现代的应用程序都离不开网络，网络编程是非常重要的技术。Java SE提供java.net包，其中包含了网络编程所需要的最基础一些类和接口。这些类和接口面向两个不同的层次：基于Socket的低层次网络编程和基于URL的高层次网络编程，所谓高低层次就是通信协议的高低层次，Socket采用TCP、UDP等协议，这些协议属于低层次的通信协议；URL采用HTTP和HTTPS这些属于高层次的通信协议。低层次网络编程，因为它面向底层，比较复杂，但是“低层次网络编程”并不等于它功能不强大。恰恰相反，正因为层次低，Socket编程与基于URL的高层次网络编程比较，能够提供更强大的功能和更灵活的控制，但是要更复杂一些。
## 24.1 网络基础
**1 客户端服务器结构网络**
客户端服务器（Client Server，缩写C/S）结构网络，是一种主从结构网络。如图24-1所示，服务器一般处于等待状态，如果有客户端请求，服务器响应请求建立连接提供服务。服务器是被动的，有点像在餐厅吃饭时候的服务员。而客户端是主动的，像在餐厅吃饭的顾客
例如：Web服务、文件传输服务和邮件服务等。虽然它们存在的目的不一样，但基本结构是一样的。这种网络结构与设备类型无关，服务器不一定是电脑，也可能是手机等移动设备。
**2 对等结构网络**
对等结构网络也叫点对点网络（Peer to Peer，缩写P2P），每个节点之间是对等的。它们如图24-2所示，每个节点既是服务器又是客户端，这种结构有点像吃自助餐。
对等结构网络分布范围比较小。通常在一间办公室或一个家庭内，因此它非常适合于移动设备间的网络通讯，网络链路层是由蓝牙和WiFi实现。
### 24.1.2 TCP/IP协议
网络通信会用到协议，其中TCP/IP协议是非常重要的。TCP/IP协议是由IP和TCP两个协议构成的，IP（Internet Protocol）协议是一种低级的路由协议，它将数据拆分成许多小的数据包中，并通过网络将它们发送到某一特定地址，但无法保证都所有包都抵达目的地，也不能保证包的顺序。
由于IP协议传输数据的不安全性，网络通信时还需要TCP协议，传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）是一种高层次的协议，面向连接的可靠数据传输协议，如果有些数据包没有收到会重发，并对数据包内容准确性检查并保证数据包顺序，所以该协议保证数据包能够安全地按照发送时顺序送达目的地。
### 24.1.3 IP地址
为实现网络中不同计算机之间的通信，每台计算机都必须有一个与众不同的标识，这就是IP地址，TCP/IP使用IP地址来标识源地址和目的地址。最初所有的IP地址都是32位数字构成，由4个8位的二进制数组成，每8位之间用圆点隔开，如：192.168.1.1，这种类型的地址通过IPv4指定。
而现在有一种新的地址模式称为IPv6，IPv6使用128位数字表示一个地址，分为8个16位块。尽管IPv6比IPv4有很多优势，但是由于习惯的问题，很多设备还是采用IPv4。不过Java语言同时指出IPv4和IPv6。
在IPv4地址模式中IP地址分为A、B、C、D和E等5类。
* A类地址用于大型网络，地址范围：1.0.0.1~126.155.255.254。
* B类地址用于中型网络，地址范围：128.0.0.1~191.255.255.254。
* C类地址用于小规模网络，192.0.0.1~223.255.255.254。
* D类地址用于多目的地信息的传输和作为备用。
* E类地址保留仅作实验和开发用。
另外，有时还会用到一个特殊的IP地址127.0.0.1，127.0.0.1称为回送地址，指本机。主要用于网络软件测试以及本地机进程间通信，使用回送地址发送数据，不进行任何网络传输，只在本机进程间通信。
### 24.1.4 端口
一个IP地址标识这一台计算机，每一台计算机又有很多网络通信程序在运行，提供网络服务或进行通信，这就需要不同的端口进行通信。如果把IP地址比作电话号码，那么端口就是分机号码，进行网络通信时不仅要指定IP地址，还要指定端口号。
TCP/IP系统中的端口号是一个16位的数字，它的范围是0~65535。小于1024的端口号保留给预定义的服务，如HTTP是80，FTP是21，Telnet是23，Email是25等，除非要和那些服务进行通信，否则不应该使用小于1024的端口。
## 24.2 TCP Socket低层次网络编程
TCP/IP协议的传输层有两种传输协议：TCP（传输控制协议）和 UDP（用户数据报协议）。TCP是面向连接的可靠数据传输协议。TCP就像好比电话，电话接通后双方才能通话，在挂断电话之前，电话一直占线。TCP连接一旦建立起来，一直占用，直到关闭连接。另外，TCP为了保证数据的正确性，会重发一切没有收到的数据，还会对进行数据内容进行验证，并保证数据传输的正确顺序。因此TCP协议对系统资源的要求较多。
基于TCP Socket编程很有代表性，先介绍TCP Socket编程。
### 24.2.1 TCP Socket通信概述
Socket是网络上的两个程序，通过一个双向的通信连接，实现数据的交换。这个双向链路的一端称为一个Socket。Socket通常用来实现客户端和服务端的连接。Socket是TCP/IP协议的一个十分流行的编程接口，一个Socket由一个IP地址和一个端口号唯一确定，一旦建立连接Socket还会包含本机和远程主机的IP地址和远端口号，如图24-3所示，Socket是成对出现的。
### 24.2.2 TCP Socket通信过程
使用Socket进行C/S结构编程，通信过程如图24-4所示。
**图24-4 TCP Socket通信过程**
服务器端监听某个端口是否有连接请求，服务器端程序处于阻塞状态，直到客户端向服务器端发出连接请求，服务器端接收客户端请求，服务器会响应请求，处理请求，然后将结果应答给客户端，这样就会建立连接。一旦连接建立起来，通过Socket可以获得输入输出流对象。借助于输入输出流对象就可以实现服务器与客户端的通信，最后不要忘记关闭Socket和释放一些资源（包括：关闭输入输出流）。
### 24.2.3 Socket类
java.net包为TCP Socket编程提供了两个核心类：Socket和ServerSocket，分别用来表示双向连接的客户端和服务器端。
**本节先介绍一下Socket类，Socket常用的构造方法有：**
* Socket(InetAddress address, int port) ：创建Socket对象，并指定远程主机IP地址和端口号。
* Socket(InetAddress address, int port, InetAddress localAddr, int localPort)：创建Socket对象，并指定远程主机IP地址和端口号，以及本机的IP地址（localAddr）和端口号（localPort）。
* Socket(String host, int port)：创建Socket对象，并指定远程主机名和端口号，IP地址为null，null表示回送地址，即127.0.0.1。
* Socket(String host, int port, InetAddress localAddr, int localPort)：创建Socket对象，并指定远程主机和端口号，以及本机的IP地址（localAddr）和端口号（localPort）。host主机名，IP地址为null，null表示回送地址，即127.0.0.1。
**Socket其他的常用方法有：**
* InputStream getInputStream()：通过此Socket返回输入流对象。
* OutputStream getOutputStream()：通过此Socket返回输出流对象。
* int getPort()：返回Socket连接到的远程端口。
* int getLocalPort()：返回Socket绑定到的本地端口。
* InetAddress getInetAddress()：返回Socket连接的地址。
* InetAddress getLocalAddress()：返回Socket绑定的本地地址。
* boolean isClosed()：返回Socket是否处于关闭状态。
* boolean isConnected()：返回Socket是否处于连接状态。
* void close()：关闭Socket。
**注意** Socket与流类似所占用的资源，不能通过JVM的垃圾收集器回收，需要程序员释放。一种方法是可以在finally代码块调用close()方法关闭Socket，释放流所占用的资源。另一种方法通过自动资源管理技术释放资源，Socket和ServerSocket都实现了AutoCloseable接口。
### 24.2.4 ServerSocket类
**ServerSocket类常用的构造方法有：**
* ServerSocket(int port, int maxQueue)：创建绑定到特定端口的服务器Socket。maxQueue设置连接的请求最大队列长度，如果队列满时，则拒绝该连接。默认值是50。
* ServerSocket(int port)：创建绑定到特定端口的服务器Socket。最大队列长度是50。
**ServerSocket其他的常用方法有：**
* InputStream getInputStream()：通过此Socket返回输入流对象。
* OutputStream getOutputStream()：通过此Socket返回输出流对象。
* boolean isClosed()：返回Socket是否处于关闭状态。
* Socket accept()：侦听并接收到Socket的连接。此方法在建立连接之前一直阻塞。
* void close()：关闭Socket。
ServerSocket类本身不能直接获得I/O流对象，而是通过accept()方法返回Socket对象，通过Socket对象取得I/O流对象，进行网络通信。此外，ServerSocket也实现了AutoCloseable接口，通过自动资源管理技术关闭ServerSocket。
### 24.2.5 案例：文件上传工具
基于TCP Socket编程比较复杂，先从一个简单的文件上传工具案例介绍TCP Socket编程基本流程。上传过程是一个单向Socket通信过程，如图24-5所示
* 客户端通过文件输入流读取文件，然后从Socket获得输出流写入数据，写入数据完成上传成功，客户端任务完成。
* 服务器端从Socket获得输入流，然后写入文件输出流，写入数据完成上传成功，服务器端任务完成。
**下面看看案例服务器端UploadServer代码如下：**
```
~~~
//UploadServer.java文件
package com.a51work6;
… …
public class UploadServer {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("服务器端运行...");
try ( // 创建一个ServerSocket监听8080端口的客户端请求
ServerSocket server = new ServerSocket(8080); ①
// 使用accept()阻塞当前线程，等待客户端请求
Socket socket = server.accept(); ②
// 由Socket获得输入流，并创建缓冲输入流
BufferedInputStream in = new BufferedInputStream(socket.getInputStream()); ③
// 由文件输出流创建缓冲输出流
FileOutputStream fiOut = new FileOutputStream("./TestDir/subDir/coco2dxcplus.jpg")
BufferedOutputStream out = new BufferedOutputStream(fiOut );
) {④
// 准备一个缓冲区
byte[] buffer = new byte[1024];
// 首次从Socket读取数据
int len = in.read(buffer);
while (len != -1) {
// 写入数据到文件
out.write(buffer, 0, len);
// 再次从Socket读取数据
len = in.read(buffer);
}
System.out.println("接收完成！");
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
~~~
```
上述代码第①行创建ServerSocket对象监听本机的8080端口，这是当前线程还没有阻塞，调用代码第②行的server.accept()才会阻塞当前线程，等待客户端请求。
> **提示** 由于当前线程是主线程，所以server.accept()会阻塞主线程，阻塞主线程是不明智的，如果是在一个图形界面的应用程序，阻塞主线程会导致无法进行任何的界面操作，就是常见的“卡”现象，所以最好是把server.accept()语句放到子线程中。
代码第③行是从socket对象中获得输入流对象，代码第④行是文件输出流。下面输入输出代码读者可以参考第22章，这里不再赘述。
**案例客户端UploadClient代码如下：**
```
~~~
//UploadClient.java文件
package com.a51work6;
… …
public class UploadClient {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("客户端运行...");
try ( // 向本机的8080端口发出请求
Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 8080); ①
// 由Socket获得输出流，并创建缓冲输出流
BufferedOutputStream out = new BufferedOutputStream(socket.getOutputStream());②
// 创建文件输入流
FileInputStream fin = new FileInputStream("./TestDir/coco2dxcplus.jpg");
// 由文件输入流创建缓冲输入流
BufferedInputStream in = new BufferedInputStream(fin)) {
// 准备一个缓冲区
byte[] buffer = new byte[1024];
// 首次读取文件
int len = in.read(buffer);
while (len != -1) {
// 数据写入Socket
out.write(buffer, 0, len);
// 再次读取文件
len = in.read(buffer);
}
System.out.println("上传成功！");
} catch (ConnectException e) { ③
System.out.println("服务器未启动！");
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
~~~
```
上述代码第①行创建Socket，指定远程主机的IP地址和端口号。代码第②行是从socket对象获得输出流。代码第③行是捕获ConnectException异常，这个异常引起的原因是在代码第①行向服务器发出请求时，服务器拒绝了客户端请求，这有两种可能性：一是服务器没有启动，服务器的8080端口没有打开；二是服务器请求队列已满（默认是50个）。
**提示** 案例测试时，先运行服务器，再运行客户端。测试Socket程序最好打开两个命令行窗口，通过java指令分别运行服务器程序和客户端程序，如图24-6和24-7所示，需要注意当前运行的路径是Eclipse工程根目录，需要指定类路径，命令的-cp .;./bin就是指定类路径，包括两个当前路径：其中点（.）表示当前路径，./bin表示bin目录，也可以写成.\\bin。为什么要指定bin目录呢？是因为编译之后的字节码文件放在此目录中。另外，如果想在Eclipse中查看多个控制台信息，如图24-8所示，在控制台上面的工具栏中，单击“选择控制台”按钮实现切换。
### 24.2.6 案例：聊天工具
第24.2.5节介绍的案例只是单向传输的Socket，Socket可以双向数据传输，但是这就有些复杂了，比较有代表性的案例就是聊天工具。
如图24-9所示是基于TCP Socket聊天工具案例，其中的标准输入是键盘，标准输出是显示器的控制台。首先客户端通过键盘输入字符串，通过标准输入流读取字符串，然后通过Socket获得输出流，将字符串写入输出流。接着服务器通过Socket获得输入流，从输入流中读取来自客户端发送过来的字符串，然后通过标准输出流输出到显示器的控制台。服务器向客户端字符串过程类似。
**案例服务器端ChatServer代码如下**
