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第11章 网络编程：让程序聊起来

本章先在本机让两个独立程序通过 UDP 或 TCP 通信。地址、端口、编码、消息边界和结束方式都约定好，再扩展到多客户端和文件上传。

本章路线

• 第1节 网络编程：让两台程序聊起来

1. 网络编程：让两台程序聊起来

同一程序中的方法可以直接调用，两个独立程序通信则要约好地址、端口和消息格式。UDP 像寄明信片；TCP 提供可靠字节流，但一条消息从哪里开始、到哪里结束，还得由应用自己规定。

在本机完成一次通信，再对照 UDP 数据报和 TCP 字节流，解释自己的消息边界是怎样设计的。

1. 网络编程概述

网络通信先约定层次和协议。应用写出去的“一个字符串”还要变成字节，接收端才能按同样规则解释。

网络编程：实现计算机之间数据交换的编程技术。

网络模型

• 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 → 网际层 → 传输层 → 应用层

Java 主要关注传输层的 TCP 和 UDP 协议。

2. 网络编程三要素

地址决定找哪台主机，端口决定找哪个服务；传输协议也是约定的一部分。

1. IP 地址：定位设备（哪个电脑）
2. 端口号：定位进程（哪个程序），范围 0_65535，01023 为系统保留
3. 协议：通信规则（TCP/UDP）

IP 地址

// 获取本机 IPInetAddresslocalHost=InetAddress.getLocalHost();System.out.println(localHost.getHostAddress());// 192.168.x.xSystem.out.println(localHost.getHostName());// 主机名// 根据域名获取 IPInetAddressbaidu=InetAddress.getByName("www.baidu.com");System.out.println(baidu.getHostAddress());// 判断是否能 ping 通System.out.println(baidu.isReachable(3000));

IPv4 vs IPv6

• IPv4：32 位，4 字节，约 43 亿地址（已耗尽）
• IPv6：128 位，16 字节，号称"地球上每粒沙子都能分一个 IP"

特殊 IP

• 127.0.0.1/localhost：本机回环地址
• 192.168.x.x：局域网私有地址
• 0.0.0.0：本机所有 IP

端口号

• 0~65535，同一台机器上端口不能冲突
• 知名端口：HTTP(80)、HTTPS(443)、MySQL(3306)、Redis(6379)、SSH(22)

3. UDP 通信

UDP 保留数据报边界，但送达、顺序和重复问题要由应用按需处理。先在本机做最小收发，再谈聊天室。

User Datagram Protocol：用户数据报协议

特点

特性	说明
面向无连接	不需要建立连接，直接发
不可靠	可能丢包、乱序
效率高	无连接建立开销
数据报大小	最多 64KB

UDP 发送端

// 1. 创建 DatagramSocket（无需指定端口，系统分配）DatagramSocketsocket=newDatagramSocket();// 2. 将数据打包byte[]data="你好，世界！".getBytes();InetAddressaddress=InetAddress.getByName("127.0.0.1");intport=8888;DatagramPacketpacket=newDatagramPacket(data,data.length,address,port);// 3. 发送socket.send(packet);// 4. 关闭socket.close();

UDP 接收端

// 1. 创建 DatagramSocket，绑定端口DatagramSocketsocket=newDatagramSocket(8888);// 2. 创建接收包（指定缓冲区大小）byte[]buf=newbyte[1024*64];// 最大 64KBDatagramPacketpacket=newDatagramPacket(buf,buf.length);// 3. 接收（阻塞等待）socket.receive(packet);// 4. 解析数据byte[]data=packet.getData();intlength=packet.getLength();Stringmessage=newString(data,0,length);System.out.println("收到: "+message);System.out.println("来自: "+packet.getAddress()+":"+packet.getPort());// 5. 关闭socket.close();

UDP 通信注意点

1. 先启动接收端，再启动发送端
2. 发和收是一对一的（一个端口对应一个接收端）
3. DatagramPacket的缓冲区（buf.length）不要超过 64KB

UDP 实现聊天室

// 发送线程newThread(()->{DatagramSocketsocket=newDatagramSocket();Scannersc=newScanner(System.in);while(true){Stringmsg=sc.nextLine();if("exit".equals(msg))break;byte[]data=msg.getBytes();DatagramPacketpacket=newDatagramPacket(data,data.length,InetAddress.getByName("255.255.255.255"),8888);// 广播地址socket.send(packet);}socket.close();}).start();// 接收线程newThread(()->{DatagramSocketsocket=newDatagramSocket(8888);while(true){byte[]buf=newbyte[1024];DatagramPacketpacket=newDatagramPacket(buf,buf.length);socket.receive(packet);Stringmsg=newString(packet.getData(),0,packet.getLength());System.out.println(packet.getAddress()+": "+msg);}}).start();

4. TCP 通信

TCP 提供有序可靠的字节流，应用仍需定义长度、分隔符等消息边界。read 返回一次，并不等于收到一条完整业务消息。

Transmission Control Protocol：传输控制协议

特点

特性	说明
面向连接	需要三次握手建立连接
可靠传输	确认重传、按序到达
效率较低	有连接建立和维护开销
无数据大小限制	以流的形式传输

TCP 客户端

// 1. 创建 Socket，连接服务器（IP + 端口）Socketsocket=newSocket("127.0.0.1",9999);// 2. 获取输出流，发送数据OutputStreamos=socket.getOutputStream();os.write("你好，服务器！".getBytes());// 3. 获取输入流，接收响应InputStreamis=socket.getInputStream();byte[]buf=newbyte[1024];intlen=is.read(buf);System.out.println("服务器响应: "+newString(buf,0,len));// 4. 关闭socket.close();

TCP 服务端

// 1. 创建 ServerSocket，绑定端口ServerSocketserverSocket=newServerSocket(9999);// 2. 等待客户端连接（阻塞）Socketsocket=serverSocket.accept();// 3. 获取输入流，读取数据InputStreamis=socket.getInputStream();byte[]buf=newbyte[1024];intlen=is.read(buf);System.out.println("收到: "+newString(buf,0,len));// 4. 获取输出流，回写响应OutputStreamos=socket.getOutputStream();os.write("收到，谢谢！".getBytes());// 5. 关闭socket.close();serverSocket.close();

TCP 通信注意点

1. 必须先启动服务端，再启动客户端
2. accept()是阻塞方法，等待客户端连接
3. read()也是阻塞的，直到数据到达或流关闭
4. 需要约定结束标记（如 shutdownOutput / 约定 \n / 发送特殊字符串）

避免 read() 阻塞的问题

// 方案 1：发送方关闭输出流（通知接收方结束）socket.shutdownOutput();// 发送完数据后调用// 方案 2：约定结束标记// 发送方：每行末尾加 \n// 接收方：用 BufferedReader.readLine() 按行读取// 方案 3：先发送数据长度// 发送：先写 4 字节表示数据长度，再写数据体// 接收：先读前 4 字节得到长度，再读指定字节数

TCP 多线程服务端

ServerSocketserverSocket=newServerSocket(9999);while(true){Socketsocket=serverSocket.accept();// 每个客户端开一个线程处理newThread(()->{try{InputStreamis=socket.getInputStream();OutputStreamos=socket.getOutputStream();// 处理通信...socket.close();}catch(IOExceptione){e.printStackTrace();}}).start();}

TCP 实现文件上传

// 客户端Socketsocket=newSocket("127.0.0.1",10000);FileInputStreamfis=newFileInputStream("test.jpg");OutputStreamos=socket.getOutputStream();byte[]buf=newbyte[8192];intlen;while((len=fis.read(buf))!=-1){os.write(buf,0,len);}socket.shutdownOutput();// 告诉服务器文件发完了// 接收响应InputStreamis=socket.getInputStream();intlen2=is.read(buf);System.out.println(newString(buf,0,len2));fis.close();socket.close();// 服务端ServerSocketss=newServerSocket(10000);Socketsocket=ss.accept();BufferedInputStreambis=newBufferedInputStream(socket.getInputStream());BufferedOutputStreambos=newBufferedOutputStream(newFileOutputStream(System.currentTimeMillis()+".jpg"));byte[]buf=newbyte[8192];intlen;while((len=bis.read(buf))!=-1){bos.write(buf,0,len);}OutputStreamos=socket.getOutputStream();os.write("上传成功".getBytes());bos.close();socket.close();ss.close();

三次握手与四次挥手

三次握手（建立连接）：

1. 客户端 → 服务器：SYN（同步位），请求连接
2. 服务器 → 客户端：SYN + ACK，确认收到，我也发连接
3. 客户端 → 服务器：ACK，确认收到，连接建立

四次挥手（断开连接）：

1. 客户端 → 服务器：FIN，我要断开了
2. 服务器 → 客户端：ACK，收到断开请求
3. 服务器 → 客户端：FIN，我也要断开了
4. 客户端 → 服务器：ACK，收到，连接断开

5. UDP vs TCP 对比

选择协议时，先确认业务是否允许丢失、是否要求有序、怎样看待传输开销，再比较两者。

对比项	UDP	TCP
连接	无连接	面向连接（三次握手）
可靠性	不可靠，可能丢包	可靠传输
速度	快	相对慢
数据量	64KB 上限	无限制（流式）
适用场景	视频/语音通话、DNS、游戏	文件传输、网页、邮件

6. BS 架构（浏览器-服务器）

浏览器和服务器通信通常还遵循 HTTP 等应用层协议。底层能接收字节，只是搭好了进一步理解 Web 的基础。

本质也是 TCP，浏览器充当客户端。

// 简易 BS 服务器ServerSocketss=newServerSocket(8080);Socketsocket=ss.accept();// 读取 HTTP 请求BufferedReaderbr=newBufferedReader(newInputStreamReader(socket.getInputStream()));Stringline;while((line=br.readLine())!=null&&!line.isEmpty()){System.out.println(line);}// 返回 HTTP 响应PrintWriterpw=newPrintWriter(socket.getOutputStream());pw.println("HTTP/1.1 200 OK");pw.println("Content-Type: text/html;charset=utf-8");pw.println();pw.println("<h1>Hello Browser!</h1>");pw.flush();socket.close();ss.close();

多线程 BS 服务器：每个请求一个线程，返回静态资源（HTML/CSS/JS/图片）。

7. 总结

给发送、读取、结束和超时各写一句约定，才能让两端都正常收工。

知识点	核心要点
三要素	IP（设备）+ 端口（进程）+ 协议（UDP/TCP）
UDP	DatagramSocket + DatagramPacket，无连接，64KB 上限
TCP	Socket + ServerSocket，三次握手，流式可靠传输
阻塞问题	read() 阻塞，用 shutdownOutput 或约定结束标记
文件上传	TCP 流式传输 + 多线程处理
BS 架构	TCP + HTTP 协议，浏览器当客户端

看图：TCP 给字节流，应用定句号

图中使用换行分隔只是一种应用协议，另一种常见做法是长度前缀。一次 write 与一次 read 没有一一对应关系；传送文件时还应约定长度、大小限制和结束方式。

小练习：把这一节变成自己的代码

做一个本机 TCP 回声服务，以一行作为消息边界；发送后能收到对应回复并正常结束。

卡住时再打开这条提示

行协议需要换行与刷新；别让双方都在等对方先关闭输出。

这一章怎样算学会了

把本机回声服务关掉重写一次。确认两端的消息边界一致，再测试正常发送、结束和超时的情况，别让程序一直等下去。