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为了使不同的计算机厂家的计算机可以相互通信,以便在更大的范围内建立计算机网络,有必要建立一个国际范围的网络体系结构标准。国际标准化组织ISO推荐了一个网络系统结构----七层参考模型。
每层的主要功能:
TCP协议(传输控制层协议),是Internet一个重要的传输层协议,TCP提供面向连接、可靠、有序,字节流传输服务,在使用TCP之前,需要建立TCP连接。
1:16位源端口号和16位目的端口号,告诉我们,报文来自什么地方(源端口号),要传向什么地方(目的端口号),TCP通信时,客户端的端口号一般是自动生成的,服务端的端口号可以自己指定。
2:标志位:
URG:表示紧急指针是否有效
ACK:确认号是否有效
PSH:接收方接收到数据后,应该立即转到应用层
RST:重新连接标志
SYN:建立连接标志
FIN:关闭连接标志
一:三次握手
三次握手,就是说发起的人,跟另一个人说你能听到我说话吗,另一个说我能听到,你可以听到我说的吗,发起的人说我也可以听到,那么接下来就可以聊天了。
下面看下三次握手的过程:
1:第一次握手,客户端将SYN标志位设置为1,并产生一个随机的值Seq=x,然后把syn包发送给服务端,客户端的状态变为SYN_SENT,等待服务端去确认。
2:第二次握手,服务端收到客户端的建立连接请求后,要确认连接,即ack=x+1,然后也有一个syn=1,并且也随机产生一个值Seq=y,然后发送给客户端确认连接请求,最后服务端的状态变为SYN_RCVD。
3:第三次握手,客户端收到服务端的确认请求后,确认ack=x+1,如果正确,就给服务端发送ack=y+1,seq=z,服务端收到后再次检查,正确后就可以建立连接成功,客户端和服务端都进入ESTABLISHED状态。
为什么是三次握手而不是两次或者四次?
看过别的文章都应该清楚,为何要是三次握手:
如果是两次,客户端发送了一个连接请求,假如在传输的过程中,因为网络的原因,迟迟未发送给服务端,这时,客户端又发送了一个连接请求,然后服务端回应了这个请求,连接建立成功,然后过一段时间,这个迟迟未到的请求又恢复了,然后发送给服务端,这时又会建立请求,这样会消耗资源。
为何不是四次呢,三次就可以建立连接通信了,所以不需要第四次了。
二:四次挥手
四次挥手:
1:第一次挥手,客户端主动发送关闭连接请求,客户端发送FIN=1,seq=u给服务端,告诉服务端我没有数据要发送给你了,如果服务端还有数据发送,那么我客户端可以接收,这时客户端状态会变为FIN_WAIT_1。
2:第二次挥手,服务端收到客户端关闭连接请求后,会给客户端发送一个确认ack=1,告诉客户端,你的请求我收到了,但是呢,我还没有准备好关闭呢,可能还有数据没有传输完成,然后客户端进入FIN_WAIT_2状态。
3:第三次挥手,服务端确认数据已经传输完成了,可以进入准备关闭状态了,就给客户端发送一个FIN=1,这时服务端进入LAST_ACK状态。
4:客户端收到服务端的请求后,会再发一个确认请求给服务端,然后客户端进入TIME_WAIT状态,服务端收到后,就可以确认关闭连接了,客户端会等待2MSL,证明服务端已经关闭了,然后客户端也可以关闭了,最后就完成了四次挥手。
四次挥手主要是为了保证数据传输的完整性。
用户数据报协议UDP是传输层的协议,提供无连接、不可靠、数据报尽力传输服务。
TCP
UDP
面向连接
无连接
可靠
不可靠
资源占用多
资源占用少
慢
快
TCP协议的请求包相对于UDP协议的请求包,占用的字节要大,所以资源占用多一些;而快和慢主要是比较两者,请求包大传输就会相对慢一些。
HTTP协议是应用层协议
socket中文翻译叫做套接字。
Socket是Internet中应用最为广泛的网络应用编程接口,实现了与三种底层协议的交互:
1:数据包类型的Socket,是面向UDP的
2:流式Socket,是面向TCP的
3:原始的Socket,面向IP、ICMP等
Socket调用的过程:
Socket API中定义了很多函数:
listen()、accept()只用于服务端
connect()只用于客户端
还有其他一些函数:socket()、bind()、close()等
public static void main(String[] args) throws IOException {
//创建一个ServerSocket,并指定一个端口号8098
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8998);
System.out.println("服务器启动成功");
//判断ServerSocket是不是已经关闭了
while (!serverSocket.isClosed()) {
//获取客户端的连接
//accept会阻塞,直到有新的连接过来
Socket socket = serverSocket.accept();
System.out.println("有客户端连接:" + socket.toString());
//读取客户端发来的数据
InputStream inputStream = socket.getInputStream();
BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(inputStream, "utf-8"));
String readMsg;
while ((readMsg = reader.readLine()) != null) {
//读取到数据,就退出循环
if (readMsg.length() > 0) {
break;
}
}
System.out.println("有数据发过来了,来自:" + socket.toString());
System.out.println("收到客户端的数据:" + readMsg);
}
//关闭ServerSocket
serverSocket.close();
}
public static void main(String[] args) throws IOException {
//创建一个Socket,连接服务端
Socket socket = new Socket("localhost", 8998);
//写数据
OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
Scanner scanner = new Scanner(System.in);
System.out.println("请输入:");
String writeMsg = scanner.nextLine();
outputStream.write(writeMsg.getBytes("utf-8"));
//关闭连接
scanner.close();
socket.close();
}
启动服务端和客户端,进行数据传输:
服务端输出结果:
客户端输入:
可以看到,到启动好服务端后,再去启动客户端,服务端会立马打印有新连接过来,当在客户端输入一些数据时,服务端就会接收到数据然后打印;服务端的端口号一般是自己指定,客户端的端口号一般是随机生成的。
如果启动两个客户端会发生什么呢?
可以看到,启动两个客户端后,服务端只打印了一个客户端连接进来了,是因为服务端读取数据时会阻塞,再次开启一个客户端过来,就不会再打印新的连接了,只有当第一个客户端数据传输到服务端后,另一个客户端才会连接进来:
上图可以看到,第一个客户端数据传输到服务端后,另一个客户端连接就立马打印了,怎么解决这种问题呢?
因为在服务端只有一个main方法,也就是只有一个单线程,那么换成多线程时,就可以解决这种阻塞问题,看下面改造后的代码:
//创建一个线程池
public static ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
public static void main(String[] args) throws IOException {
//创建一个ServerSocket,并指定一个端口号8098
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8998);
System.out.println("服务器启动成功");
//判断ServerSocket是不是已经关闭了
while (!serverSocket.isClosed()) {
//获取客户端的连接
//accept会阻塞,直到有新的连接过来
Socket socket = serverSocket.accept();
System.out.println("有客户端连接:" + socket.toString());
//执行后,会立马返回,不会阻塞
executorService.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
//读取客户端发来的数据
InputStream inputStream = socket.getInputStream();
BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(inputStream, "utf-8"));
String readMsg;
while ((readMsg = reader.readLine()) != null) {
//读取到数据,就退出循环
if (readMsg.length() > 0) {
break;
}
}
System.out.println("有数据发过来了,来自:" + socket.toString());
System.out.println("收到客户端的数据:" + readMsg);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
});
}
//关闭ServerSocket
serverSocket.close();
}
启动两个客户端后,服务端打印结果:
可以看到,最后就不会再阻塞了,这种利用多个线程解决阻塞问题的方式,存在很大的问题,当有成千上万个客户端需要连接时,那开启的线程数就相当多了,对于CPU来说,会有很大的消耗,而且CPU在线程之间切换,也会耗时。
阻塞IO:资源不可用的时候,IO请求会阻塞,直到有数据或者超时才会退出阻塞。
非阻塞IO:资源不可用时,IO请求会离开返回,返回数据标识不可用。
还有同步IO和异步IO,主要区别是阻塞IO是获取资源的时候发生,同步IO是在处理资源的时候发生。
客户端可以发送数据给服务端,那么服务端也可以发送数据给客户端,改造上面的服务端和客户端代码:
改造后的服务端:
try {
//读取客户端发来的数据
InputStream inputStream = socket.getInputStream();
BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(inputStream, "utf-8"));
String readMsg;
while ((readMsg = reader.readLine()) != null) {
//读取到数据,就退出循环
if (readMsg.length() > 0) {
break;
}
}
System.out.println("有数据发过来了,来自:" + socket.toString());
System.out.println("收到客户端的数据:" + readMsg);
//发送数据给客户端
OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
//加\r\n是因为读取数据的方法是readLine
outputStream.write("hello world\r\n".getBytes());
outputStream.flush();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
改造后的客户端:
public static void main(String[] args) throws IOException {
//创建一个Socket,连接服务端
Socket socket = new Socket("localhost", 8998);
//写数据
OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
Scanner scanner = new Scanner(System.in);
System.out.println("请输入:");
String writeMsg = scanner.nextLine() + "\r\n";
outputStream.write(writeMsg.getBytes("utf-8"));
//关闭连接
scanner.close();
//获取服务端发送过来的数据
System.out.println("服务端响应的数据:");
InputStream inputStream = socket.getInputStream();
BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(inputStream, "utf-8"));
String readMsg;
while ((readMsg = reader.readLine()) != null) {
//读取到数据,就退出循环
if (readMsg.length() > 0) {
break;
}
}
System.out.println("获取到服务端发送的数据:" + readMsg);
socket.close();
}
客户端打印结果:
在使用tomcat时,启动后,输入tomcat启动后的地址可以在浏览器中访问到页面,那么下面再次修改服务端代码,使得可以在浏览器访问,主要是需要遵守浏览器中使用的HTTP协议,即响应头部信息需要加上:
//发送数据给客户端
OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
outputStream.write("HTTP/1.1 200 OK\r\n".getBytes());
outputStream.write("Content-Length: 11\r\n\r\n".getBytes());
outputStream.write("hello world".getBytes());
outputStream.flush();
使用浏览器访问:
NIO始于java1.4,提供了非阻塞的API,NIO中有三个核心组件:Buffer缓冲区、Channel通道、Selector选择器。
Buffer缓冲区本质上是一个可以写入数据的内存块,类似数组,然后还可以读取数据,它提供了一些方法,可以更加方便的操作,使用Buffer写入和读取数据需要下面四个步骤:
1:将数据写入Buffer缓冲区
2:调用buffer.flip(),转换为读取模式
3:从Buffer缓冲区读取数据
4:调用buffer.clear()或者buffer.compact()转换为写模式
Buffer的工作原理:
capacity容量:作为一个内存块,它肯定有大小,也就是容量
position位置:也就是数据的索引值,写入模式时指写数据的位置,读取模式时指读数据的位置
limit限制:写入模式时,限制等于buffer的容量,读取模式时指写入的数据量
ByteBuffer:
ByteBuffer为性能关键性的代码提供了两种实现:直接内存和堆内存。
可以看到,从堆内存进行读写,多了一次拷贝,下面看下ByteBuffer的用法:
public static void main(String[] args) {
//分配10容量
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(10);
//直接内存的用法
//ByteBuffer byteBuffer1 = ByteBuffer.allocateDirect(10);
System.out.println("capacity容量:" + byteBuffer.capacity()
+ ",position位置:" + byteBuffer.position() + ",limit限制:" + byteBuffer.limit());
//写入数据
byteBuffer.put("1".getBytes());
byteBuffer.put("2".getBytes());
byteBuffer.put("3".getBytes());
//再看一下数据
System.out.println("capacity容量:" + byteBuffer.capacity()
+ ",position位置:" + byteBuffer.position() + ",limit限制:" + byteBuffer.limit());
//读取数据
System.out.println("--------------开始读取数据---------------");
//转换为读模式
byteBuffer.flip();
byte byte1 = byteBuffer.get();
System.out.println(byte1);
byte byte2 = byteBuffer.get();
System.out.println(byte2);
System.out.println("读取两个数据之后,capacity容量:" + byteBuffer.capacity()
+ ",position位置:" + byteBuffer.position() + ",limit限制:" + byteBuffer.limit());
//写入数据
System.out.println("--------------再次写入数据---------------");
byteBuffer.compact();
byteBuffer.put("4".getBytes());
byteBuffer.put("5".getBytes());
System.out.println("capacity容量:" + byteBuffer.capacity()
+ ",position位置:" + byteBuffer.position() + ",limit限制:" + byteBuffer.limit());
}
输出结果:
ByteBuffer和BIO读取和写入数据的区别:
BIO读取和写入:
BIO读取和写入是单向的,通过OutputStream写和InputStream读来实现。
ByteBuffer读取和写入:
ByteBuffer的读取和写入是双向的,通过Channel通道实现。
Channel通道是在一个通道内进行读写,是双向的,可以非阻塞的进行读取和写入,通道始终读取和写入buffer中,也就是读取的时候,先从buffer中读取出来,然后通过通道去传输,写入的时候也是先写入buffer,然后再写入通道中去传输。
Channel和BIO的实现有什么好处和区别呢?看下面图示:
BIO:
BIO中,客户端和服务端通信,都需要建立一个线程,线程多了,消耗CPU。
Channel实现:
NIO中是使用Channel和Selector实现。
Selector选择器,可以检查一个或者多个通道,并且可以确定哪些通道已经准备好读取和写入了,可以实现单个线程管理多个通道,继而管理多个网络连接。
一个线程使用Selector可以监听多个Channel,有四个事件:
1:connect(对应常量值:OP_CONNECT)
2:accept(对应常量值:OP_ACCEPT)
3:read(对应常量值:OP_READ)
4:write(对应常量值:OP_WRITE)
Selector选择器可以监听哪些通道已经注册了事件,通过判断不同的事件,进行处理。
Selector的实现原理:
select会监听Channel通道,当Channel中有数据可以读取或者写入时,就会把Channel的引用拷贝一份出来,放到selectKeys集合中,selectKeys中都是监听到的可以进行读取或者写入的通道,那么下面通过遍历selectKeys,然后根据Selector提供的ket.isConnectable()、ket.isAcceptable()、ket.isReadable()、ket.isWritable()判断是哪个事件,然后再进行事件处理。
下面通过具体的实例实现上面所说的内容,以便更容易理解。
服务端代码:
public static void main(String[] args) throws IOException {
//创建一个ServerSocketChannel
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
//默认是阻塞的,需要手动设置为非阻塞模式
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
//指定一个服务端的端口号
serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8977));
System.out.println("服务端启动成功");
while (true) {
//serverSocketChannel.accept()
//如果通道是非阻塞模式,那么没有挂起的连接,这个方法会立即返回,必须要检查是否为空
SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
if (socketChannel != null) {
//设置为非阻塞模式
socketChannel.configureBlocking(false);
//socketChannel.getRemoteAddress获取客户端连接信息
System.out.println("收到一个新的连接:" + socketChannel.getRemoteAddress());
try {
//读取数据
//创建一个ByteBuffer,并指定容量大小为1024
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
String readMsg;
//read会阻塞
while (socketChannel.isOpen() && socketChannel.read(byteBuffer) != -1) {
//手动判断有没有读取结束
if (byteBuffer.position() > 0) {
break;
}
}
//没有数据就继续执行下面的代码
if(byteBuffer.position() == 0) {
continue;
}
//转换为读取模式
byteBuffer.flip();
byte[] bytes = new byte[byteBuffer.limit()];
byteBuffer.get(bytes);
System.out.println("收到新的数据:" + new String(bytes));
System.out.println("收到新的数据,来自:" + socketChannel.getRemoteAddress());
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
客户端代码:
public static void main(String[] args) throws IOException {
//创建一个SocketChannel
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
//设置为非阻塞模式
socketChannel.configureBlocking(false);
//连接服务端
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8977));
//当客户端没有连接上就等待
while (!socketChannel.finishConnect()) {
Thread.yield();
}
//写入数据
Scanner scanner = new Scanner(System.in);
System.out.println("请输入:");
String writeMsg = scanner.nextLine();
//ByteBuffer方法的用法请自行百度
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.wrap(writeMsg.getBytes());
while (byteBuffer.hasRemaining()) {
socketChannel.write(byteBuffer);
}
//关闭
scanner.close();
socketChannel.close();
}
服务端输出结果:
同样的,服务端也可以发送数据给客户端,修改上述服务端和客户端代码代码。
服务端加入下面的代码:
//写入数据
String writeMsg = "HTTP/1.1 200 OK\r\n" +
"Content-Length: 11\r\n\r\n" +
"hello world";
//为啥没调用转换写入模式,这里新建了一个ByteBuffer
ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.wrap(writeMsg.getBytes());
while (writeBuffer.hasRemaining()) {
socketChannel.write(writeBuffer);
}
客户端加入下面的代码:
//获取服务端数据
System.out.println("收到服务端响应:");
ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
//read会阻塞
while (socketChannel.isOpen() && socketChannel.read(readBuffer) != -1) {
//手动判断有没有读取结束
if (readBuffer.position() > 0) {
break;
}
}
//转换为读取模式
readBuffer.flip();
byte[] bytes = new byte[readBuffer.limit()];
readBuffer.get(bytes);
System.out.println("收到服务端数据:" + new String(bytes));
客户端打印结果:
改造上面的服务端和客户端代码,使用Selector:
使用Selector的好处,不用遍历所有的通道,直接遍历有事件触发的通道,节省时间和资源的消耗。
服务端修改之后:
public static void main(String[] args) throws IOException {
//创建一个ServerSocketChannel
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
//默认是阻塞的,需要手动设置为非阻塞模式
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
//创建一个Selector
Selector selector = Selector.open();
//注册一个感兴趣的事件
//服务端永远是被动的,所以这里只能注册OP_ACCEPT事件
serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
//指定一个服务端的端口号
serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8977));
System.out.println("服务端启动成功");
while (true) {
//启动selector,会阻塞,直到有事件为止,可以监听事件的触发
selector.select();
//获取到触发的事件集合
Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
//遍历事件
Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
SelectionKey key = iterator.next();
//获取已经准备就绪的事件
if (key.isAcceptable()) {
//获取到客户端的Channel
SocketChannel socketChannel = ((ServerSocketChannel)key.channel()).accept();
//设置为非阻塞模式
socketChannel.configureBlocking(false);
//注册事件
socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
System.out.println("收到一个新的连接:" + socketChannel.getRemoteAddress());
} else if (key.isReadable()) {
try {
SocketChannel socketChannel = (SocketChannel)key.channel();
//读取数据
//创建一个ByteBuffer,并指定容量大小为1024
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
//read会阻塞
while (socketChannel.isOpen() && socketChannel.read(byteBuffer) != -1) {
//手动判断有没有读取结束
if (byteBuffer.position() > 0) {
break;
}
}
//没有数据就继续执行下面的代码
if(byteBuffer.position() == 0) {
continue;
}
//转换为读取模式
byteBuffer.flip();
byte[] bytes = new byte[byteBuffer.limit()];
byteBuffer.get(bytes);
System.out.println("收到新的数据:" + new String(bytes));
System.out.println("收到新的数据,来自:" + socketChannel.getRemoteAddress());
//写入数据
String writeMsg = "HTTP/1.1 200 OK\r\n" +
"Content-Length: 11\r\n\r\n" +
"hello world";
//为啥没调用转换写入模式,这里新建了一个ByteBuffer
ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.wrap(writeMsg.getBytes());
while (writeBuffer.hasRemaining()) {
socketChannel.write(writeBuffer);
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
//处理完之后要移除,不然下次还会再集合中
//需要自己去管理集合
iterator.remove();
}
}
客户端修改之后:
public static void main(String[] args) throws IOException {
//创建一个SocketChannel
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
//设置为非阻塞模式
socketChannel.configureBlocking(false);
//创建一个Selector
Selector selector = Selector.open();
//注册一个感兴趣的事件
socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
//连接服务端
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8977));
while (true) {
//启动selector,会阻塞,直到有事件为止,可以监听事件的触发
selector.select();
//获取到触发的事件集合
Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
//遍历事件
Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
SelectionKey key = iterator.next();
if (key.isConnectable()) {
if (socketChannel.finishConnect()) {
System.out.println("连接成功:" + socketChannel);
//切换事件为写入
key.interestOps(SelectionKey.OP_WRITE);
}
} else if(key.isWritable()) {
//写入数据
Scanner scanner = new Scanner(System.in);
System.out.println("请输入:");
String writeMsg = scanner.nextLine();
scanner.close();
//ByteBuffer方法的用法请自行百度
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.wrap(writeMsg.getBytes());
while (byteBuffer.hasRemaining()) {
socketChannel.write(byteBuffer);
}
key.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
} else if (key.isReadable()) {
//获取服务端数据
System.out.println("收到服务端响应:");
ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
//read会阻塞
while (socketChannel.isOpen() && socketChannel.read(readBuffer) != -1) {
//手动判断有没有读取结束
if (readBuffer.position() > 0) {
break;
}
}
//转换为读取模式
readBuffer.flip();
byte[] bytes = new byte[readBuffer.limit()];
readBuffer.get(bytes);
System.out.println("收到服务端数据:" + new String(bytes));
}
//处理完之后要移除,不然下次还会再集合中
iterator.remove();
}
}
}
服务端打印结果:
客户端打印结果:
启动多个客户端后,服务端打印结果:
注意:SocketChannel的write方法,可能在没有写入任何内容就返回了,所以需要在while中使用,read可能没有读取直接返回了null,所以需要根据返回的int值判断读取了多少内容。
注意:ServerSocketChannel的accept方法,在通道没有阻塞的情况下,如果没有挂起的连接,会立即返回null,所以必须要检查ServerSocketChannel的accept方法是否为空。
到此,NIO三个核心组件就说完了。
本文的内容,都在学习过程的记录,加上个人的一些理解,存在不足或者不够深入的地方,或者有些地方说的不够明白,还望谅解,多多指正。
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