过滤。相比不可靠传输协议 UDP，TCP 完全是相反的。

对于可靠性要求很高的应用场景来说，选择可靠 TCP 作为传输层协议肯定是正确的。例如，著名的 HTTP 协议和 FTP 协议都是采用 TCP 进行传输。当然 TCP 为了保证传输的可靠性，引入了非常复杂的保障机制，比如：TCP 连接建立时的三次握手和连接关闭时的四次挥手机制，滑动窗口机制，发送流控机制，慢启动和拥塞避免机制等。当然，操作系统的网络协议栈已经实现了这些复杂的机制，

本小节主要是介绍通过 Java 语言编写 TCP 客户端、服务器程序的方法。

编写 TCP 客户端、服务器程序主要分为如下几个步骤：

• 创建客户端 Socket，连接到某个服务器监听的端口，需要指定服务器监听的 host 和 port。host 可以是 IP 地址，也可以是域名。
• 创建服务端 Socket，绑定到一个固定的服务端口，监听客户端的连接请求。
• 客户端发起连接请求，完成三次握手过程。
• TCP 连接建立成功后，双方进行数据流交互。
• 数据流交互完成后，关闭连接。

2. 传统 TCP 客户端和服务器建立过程

为了更好地理解编写 TCP 客户端和服务器程序的步骤，下图展示了通过 C 语言 Socket API 编写客户端和服务器程序的过程。

图中的矩形方框都是 C 函数，很好的展示了客户端和服务器 Socket 的建立过程。对于 Java 语言来说，只是应用面向对象的思维对上面的过程进行了抽象，下来我们就探讨一下如何编写 Java 客户端和服务器程序。

3. Java Socket 类分析

Java 语言抽象了 java.net.Socket 类，表示一个 Socket，既可以用在客户端，又可以用在服务器端。其实 java.net.Socket 也是一个包装类，对外抽象了一组公共方法，具体实现是在 java.net.SocketImpl 类中完成的，它允许用户自定义具体实现。java.net.Socket 类包含的主要功能如下：

• 创建 Socket，具体就是创建一个 java.net.Socket 类的对象。
• 建立 TCP 连接，可以通过 java.net.Socket 类的构造方法完成，也可以调用它的 connect 方法完成。
• 将 Socket 绑定到本地接口 IP 地址或者端口，可以调用 java.net.Socket 类的 bind 方法完成。

提示：
服务器需要做 bind 操作，客户端一般不需要做 bind 操作。

• 关闭连接，可以调用 java.net.Socket 类的 close 方法完成。

• 接收数据，可以通过 java.net.Socket 类的 getInputStream 方法，返回一个 java.io.InputStream 对象实现数据接收。

• 发送数据，可以通过 java.net.Socket 类的 getOutputStream 方法，返回一个 java.io.OutputStream 对象实现数据发送。

java.net.Socket 类提供了一组重载的构造方法，方便程序员选择，大体分为四类：

• 可以传入服务器的 host 和 port 参数

原型如下：

  public Socket(String host, int port)
        throws UnknownHostException, IOException
  public Socket(InetAddress address, int port) throws IOException

对于 host 参数，你可以传入 IP 地址或者是域名。当然，你可以传入构造好的 InetAddress 地址结构。

在 java.net.Socket 的构造方法中，首先会构造一个 InetAddress 地址结构，然后进行域名解析，最后调用它的 connect 方法和服务器建立连接。

• 可以传入绑定的本地地址参数

原型如下：

  public Socket(String host, int port, InetAddress localAddr,  int localPort) throws IOException
  public Socket(InetAddress address, int port, InetAddress localAddr,  int localPort) throws IOException

这类构造方法也可以传入 host 和 port 外，功能和上面类似。另外，还可以传入 localAddr 和 localPort，会调用 java.net.Socket 类的 bind 方法，绑定在本地的接口地址和端口。

• 无参构造方法

  public Socket()

此构造方法，除了构造一个 java.net.Socket 类的对象，并不会去 connect 服务器。你需要调用它的 connect 方法连接服务器。

public void connect(SocketAddress endpoint, int timeout) throws IOException

自己调用 connect 方法，需要构造 SocketAddress 结构，当然你可以设置连接的超时时间，单位是毫秒（milliseconds）。

• 访问代理服务器

public Socket(Proxy proxy) 

当你需要访问某个代理服务器时，可以调用此构造方法，Socket 会自动去连接代理服务器。

创建一个简单的 java.net.Socket 客户端，示例代码如下：

import java.io.BufferedInputStream;
import java.io.BufferedOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.OutputStream;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.Socket;
import java.net.SocketAddress;

public class TCPClient {
    // 服务器监听的端口号
    private static final int PORT = 56002;
    private static final int TIMEOUT = 15000;

    public static void main(String[] args) {
        Socket client = null;
        try {
            // 在构造方法中传入 host 和 port
            // client = new Socket("192.168.43.49", PORT);

            // 调用无参构造方法
            client = new Socket();
            // 构造服务器地址结构
            SocketAddress serverAddr = new InetSocketAddress("192.168.0.101", PORT);
            // 连接服务器，超时时间是 15 毫秒
            client.connect(serverAddr, TIMEOUT);

            System.out.println("Client start:" + client.getLocalSocketAddress().toString());

            // 向服务器发送数据
            OutputStream out = new BufferedOutputStream(client.getOutputStream());
            String req = "Hello Server!\n";
            out.write(req.getBytes());
            // 不能忘记 flush 方法的调用
            out.flush();
            System.out.println("Send to server:" + req);

            // 接收服务器的数据
            BufferedInputStream in = new BufferedInputStream(client.getInputStream());
            StringBuilder inMessage = new StringBuilder();
            while(true){
                int c = in.read();
                if (c == -1 || c == '\n')
                    break;
                inMessage.append((char)c);
            }
            System.out.println("Recv from server:" + inMessage.toString());
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            if (client != null){
                try {
                    client.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
}

这里我们创建的是阻塞式的客户端，有几点需要注意的地方：

• 通过 OutputStream 的对象向服务器发送完数据后，需要调用 flush 方法。
• BufferedInputStream 的 read 方法会阻塞线程，所以需要设计好消息边界的识别机制，示例代码是通过换行符 ‘\n’ 表示一个消息边界。
• java.net.Socket 的各个方法都抛出了 IOException 异常，需要捕获。
• 注意调用 close 方法，关闭连接。

4. Java ServerSocket 类分析

Java 语言抽象了 java.net.ServerSocket 类表示服务器监听 Socket，此类只用在服务器端，通过调用它的 accept 方法来获取新的连接。accept 方法的返回值是 java.net.Socket 类型，后续服务器和客户端的数据收发，都是通过 accept 方法返回的 Socket 对象完成。

java.net.ServerSocket 类也提供了一组重载的构造方法，方便程序员选择。

  public ServerSocket(int port) throws BindException, IOException
  public ServerSocket(int port, int queueLength) throws BindException, IOException
  public ServerSocket(int port, int queueLength, InetAddress bindAddress) throws IOException
  public ServerSocket() throws IOException

• port 参数用于传入服务器监听的端口号。如果传入的 port 是 0，系统会随机选择一个端口监听。
• queueLength 参数用于设置连接接收队列的长度。不传入此参数，采用系统默认长度。
• bindAddress 参数用于将监听 Socket 绑定到一个本地接口。如果传入此参数，服务器会监听指定的接口地址；如果不指定此参数，默认会监听通配符 IP 地址，比如 IPv4 是 0.0.0.0。

• 提示：
• 可以通过 netstat 命令查看服务器程序监听的 IP 地址和端口号。

如果你是通过无参构造方法构造 java.net.ServerSocket 类的对象，需要手动调用它的 bind 方法，绑定监听端口和接口地址。

创建一个简单的服务器监听 Socket，示例代码如下：

import java.io.*;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

public class TCPServer {
    private static final int PORT =56002;

    public static void main(String[] args) {
        ServerSocket ss = null;
        try {
            // 创建一个服务器 Socket
            ss = new ServerSocket(PORT);
            // 监听新的连接请求
            Socket conn = ss.accept();
            System.out.println("Accept a new connection:" + conn.getRemoteSocketAddress().toString());

            // 读取客户端数据
            BufferedInputStream in = new BufferedInputStream(conn.getInputStream());
            StringBuilder inMessage = new StringBuilder();
            while(true){
                int c = in.read();
                if (c == -1 || c == '\n')
                    break;
                inMessage.append((char)c);
            }
            System.out.println("Recv from client:" + inMessage.toString());

            // 向客户端发送数据
            String rsp = "Hello Client!\n";
            BufferedOutputStream out = new BufferedOutputStream(conn.getOutputStream());
            out.write(rsp.getBytes());
            out.flush();
            System.out.println("Send to client:" + rsp);
            conn.close();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            if (ss != null){
                try {
                    ss.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }

        System.out.println("Server exit!");
    }
}

我们创建的阻塞式服务端，所以 java.net.ServerSocket 的 accept 方法会阻塞线程，直到新连接返回。同样，在接收客户端的消息的时候注意消息边界的处理，最后向客户端发送响应的时候，需要调用 flush 方法。

5. 小结

用 Java 语言编写 TCP 客户端和服务器程序非常方便，你只需要创建一个 java.net.ServerSocket 实例，然后调用它的 accept 方法监听客户端的请求；你只需要创建一个 java.net.Socket 实例，可以通过构造方法或者 connect 连接对应的服务器，然后就可以进行数据的收发，最后数据交互完成后，调用 close 方法关闭连接即可。

示例代码中的服务器功能还不完善，不能持续提供服务，不能同时接收多个客户端的连接请求，需要在后续的小节逐步完善。