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《Java 程序设计》第 18 章 - Java 网络编程

news 2025/8/1 5:23:41

引言

        在当今的互联网时代，网络编程是软件开发中不可或缺的重要部分。Java 提供了丰富的类库来支持网络编程，使得开发者能够轻松地实现各种网络通信功能。本章将详细介绍 Java 网络编程的核心知识，包括网络基础概念、套接字通信、数据报通信以及 URL 编程等内容，并通过完整的代码示例帮助大家掌握实际应用技能。

18.1 网络概述

        网络编程的本质是实现不同设备之间的数据传输。在学习 Java 网络编程之前，我们需要先了解一些计算机网络的基本概念。

18.1.1 网络分层与协议

        为了实现不同计算机之间的通信，网络通信采用分层模型设计，每一层负责特定的功能，并通过协议规范通信方式。

最著名的网络模型有两种：

  • OSI 七层模型：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层
  • TCP/IP 四层模型：网络接口层、网络层、传输层、应用层（或分为五层，将网络接口层细分为物理层和数据链路层）

常用协议：

  • 网络层：IP 协议（Internet Protocol）
  • 传输层：TCP 协议（Transmission Control Protocol）和 UDP 协议（User Datagram Protocol）
  • 应用层：HTTP、FTP、SMTP 等

18.1.2 客户 / 服务器结构

在网络通信中，最常见的模式是客户 / 服务器（C/S）结构：

  • 服务器（Server）：提供服务的计算机或程序，被动等待客户端的连接请求
  • 客户端（Client）：请求服务的计算机或程序，主动向服务器发起连接请求

B/S 结构（浏览器 / 服务器）是一种特殊的 C/S 结构，客户端是浏览器，通过 HTTP 协议与服务器通信。

18.1.3 IP 地址和域名

  • IP 地址：网络中每个设备的唯一标识，用于设备之间的定位。

    • IPv4：32 位，格式如 192.168.1.1
    • IPv6：128 位，格式如 2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334（为解决 IPv4 地址耗尽问题）
    • 本地回环地址：127.0.0.1，通常映射到域名 localhost

  • 域名：为了方便记忆，用字符串标识网络中的设备，如 www.csdn.net。

  • DNS（域名系统）：负责将域名解析为对应的 IP 地址。

18.1.4 端口号与套接字

 

  • 端口号：标识设备上运行的不同网络程序，范围是 0-65535。

    • 0-1023：知名端口，被系统保留（如 HTTP 的 80，FTP 的 21）
    • 1024-49151：注册端口
    • 49152-65535：动态或私有端口，可用于普通应用程序

  • 套接字（Socket）：网络通信的端点，由 IP 地址和端口号组成，用于标识通信的双方。

    • 格式：IP地址:端口号（如 192.168.1.100:8080）
    • Java 中通过 Socket 类实现套接字功能

18.2 Java 套接字通信

        Java 中基于 TCP 协议的网络通信主要通过套接字（Socket）实现，核心类是 ServerSocket（服务器端）和 Socket（客户端）。

18.2.1 套接字 API

  • ServerSocket：服务器端套接字，用于监听客户端的连接请求。

    • 构造方法：ServerSocket(int port) - 绑定到指定端口
    • 核心方法：Socket accept() - 阻塞等待客户端连接，返回与客户端通信的 Socket 对象

  • Socket：客户端套接字，也用于服务器端与客户端通信。

    • 构造方法：Socket(String host, int port) - 连接到指定主机的指定端口
    • 核心方法：
      • InputStream getInputStream() - 获取输入流，用于读取数据
      • OutputStream getOutputStream() - 获取输出流，用于发送数据
      • void close() - 关闭套接字
@startuml
class ServerSocket {+ ServerSocket(int port) throws IOException+ Socket accept() throws IOException+ void close() throws IOException+ int getLocalPort()
}class Socket {+ Socket(String host, int port) throws IOException+ InputStream getInputStream() throws IOException+ OutputStream getOutputStream() throws IOException+ void close() throws IOException+ InetAddress getInetAddress()+ int getPort()+ int getLocalPort()
}ServerSocket "1" -- "*" Socket : 创建
@enduml

18.2.2 简单的客户和服务器程序

下面实现一个简单的 TCP 通信程序：客户端向服务器发送一条消息，服务器接收后回复一条消息。

服务器端代码（TCPServer.java）：

import java.io.*;
import java.net.*;public class TCPServer {public static void main(String[] args) {ServerSocket serverSocket = null;Socket clientSocket = null;try {// 创建服务器套接字，绑定到8888端口serverSocket = new ServerSocket(8888);System.out.println("服务器已启动，等待客户端连接...");// 阻塞等待客户端连接clientSocket = serverSocket.accept();System.out.println("客户端已连接：" + clientSocket.getInetAddress().getHostAddress());// 获取输入流和输出流BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream(), "UTF-8"));PrintWriter out = new PrintWriter(new OutputStreamWriter(clientSocket.getOutputStream(), "UTF-8"), true);// 读取客户端发送的消息String clientMsg = in.readLine();System.out.println("收到客户端消息：" + clientMsg);// 向客户端发送响应String serverMsg = "Hello Client! 我是服务器";out.println(serverMsg);System.out.println("已向客户端发送消息：" + serverMsg);} catch (IOException e) {e.printStackTrace();} finally {// 关闭资源try {if (clientSocket != null) clientSocket.close();if (serverSocket != null) serverSocket.close();System.out.println("服务器已关闭");} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}}
}

客户端代码（TCPClient.java）：

import java.io.*;
import java.net.*;public class TCPClient {public static void main(String[] args) {Socket socket = null;try {// 连接到本地服务器的8888端口socket = new Socket("localhost", 8888);System.out.println("已连接到服务器");// 获取输入流和输出流BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream(), "UTF-8"));PrintWriter out = new PrintWriter(new OutputStreamWriter(socket.getOutputStream(), "UTF-8"), true);// 向服务器发送消息String clientMsg = "Hello Server! 我是客户端";out.println(clientMsg);System.out.println("已向服务器发送消息：" + clientMsg);// 读取服务器的响应String serverMsg = in.readLine();System.out.println("收到服务器消息：" + serverMsg);} catch (IOException e) {e.printStackTrace();} finally {// 关闭资源try {if (socket != null) socket.close();System.out.println("客户端已关闭");} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}}
}

运行说明：

  1. 先运行 TCPServer，服务器启动并等待连接
  2. 再运行 TCPClient，客户端连接服务器并进行通信
  3. 程序执行后，服务器和客户端控制台会分别输出通信内容

18.2.3 服务多个客户

        上面的服务器程序只能处理一个客户端连接。要实现同时服务多个客户端，需要使用多线程：主线程负责监听连接，每收到一个连接就创建一个新线程处理与该客户端的通信。

多线程服务器代码（MultiThreadTCPServer.java）：

import java.io.*;
import java.net.*;public class MultiThreadTCPServer {public static void main(String[] args) {ServerSocket serverSocket = null;try {serverSocket = new ServerSocket(8888);System.out.println("多线程服务器已启动，等待客户端连接...");int clientCount = 0; // 客户端计数器while (true) { // 循环接受多个客户端连接Socket clientSocket = serverSocket.accept();clientCount++;System.out.println("第" + clientCount + "个客户端已连接：" + clientSocket.getInetAddress().getHostAddress());// 创建新线程处理客户端通信new ClientHandler(clientSocket, clientCount).start();}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();} finally {try {if (serverSocket != null) serverSocket.close();} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}}// 客户端处理线程static class ClientHandler extends Thread {private Socket clientSocket;private int clientId;public ClientHandler(Socket socket, int id) {this.clientSocket = socket;this.clientId = id;}@Overridepublic void run() {BufferedReader in = null;PrintWriter out = null;try {// 获取输入流和输出流in = new BufferedReader(new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream(), "UTF-8"));out = new PrintWriter(new OutputStreamWriter(clientSocket.getOutputStream(), "UTF-8"), true);String clientMsg;// 循环读取客户端消息，直到客户端关闭连接while ((clientMsg = in.readLine()) != null) {System.out.println("收到第" + clientId + "个客户端消息：" + clientMsg);// 向客户端发送响应String serverMsg = "服务器已收到你的消息：" + clientMsg;out.println(serverMsg);}System.out.println("第" + clientId + "个客户端已断开连接");} catch (IOException e) {System.out.println("第" + clientId + "个客户端通信异常：" + e.getMessage());} finally {// 关闭资源try {if (in != null) in.close();if (out != null) out.close();if (clientSocket != null) clientSocket.close();} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}}}
}

客户端代码：可以使用前面的 TCPClient.java，也可以稍作修改使其能发送多条消息：

import java.io.*;
import java.net.*;
import java.util.Scanner;public class MultiTCPClient {public static void main(String[] args) {Socket socket = null;Scanner scanner = null;try {socket = new Socket("localhost", 8888);System.out.println("已连接到服务器，输入消息发送（输入exit退出）：");// 获取输入流和输出流BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream(), "UTF-8"));PrintWriter out = new PrintWriter(new OutputStreamWriter(socket.getOutputStream(), "UTF-8"), true);scanner = new Scanner(System.in);String msg;// 循环输入并发送消息while (true) {msg = scanner.nextLine();out.println(msg);if ("exit".equals(msg)) {System.out.println("客户端将退出");break;}// 读取服务器响应String serverMsg = in.readLine();System.out.println("服务器回复：" + serverMsg);}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();} finally {try {if (scanner != null) scanner.close();if (socket != null) socket.close();System.out.println("客户端已关闭");} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}}
}

运行说明：

  1. 运行 MultiThreadTCPServer
  2. 可以启动多个 MultiTCPClient 实例，每个客户端都能与服务器独立通信
  3. 在客户端输入消息发送，输入 "exit" 退出

18.3 数据报通信

        UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）是一种无连接的传输层协议，与 TCP 相比，它不保证数据的可靠传输，但具有传输速度快、开销小的特点，适用于对实时性要求高但对可靠性要求不高的场景（如视频聊天、语音通话、游戏等）。

18.3.1 数据报通信概述

UDP 通信特点：

  • 无连接：通信前不需要建立连接
  • 不可靠：不保证数据一定到达，也不保证顺序
  • 面向数据报：数据以数据报（Datagram）为单位传输
  • 速度快：协议简单，开销小

UDP 通信流程：

  1. 发送方将数据打包成数据报，指定接收方的 IP 和端口
  2. 数据报通过网络发送
  3. 接收方从网络中接收数据报

18.3.2 DatagramSocket 类和 DatagramPacket 类

Java 中使用以下类实现 UDP 通信：

  • DatagramSocket：用于发送和接收数据报的套接字

    • 构造方法：
      • DatagramSocket() - 创建未绑定的套接字
      • DatagramSocket(int port) - 创建绑定到指定端口的套接字
    • 核心方法：
      • void send(DatagramPacket p) - 发送数据报
      • void receive(DatagramPacket p) - 接收数据报（阻塞）
      • void close() - 关闭套接字

  • DatagramPacket：表示数据报

    • 构造方法（接收数据时）：DatagramPacket(byte[] buf, int length)
    • 构造方法（发送数据时）：DatagramPacket(byte[] buf, int length, InetAddress address, int port)
    • 核心方法：
      • byte[] getData() - 获取数据报中的数据
      • int getLength() - 获取数据长度
      • InetAddress getAddress() - 获取发送方 / 接收方的 IP 地址
      • int getPort() - 获取发送方 / 接收方的端口号
@startuml
class DatagramSocket {+ DatagramSocket() throws SocketException+ DatagramSocket(int port) throws SocketException+ void send(DatagramPacket p) throws IOException+ void receive(DatagramPacket p) throws IOException+ void close()
}class DatagramPacket {+ DatagramPacket(byte[] buf, int length)+ DatagramPacket(byte[] buf, int length, InetAddress address, int port)+ byte[] getData()+ int getLength()+ InetAddress getAddress()+ int getPort()+ void setData(byte[] buf)+ void setLength(int length)
}DatagramSocket "1" -- "*" DatagramPacket : 发送/接收
@enduml

18.3.3 简单的 UDP 通信例子

下面实现一个简单的 UDP 通信程序：客户端向服务器发送消息，服务器接收后回复。

UDP 服务器代码（UDPServer.java）：

import java.net.*;
import java.nio.charset.StandardCharsets;public class UDPServer {public static void main(String[] args) {DatagramSocket socket = null;byte[] receiveBuf = new byte[1024]; // 接收缓冲区try {// 创建UDP套接字，绑定到8888端口socket = new DatagramSocket(8888);System.out.println("UDP服务器已启动，等待消息...");while (true) { // 循环接收消息// 创建接收数据报DatagramPacket receivePacket = new DatagramPacket(receiveBuf, receiveBuf.length);// 接收数据报（阻塞）socket.receive(receivePacket);// 解析接收的数据String clientMsg = new String(receivePacket.getData(), 0, receivePacket.getLength(), StandardCharsets.UTF_8);InetAddress clientAddr = receivePacket.getAddress();int clientPort = receivePacket.getPort();System.out.println("收到来自 " + clientAddr.getHostAddress() + ":" + clientPort + " 的消息：" + clientMsg);// 准备回复消息String serverMsg = "服务器已收到：" + clientMsg;byte[] sendData = serverMsg.getBytes(StandardCharsets.UTF_8);// 创建发送数据报DatagramPacket sendPacket = new DatagramPacket(sendData, sendData.length, clientAddr, clientPort);// 发送回复socket.send(sendPacket);System.out.println("已回复消息：" + serverMsg);// 如果收到"exit"，则退出服务器if ("exit".equals(clientMsg)) {System.out.println("服务器将关闭");break;}}} catch (Exception e) {e.printStackTrace();} finally {// 关闭套接字if (socket != null) {socket.close();}}}
}

UDP 客户端代码（UDPClient.java）：

import java.net.*;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
import java.util.Scanner;public class UDPClient {public static void main(String[] args) {DatagramSocket socket = null;Scanner scanner = null;try {// 创建UDP套接字（不指定端口，系统会分配一个临时端口）socket = new DatagramSocket();// 服务器地址和端口InetAddress serverAddr = InetAddress.getByName("localhost");int serverPort = 8888;System.out.println("UDP客户端已启动，输入消息发送（输入exit退出）：");scanner = new Scanner(System.in);while (true) {// 读取用户输入String msg = scanner.nextLine();// 准备发送数据byte[] sendData = msg.getBytes(StandardCharsets.UTF_8);// 创建发送数据报DatagramPacket sendPacket = new DatagramPacket(sendData, sendData.length, serverAddr, serverPort);// 发送数据报socket.send(sendPacket);System.out.println("已发送消息：" + msg);// 如果输入"exit"，则退出客户端if ("exit".equals(msg)) {System.out.println("客户端将关闭");break;}// 接收服务器回复byte[] receiveBuf = new byte[1024];DatagramPacket receivePacket = new DatagramPacket(receiveBuf, receiveBuf.length);socket.receive(receivePacket);// 解析回复数据String serverMsg = new String(receivePacket.getData(), 0, receivePacket.getLength(), StandardCharsets.UTF_8);System.out.println("收到服务器回复：" + serverMsg);}} catch (Exception e) {e.printStackTrace();} finally {// 关闭资源if (scanner != null) scanner.close();if (socket != null) socket.close();}}
}

运行说明：

  1. 先运行 UDPServer
  2. 再运行 UDPClient
  3. 在客户端输入消息，服务器会收到并回复
  4. 输入 "exit" 可退出程序

18.4 URL 类编程

        URL（Uniform Resource Locator，统一资源定位符）用于标识互联网上的资源，如网页、图片、文件等。Java 提供了 URL 和 URLConnection 类来方便地访问 URL 指向的资源。

18.4.1 理解 HTTP

        HTTP（HyperText Transfer Protocol，超文本传输协议）是一种基于 TCP 的应用层协议，用于在客户端和服务器之间传输超文本数据（如 HTML）。

HTTP 通信流程：

  1. 客户端（如浏览器）向服务器发送 HTTP 请求
  2. 服务器处理请求，返回 HTTP 响应
  3. 客户端解析响应内容并展示

HTTP 请求方法：

  • GET：请求获取资源
  • POST：向服务器提交数据
  • PUT：更新资源
  • DELETE：删除资源
  • 等

HTTP 响应状态码：

  • 200：成功
  • 404：资源未找到
  • 500：服务器内部错误
  • 等

18.4.2 URL 和 URL 类

URL 的格式：协议://主机名:端口/路径?查询参数#片段
例如：https://www.csdn.net:443/article/list/1?type=1#content

Java 中的 java.net.URL 类用于表示 URL，并提供了访问 URL 资源的方法：

  • 构造方法：URL(String spec) - 根据字符串创建 URL 对象
  • 常用方法：
    • String getProtocol() - 获取协议
    • String getHost() - 获取主机名
    • int getPort() - 获取端口号
    • String getPath() - 获取路径
    • InputStream openStream() - 获取 URL 资源的输入流

18.4.3 URLConnection 类

   URLConnection 是一个抽象类，用于表示与 URL 所指向资源的连接。它比 URL 类提供了更多的功能，如设置请求头、获取响应头、处理表单提交等。

常用方法：

  • static URLConnection openConnection() - 获取 URLConnection 对象
  • void setRequestProperty(String key, String value) - 设置请求头
  • Map<String, List<String>> getHeaderFields() - 获取响应头
  • InputStream getInputStream() - 获取输入流，用于读取资源
  • OutputStream getOutputStream() - 获取输出流，用于发送数据（如 POST 请求）
  • void connect() - 建立连接

使用 URL 读取网页内容的示例（URLReader.java）：

import java.io.*;
import java.net.*;public class URLReader {public static void main(String[] args) {// 要访问的URLString urlStr = "https://www.baidu.com";BufferedReader reader = null;try {// 创建URL对象URL url = new URL(urlStr);System.out.println("协议：" + url.getProtocol());System.out.println("主机：" + url.getHost());System.out.println("端口：" + url.getPort()); // -1表示使用协议默认端口System.out.println("路径：" + url.getPath());// 打开URL连接，获取输入流reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(url.openStream(), "UTF-8"));// 读取内容并输出String line;System.out.println("\n网页内容：");while ((line = reader.readLine()) != null) {System.out.println(line);}} catch (MalformedURLException e) {System.out.println("URL格式错误：" + e.getMessage());} catch (IOException e) {System.out.println("读取失败：" + e.getMessage());} finally {// 关闭资源try {if (reader != null) reader.close();} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}}
}

使用 URLConnection 发送 POST 请求的示例（URLConnectionPost.java）：

import java.io.*;
import java.net.*;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;public class URLConnectionPost {public static void main(String[] args) {// 要提交的URL（这里使用一个测试接口）String urlStr = "https://httpbin.org/post";HttpURLConnection connection = null;BufferedReader reader = null;try {// 创建URL对象URL url = new URL(urlStr);// 打开连接connection = (HttpURLConnection) url.openConnection();// 设置请求方法为POSTconnection.setRequestMethod("POST");// 设置允许输出（发送数据）connection.setDoOutput(true);// 设置请求头connection.setRequestProperty("Content-Type", "application/x-www-form-urlencoded");connection.setRequestProperty("User-Agent", "Mozilla/5.0");// 准备要提交的表单数据Map<String, String> params = new HashMap<>();params.put("name", "张三");params.put("age", "25");params.put("city", "北京");// 构建请求参数字符串StringBuilder postData = new StringBuilder();for (Map.Entry<String, String> entry : params.entrySet()) {if (postData.length() > 0) {postData.append('&');}// 对参数进行URL编码postData.append(URLEncoder.encode(entry.getKey(), StandardCharsets.UTF_8.name()));postData.append('=');postData.append(URLEncoder.encode(entry.getValue(), StandardCharsets.UTF_8.name()));}byte[] postDataBytes = postData.toString().getBytes(StandardCharsets.UTF_8);// 设置请求内容长度connection.setRequestProperty("Content-Length", String.valueOf(postDataBytes.length));// 获取输出流，发送数据try (DataOutputStream out = new DataOutputStream(connection.getOutputStream())) {out.write(postDataBytes);}// 获取响应状态码int responseCode = connection.getResponseCode();System.out.println("响应状态码：" + responseCode);// 读取响应内容reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(connection.getInputStream(), StandardCharsets.UTF_8));String line;System.out.println("响应内容：");while ((line = reader.readLine()) != null) {System.out.println(line);}} catch (MalformedURLException e) {System.out.println("URL格式错误：" + e.getMessage());} catch (IOException e) {System.out.println("请求失败：" + e.getMessage());} finally {// 关闭资源try {if (reader != null) reader.close();} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}if (connection != null) {connection.disconnect();}}}
}

运行说明：

  • URLReader 会读取指定 URL 的内容并输出到控制台
  • URLConnectionPost 会向测试接口发送 POST 请求，并输出响应结果

注意：访问某些网站可能会被拒绝（如设置了反爬机制），可以尝试修改 User-Agent 等请求头信息模拟浏览器行为。

18.5 小结

本章主要介绍了 Java 网络编程的核心内容，包括：

  1. 网络基础概念：网络分层模型、C/S 结构、IP 地址、域名、端口号和套接字
  2. TCP 套接字通信：使用 ServerSocket 和 Socket 类实现可靠的面向连接的通信，以及多线程服务器的实现
  3. UDP 数据报通信：使用 DatagramSocket 和 DatagramPacket 类实现无连接的不可靠通信
  4. URL 编程：使用 URL 和 URLConnection 类访问互联网资源，包括发送 GET 和 POST 请求

        Java 网络编程是 Java 编程中的重要组成部分，掌握这些知识可以帮助我们开发各种网络应用，如客户端 / 服务器程序、网络爬虫、API 调用等。

编程练习

  1. 练习 1：实现文件传输

    • 编写一个 TCP 服务器和客户端，实现文件上传功能（客户端将本地文件发送到服务器，服务器保存文件）

  2. 练习 2：UDP 广播程序

    • 编写一个 UDP 程序，实现局域网内的广播功能（一个客户端发送消息，其他所有客户端都能收到）

  3. 练习 3：简易网页爬虫

    • 使用 URLConnection 编写一个简单的网页爬虫，爬取指定网页中的所有链接（<a> 标签的 href 属性）

  4. 练习 4：多线程聊天程序

    • 基于多线程 TCP 通信，实现一个简易的聊天程序，支持多个客户端之间的群聊功能

        通过这些练习，可以加深对 Java 网络编程的理解和应用能力。在实际开发中，还可以结合线程池、NIO 等技术进一步优化网络程序的性能。

http://www.xdnf.cn/news/1217755.html

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