「网络编程」基于 UDP 协议实现回显服务器

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🍉socket api

操作系统给我们提供的进行网络编程的 api 称为 socket api（网络编程套接字），具体到传输层，有两个重要的协议的 api —— UDP api 和 TCP api，本文我们介绍的是 UDP api

UDP 有四个特点：无连接、不可靠传输、面向数据报、全双工。这在后文中会解释

Java 对系统原生的 api 进行了封装，UDP socket 有两个核心的类

1. DatagramSocket

操作系统中有一类文件，叫作 socket 文件，它和我们之前所说的“文件”不太一样，我们平时所说的普通文件、目录文件位于硬盘上，而 socket 文件则是抽象表示了网卡这样的硬件设备（网卡是网络通信中的核心硬件设备），也就是把网卡等硬件视为一种文件。通过网卡发送数据就是写 socket 文件；接收数据就是读 socket 文件
说回 DatagramSocket，它负责读写 socket 文件，也就是借助网卡发送或接收数据

它有两个构造方法：

负责发送和接收的方法如下：

2. DatagramPacket

DatagramPacket 表示一个 UDP 数据报。UDP 面向数据报，每次发送、接收数据的基本单位就是一个 UDP 数据报

🍉回显服务器

这是网络编程中最简单的程序，相当于 hello world，不过还是有一定的难度
服务器在接收客户端的请求后会返回响应，具体返回什么响应，要根据实际的业务场景分析。对于回显服务器，它没有业务逻辑，客户端发什么请求，服务器就返回什么响应

🍌实现

接下来我们通过 UDP 协议来实现一个回显服务器

🥝服务器

首先要创建一个 DatagramSocket 对象，然后要通过这个 socket 对象来操作网卡

public class UdpEchoServer {
    DatagramSocket socket = null;
    public UdpEchoServer(int port) throws SocketException {
        socket = new DatagramSocket(port); //在运行一个服务器程序时，通常会手动指定端口
    }
}

补充：这里的 SocketException 是网络编程中一个常见的异常，通常表示 socket 创建失败，比如端口号已经被别的进程占用了

接下来服务器主要做三件事

①读取请求并解析
②根据请求计算响应。对于回显服务器来说，这一步啥都不用做
③把响应返回到客户端

要读取请求得先创建一个 DatagramPacket 接收请求

DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(new byte[1024],1024);
socket.receive(requestPacket);
String request = new String(requestPacket.getData(),0,requestPacket.getLength());

使用字节数组构造字符串的方法一定要记住

调用 receive 涉及到缓冲区，下面通过图示补充一下：

第二步是根据请求计算响应，虽然回显服务器这一步不用做什么，不过为了逻辑完整，我们写一个 process 方法，它只返回 request
（如果是具有特定业务的服务器，process 中就写其他你想要的逻辑）

public String process(String request) {
    return request;
}

最后就是把响应返回给客户端，这一步要用到 send 方法

//3.把响应返回到客户端
//构造一个 DatagramPacket 作为响应对象
DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(response.getBytes(),0,
        response.getBytes().length,requestPacket.getSocketAddress());
socket.send(responsePacket);

接下来在主方法中启动服务器

服务器的代码如下：

public class UdpEchoServer {
    DatagramSocket socket = null;
    public UdpEchoServer(int port) throws SocketException {
        socket = new DatagramSocket(port);
    }

    //服务器的启动逻辑
    public void start() throws IOException {
        System.out.println("服务器启动");
        while(true) {
            //每次循环就是处理一个请求，然后返回响应的过程
            DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(new byte[1024],1024);
            //1.读取请求并解析
            socket.receive(requestPacket);
            //填充字节数组后，将其转为 String 方便后续处理逻辑
            //getData 方法获取到 DatagramPacket 内部的字节数组
            String request = new String(requestPacket.getData(),0,requestPacket.getLength());
            //2.根据请求计算响应
            String response = process(request);
            //3.把响应返回到客户端
            //构造一个 DatagramPacket 作为响应对象
            DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(response.getBytes(),0,
                    response.getBytes().length,requestPacket.getSocketAddress());
            socket.send(responsePacket);
            
            //打印日志
            System.out.printf("[%s:%d] req:%s, resp:%s\n",requestPacket.getAddress().toString(),
        requestPacket.getPort(),request,response);
        }
    }

    public String process(String request) {
        return request;
    }
    
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        UdpEchoServer server = new UdpEchoServer(7000);
        server.start();
    }
}

🥝客户端

接下来编写客户端的代码
首先要创建 socket 对象，注意客户端这里不需要手动指定端口号

1.在代码中手动指定端口号，可以保证端口号始终固定；如果不手动指定，那就是系统自动分配，这样的话服务器每次重启之后端口号可能就变了，一旦变了，客户端就可能找不到服务器在哪儿了，所以服务器需要手动指定
2.而对于客户端，因为无法确保手动指定的端口是可用的（可能被其他进程占用了），这就可能导致程序因为端口绑定失败而无法启动，所以让系统随机分配一个空闲的端口就 ok 了

接下来客户端要做四件事

1.从控制台读取要发送的请求数据
2.构造请求并发送
3.读取服务器的响应
4.把响应显示到控制台上

第一步就是先创建一个 Scanner 对象来读取字符串
这里补充一点，使用 Scanner 从控制台读取字符串的话最好使用 next，因为如果用 nextLine 读取需要手动输入换行符 enter，但是 enter 键除了产生 \n 还会产生其他字符，这就会导致读取到的内容容易出问题；而如果从文件读取的话那就用哪个都行

第二步构造请求就用接收的字符串来构造一个 DatagramPacket 对象，然后发送

DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(request.getBytes(),request.getBytes().length,
        InetAddress.getByName(serverIp),serverPort);
socket.send(requestPacket);

到这里我们已经了解了三种构造 DatagramPacket 对象的方法，总结一下：

//第一种：搭配 receive 使用。构造的时候指定空白的字节数组
DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(new byte[1024],1024);

//第二种：发数据时使用。构造时指定有内容的字节数组，并指定 IP 和端口
DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(response.getBytes(),response.getBytes().length,
requestPacket.getSocketAddress());

//第三种：发数据时使用。构造时指定有内容的字节数组，并指定 IP 和 端口，这两者分开指定
DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(request.getBytes(),request.getBytes().length,
InetAddress.getByName(serverIp),serverPort);

回到正题，第三步是读取服务器响应

DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(new byte[1024],1024);
socket.receive(responsePacket);

最后就是把它显示到控制台：

String response = new String(responsePacket.getData(),0,responsePacket.getLength()); //再次强调，这里的 getLength 方法得到的是有效长度
System.out.println(response);

客户端代码如下：

public class UdpEchoClient {
    DatagramSocket socket;
    String serverIp;
    int serverPort;
    public UdpEchoClient(String serverIp,int serverPort) throws SocketException {
        this.serverIp = serverIp;
        this.serverPort = serverPort;
        socket = new DatagramSocket();
    }

    public void start() throws IOException {
        System.out.println("客户端启动");
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        while(true) {
            if(!scanner.hasNext()) break;
            //1. 从控制台读取要发送的请求数据
            String request = scanner.next();
            //2.构造请求并发送
            DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(request.getBytes(),request.getBytes().length,
                    InetAddress.getByName(serverIp),serverPort);
            socket.send(requestPacket);
            //3.读取服务器的响应
            DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(new byte[1024],1024);
            socket.receive(responsePacket);
            //4.把响应显示到控制台上
            String response = new String(responsePacket.getData(),0,responsePacket.getLength());
            System.out.println(response);
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        UdpEchoClient client = new UdpEchoClient("127.0.0.1",7000);
        client.start();
    }
}

接下来运行一下看看效果：