Java网络编程：Socket与ServerSocket - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

好的，各位观众老爷们，欢迎来到今天的Java网络编程脱口秀！今天咱们的主题是：Socket与ServerSocket，这对网络编程界的“老夫老妻”。别害怕，虽然是技术话题，但我保证让你们听得津津有味，就像追剧一样，欲罢不能！

第一幕：Socket与ServerSocket，它们是谁？

首先，咱们来认识一下今天的主角。想象一下，你要给远方的朋友写信，Socket和ServerSocket就相当于邮局和邮筒。

Socket（套接字）： 它就像一根电话线的一端，是客户端用来发起连接、发送和接收数据的“插头”。每个Socket都绑定到一个特定的IP地址和端口号，就像你的电话号码一样，确保数据能够准确地送到你手中。你可以把它看作是“主动出击”的那一方，负责主动建立连接。
ServerSocket（服务器套接字）： 它就像邮局的总机，负责监听来自客户端的连接请求，并为每个连接创建一个新的Socket。它就像“守株待兔”的那一方，静静地等待客户端的到来。你可以把它看作是网络服务的“接待员”。

用一个表格来更清晰地对比一下：

特性	Socket (客户端)	ServerSocket (服务器)
角色	主动连接方	被动监听方
比喻	电话线的一端	邮局的总机
主要功能	发起连接，发送/接收数据	监听连接，创建Socket
生命周期	客户端程序	服务器程序
创建方式	`new Socket()`	`new ServerSocket()`
端口占用	动态分配	固定端口 (通常)

第二幕：建立连接，一场“鹊桥相会”

那么，Socket和ServerSocket是如何“眉来眼去”，最终建立连接的呢？就像牛郎织女的鹊桥相会，需要几个关键步骤：

服务器启动，ServerSocket“开门迎客”： 服务器首先创建一个ServerSocket，并绑定到一个特定的端口号。这个端口号就像邮局的门牌号，告诉客户端应该把信寄到哪里。
```
int port = 12345; // 定义一个端口号
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(port); // 创建ServerSocket并绑定端口
System.out.println("服务器已启动，监听端口：" + port);
```

客户端发起连接，Socket“拨打电话”： 客户端创建一个Socket，并指定服务器的IP地址和端口号。这就像客户端拨打服务器的电话号码，请求建立连接。

String serverAddress = "127.0.0.1"; // 服务器IP地址，这里使用localhost
int serverPort = 12345; // 服务器端口号
Socket socket = new Socket(serverAddress, serverPort); // 创建Socket并连接服务器
System.out.println("已连接到服务器：" + serverAddress + ":" + serverPort);

服务器接受连接，ServerSocket“握手”： 当ServerSocket收到客户端的连接请求时，它会创建一个新的Socket，这个Socket专门用来与该客户端进行通信。这就像邮局总机接到了一个电话，然后分配一个专门的线路给这个客户。
```
Socket clientSocket = serverSocket.accept(); // 接受客户端连接
System.out.println("客户端已连接：" + clientSocket.getInetAddress().getHostAddress());
```
连接建立，开始“聊天”： 现在，客户端和服务器之间建立了一条可靠的TCP连接，双方可以通过Socket进行数据的发送和接收，就像电话接通了，可以开始聊天了。

第三幕：数据传输，信息的“高速公路”

连接建立之后，就可以开始进行数据传输了。Socket提供了输入流（InputStream）和输出流（OutputStream）来读取和写入数据。

OutputStream（输出流）： 客户端或服务器可以通过OutputStream向对方发送数据，就像写信一样，把你的想法写在信纸上，然后寄出去。

OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
PrintWriter writer = new PrintWriter(outputStream, true); // 使用PrintWriter方便写入文本
writer.println("Hello, Server!"); // 向服务器发送消息

InputStream（输入流）： 客户端或服务器可以通过InputStream从对方接收数据，就像收到信一样，打开信封，阅读里面的内容。

InputStream inputStream = socket.getInputStream();
BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(inputStream)); // 使用BufferedReader方便读取文本
String message = reader.readLine(); // 从服务器接收消息
System.out.println("收到服务器消息：" + message);

第四幕：多线程，让服务器“分身有术”

一个服务器通常需要同时处理多个客户端的连接请求。如果服务器只用一个线程来处理所有连接，那么当一个客户端占用时间过长时，其他客户端就只能排队等待，这就像只有一个服务员的餐厅，生意再好也忙不过来。

为了解决这个问题，我们可以使用多线程技术，让服务器为每个客户端连接创建一个独立的线程。这样，每个客户端都能得到及时的响应，就像餐厅雇佣了多个服务员，可以同时服务多个顾客。

// 服务器主线程
while (true) {
    Socket clientSocket = serverSocket.accept(); // 接受客户端连接
    System.out.println("客户端已连接：" + clientSocket.getInetAddress().getHostAddress());

    // 为每个客户端创建一个新的线程来处理
    new Thread(() -> {
        try {
            // 处理客户端连接的逻辑
            InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream();
            BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(inputStream));
            OutputStream outputStream = clientSocket.getOutputStream();
            PrintWriter writer = new PrintWriter(outputStream, true);

            String message;
            while ((message = reader.readLine()) != null) {
                System.out.println("收到客户端消息：" + message);
                writer.println("Server received: " + message); // 回复客户端
            }

            // 关闭连接
            clientSocket.close();
            System.out.println("客户端连接已关闭：" + clientSocket.getInetAddress().getHostAddress());
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }).start(); // 启动线程
}

第五幕：NIO（非阻塞IO），服务器的“超能力”

虽然多线程可以提高服务器的并发处理能力，但是每个线程都需要占用一定的系统资源。当连接数量非常大时，创建大量的线程可能会导致服务器资源耗尽，甚至崩溃。

为了解决这个问题，Java提供了NIO（Non-blocking I/O）技术。NIO允许服务器在一个线程中同时处理多个连接，而不需要为每个连接创建一个独立的线程。这就像一个超级服务员，可以同时服务多个顾客，而且效率更高。

NIO的核心概念包括：

Channel（通道）： 类似于Socket，但是可以进行非阻塞读写操作。
Buffer（缓冲区）： 用于存储数据的内存区域，可以进行高效的读写操作。
Selector（选择器）： 用于监听多个Channel的事件，例如连接建立、数据可读等。

使用NIO的服务器代码会更加复杂，但可以显著提高服务器的并发处理能力。这里就不展开详细的代码示例了，留给大家自己去探索吧！😉

第六幕：一些“潜规则”和注意事项

端口号的“选择”： 端口号的范围是0-65535。0-1023是系统保留端口，通常用于一些常见的服务，例如HTTP (80)、HTTPS (443)、FTP (21)等。建议使用1024以上的端口号，避免与系统服务冲突。
异常处理的“重要性”： 网络编程中，各种异常情况随时可能发生，例如连接中断、数据丢失等。因此，必须进行充分的异常处理，确保程序的健壮性。
编码的“统一”： 客户端和服务器之间进行数据传输时，需要使用相同的字符编码，例如UTF-8。否则，可能会出现乱码问题。
线程安全的“保障”： 在使用多线程时，需要注意线程安全问题，避免多个线程同时访问共享资源导致数据错误。可以使用锁、同步等机制来保证线程安全。
及时关闭连接： 在完成数据传输后，一定要及时关闭Socket和ServerSocket，释放系统资源。

第七幕：实战演练，打造一个简单的聊天室

理论讲了这么多，不如来点实际的。咱们来打造一个简单的聊天室，让大家亲身体验一下Socket和ServerSocket的魅力。

服务器端：

import java.io.*;
import java.net.*;
import java.util.*;

public class ChatServer {
    private static final int PORT = 12345;
    private static Set<PrintWriter> writers = new HashSet<>(); // 保存所有客户端的PrintWriter

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        System.out.println("聊天服务器已启动...");
        try (ServerSocket listener = new ServerSocket(PORT)) {
            while (true) {
                new Handler(listener.accept()).start();
            }
        }
    }

    private static class Handler extends Thread {
        private Socket socket;
        private PrintWriter writer;

        public Handler(Socket socket) {
            this.socket = socket;
        }

        public void run() {
            try {
                InputStream input = socket.getInputStream();
                BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(input));
                OutputStream output = socket.getOutputStream();
                writer = new PrintWriter(output, true);
                writers.add(writer); // 添加到客户端列表

                String name = reader.readLine(); // 获取客户端昵称
                System.out.println(name + " 已加入聊天室");
                broadcast(name + " 已加入聊天室");

                String message;
                while ((message = reader.readLine()) != null) {
                    System.out.println(name + ": " + message);
                    broadcast(name + ": " + message);
                }
            } catch (IOException e) {
                System.out.println(e);
            } finally {
                if (writer != null) {
                    writers.remove(writer);
                }
                try {
                    socket.close();
                } catch (IOException e) {}
                System.out.println("客户端已断开连接");
                broadcast("客户端已断开连接");
            }
        }

        // 广播消息给所有客户端
        private void broadcast(String message) {
            for (PrintWriter writer : writers) {
                writer.println(message);
            }
        }
    }
}

客户端：

import java.io.*;
import java.net.*;
import java.util.Scanner;

public class ChatClient {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        String serverAddress = "127.0.0.1"; // 服务器IP地址
        int serverPort = 12345; // 服务器端口号

        try (Socket socket = new Socket(serverAddress, serverPort)) {
            System.out.println("已连接到聊天服务器");

            BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
            PrintWriter out = new PrintWriter(socket.getOutputStream(), true);

            Scanner scanner = new Scanner(System.in);
            System.out.print("请输入你的昵称: ");
            String name = scanner.nextLine();
            out.println(name); // 发送昵称给服务器

            // 创建一个线程来接收服务器消息
            new Thread(() -> {
                try {
                    String message;
                    while ((message = in.readLine()) != null) {
                        System.out.println(message);
                    }
                } catch (IOException e) {
                    System.out.println("服务器已断开连接");
                    System.exit(0);
                }
            }).start();

            // 主线程负责发送消息
            while (true) {
                String message = scanner.nextLine();
                out.println(message); // 发送消息给服务器
            }
        } catch (ConnectException e) {
            System.out.println("无法连接到服务器，请检查服务器是否已启动。");
        }
    }
}

使用方法：

先运行 ChatServer.java，启动服务器。
然后运行多个 ChatClient.java，启动多个客户端。
在客户端输入昵称，然后就可以开始聊天了！

第八幕：总结与展望

Socket和ServerSocket是Java网络编程的基础，掌握它们是成为一名优秀的Java工程师的必备技能。希望通过今天的讲解，大家能够对Socket和ServerSocket有一个更深入的理解。

网络编程的世界是广阔而充满挑战的，还有很多高级技术等待着我们去探索，例如WebSocket、Netty等。希望大家能够保持学习的热情，不断提升自己的技能，成为网络编程领域的佼佼者！

感谢大家的观看，咱们下期再见！🎉

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