Java网络编程实战：Socket、NIO、Netty，构建高效网络应用

# 1. Java网络编程基础**

Java网络编程是利用Java语言开发网络应用程序的基础。本章将介绍Java网络编程的基础知识，包括：

- **网络编程的概念：**网络编程的定义、目的和应用场景。
- **网络模型：**介绍客户端-服务器模型、对等模型和分布式模型，并分析其优缺点。
- **网络协议：**介绍TCP/IP协议栈，重点讲解TCP和UDP协议的特性和区别。

# 2. Socket编程实战**

**2.1 Socket编程基础**

**2.1.1 Socket的概念和类型**

Socket是一种网络编程接口，它允许应用程序通过网络与其他计算机进行通信。Socket可以分为两类：

- **流式Socket：**用于传输连续的数据流，如文本、图像或视频。
- **数据报Socket：**用于传输离散的数据包，如网络数据包或电子邮件。

**2.1.2 Socket的创建和连接**

要创建Socket，需要使用`java.net.Socket`类。该类提供了一个构造函数，用于指定目标主机和端口号。

Socket socket = new Socket("localhost", 8080);

创建Socket后，可以使用`connect()`方法将其连接到远程主机。

socket.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080));

**2.2 Socket通信协议**

Socket编程使用两种主要的通信协议：

**2.2.1 TCP协议**

TCP（传输控制协议）是一种面向连接的协议，它提供可靠、有序的数据传输。TCP建立连接后，会维护一个状态机，以确保数据按顺序传输，并且不会丢失或损坏。

**2.2.2 UDP协议**

UDP（用户数据报协议）是一种无连接的协议，它提供不可靠、无序的数据传输。UDP不会建立连接，而是直接将数据包发送到目标主机。UDP适用于不需要可靠性或顺序传输的应用，如视频流或网络游戏。

**2.3 Socket编程实例**

**2.3.1 客户端-服务器通信**

以下是使用Socket进行客户端-服务器通信的示例：

**客户端代码：**

Socket socket = new Socket("localhost", 8080);
OutputStreamWriter writer = new OutputStreamWriter(socket.getOutputStream());
writer.write("Hello from client!");
writer.flush();

**服务器代码：**

ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080);
Socket clientSocket = serverSocket.accept();
InputStreamReader reader = new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream());
BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(reader);
String message = bufferedReader.readLine();
System.out.println("Received message from client: " + message);

**2.3.2 多线程并发编程**

为了处理多个客户端连接，可以使用多线程并发编程。以下示例使用线程池来处理客户端请求：

ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080);
while (true) {
    Socket clientSocket = serverSocket.accept();
    executorService.submit(() -> {
        // 处理客户端请求
    });
}

# 3. NIO编程实战

### 3.1 NIO编程基础

#### 3.1.1 NIO的概念和优势

NIO（Non-Blocking IO）是一种非阻塞式的IO模型，它与传统的阻塞式IO模型相比，具有以下优势：

- **非阻塞：** NIO不会阻塞线程，即使在等待IO操作完成时也是如此。这使得NIO可以处理大量的并发连接，而不会导致线程饥饿。
- **高性能：** NIO使用缓冲区和选择器来高效地管理IO操作，从而提高了应用程序的性能。
- **可扩展性：** NIO可以轻松地扩展到处理大量的并发连接，因为它不会阻塞线程。

#### 3.1.2 NIO的缓冲区和选择器

NIO使用缓冲区和选择器来管理IO操作。缓冲区用于存储数据，而选择器用于监控多个IO通道的状态。

**缓冲区：** 缓冲区是用于存储数据的内存区域。NIO使用两种类型的缓冲区：

- **直接缓冲区：** 直接缓冲区直接映射到物理内存，从而可以更有效地访问数据。
- **非直接缓冲区：** 非直接缓冲区将数据复制到JVM堆中，然后再进行访问。

**选择器：** 选择器是一个Java类，它允许应用程序同时监控多个IO通道。选择器可以检测以下事件：

- **读事件：** 通道中有数据可读。
- **写事件：** 通道可以写入数据。
- **连接事件：** 通道已连接或断开连接。

### 3.2 NIO编程实例

#### 3.2.1 Echo服务器

以下是一个使用NIO实现的Echo服务器示例：

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;

public class EchoServer {

    private Selector selector;
    private ServerSocketChannel serverSocketChannel;

    public EchoServer(int port) throws IOException {
        selector = Selector.open();
        serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(port));
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);
        serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
    }

    public void start() throws IOException {
        while (true) {
            selector.select();
            Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
            Iterator<SelectionKey> iterator = selectedKeys.iterator();
            while (iterator.hasNext()) {
                SelectionKey key = iterator.next();
                iterator.remove();
                if (key.isAcceptable()) {
                    accept(key);
                } else if (key.isReadable()) {
                    read(key);
                } else if (key.isWritable()) {
                    write(key);
                }
            }
        }
    }

    private void accept(SelectionKey key) throws IOException {
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = (ServerSocketChannel) key.channel();
        SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
        socketChannel.configureBloc