深入Java网络编程：JDK网络类库原理与实践的5个关键点

# 1. Java网络编程概述

在当今的数字时代，网络编程已成为软件开发不可或缺的一部分。Java作为一种跨平台、面向对象的编程语言，提供了强大的网络编程能力。通过使用Java的网络类库，开发者可以轻松构建网络应用，无论是简单的客户端-服务器模型，还是复杂的分布式系统。本章将简要介绍Java网络编程的基本概念，探讨其在各种应用程序中的应用，并为后续章节的学习奠定基础。我们将从计算机网络模型和网络协议入手，逐步深入到Java如何通过其丰富的API和类库来实现网络通信。

# 2. Java网络编程基础

### 2.1 网络基础概念

#### 2.1.1 计算机网络模型

在深入探讨Java网络编程之前，必须对计算机网络的基础概念有所了解。计算机网络是分布式应用和数据交换的基础设施，通过一系列的标准化协议实现不同计算机之间的通信。为了实现这一目标，网络采用了分层的架构模型，最著名的有OSI七层模型和TCP/IP四层模型。

**OSI模型**，全称开放系统互连参考模型，它将计算机网络体系结构划分为七个层次，从上至下依次为：应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层和物理层。每一层都负责不同的功能，例如传输层处理端到端的通信，网络层负责路由和转发数据包等。

**TCP/IP模型**则更为简洁，它将OSI模型的七层压缩为四层，分别是应用层、传输层、互联网层和网络接口层。TCP/IP模型被广泛应用于实际的互联网和企业网络中，其中传输层的TCP和UDP协议为应用程序提供了端到端的服务。

#### 2.1.2 网络协议与端口

在计算机网络中，协议是一套规定了数据传输的规则和格式，确保数据能够在异构系统间正确无误地交换。每一种协议可能涉及一个或多个网络层，而每层的协议必须协同工作，才能完成整个数据传输过程。

网络中的每个服务都通过一个独特的端口号来标识，端口号是一个16位的无符号整数，其范围从0到65535。其中，1-1023号端口被称为知名端口，通常保留给一些特定的网络服务使用，如HTTP服务默认使用80端口，HTTPS服务默认使用443端口。1024-49151号端口被称作注册端口，这些端口可以被分配给用户注册的应用程序。而49152-65535号端口被称为动态或私有端口，通常用于临时分配给应用程序使用。

### 2.2 JDK网络类库结构

#### 2.2.1 核心类库概览

Java通过提供丰富的网络类库，极大地简化了网络编程的复杂性。JDK中与网络编程相关的核心类库主要集中在`***`包中，它提供了设计网络应用程序的基础组件。`***`包中的类和接口可以大致分为两个主要部分：URI相关类和套接字相关类。

**URI, URL和URN的区别**

- **URI (Uniform Resource Identifier)**：统一资源标识符，用于标识一个资源的字符串，是URL和URN的超集。
- **URL (Uniform Resource Locator)**：统一资源定位符，用于定位并访问互联网上的资源。URL通过指定协议类型（如http或ftp）、网络位置（如域名）以及资源位置（如文件路径）来定位资源。
- **URN (Uniform Resource Name)**：统一资源命名，使用特定命名空间中的名称来标识资源。即使资源的地址发生变化，URN仍能保持不变。

***.URI;
***.URL;
***.URN;

public class URLDemo {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            // 创建URI
            URI uri = new URI("***");
            // 创建URL
            URL url = new URL(uri.toString());
            // URN通常不直接创建，因为需要特定的命名空间
            // 下面的代码是错误的示范，实际中URN需要根据具体命名空间来创建
            // URN urn = new URN("urn:example:resource");

            System.out.println("URI: " + uri);
            System.out.println("URL: " + url);
            // System.out.println("URN: " + urn); // 这里将导致编译错误
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

以上代码展示了如何创建一个URI和URL对象。请注意，Java在尝试解析一个字符串为URI或URL时，会抛出异常，如果该字符串不符合URI或URL的语法规则。

### 2.3 套接字编程入门

#### 2.3.1 套接字(Sockets)的基本概念

在计算机网络中，套接字（Sockets）是应用程序之间进行网络通信的端点。套接字允许数据在应用程序之间传输，它们可以是面向连接的，也可以是无连接的。

- **面向连接的套接字**使用TCP协议，保证数据传输的可靠性和顺序，但传输效率较低，适用于对数据完整性要求较高的场景。
- **无连接的套接字**使用UDP协议，传输效率高，但不保证数据包的顺序和可靠性，适用于对实时性要求高但可以容忍一定丢包的场景。

#### 2.3.2 TCP和UDP协议的选择

选择TCP还是UDP，取决于应用的需求。对于需要保证数据完整性和顺序的场景，如文件传输或Web浏览，TCP是更好的选择。对于如视频流或音频流这样的实时通信应用，即使偶尔丢包也不会严重影响用户体验，UDP更加适合。

下面是一个简单的TCP套接字编程示例，展示了如何在Java中实现一个简单的客户端和服务器通信。

// TCP服务器端代码示例
import java.io.*;
***.*;

public class TCPServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(12345);
        System.out.println("TCP Server is running...");
        Socket clientSocket = serverSocket.accept();
        System.out.println("Connected to client: " + clientSocket.getInetAddress());
        BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream()));
        PrintWriter out = new PrintWriter(clientSocket.getOutputStream(), true);
        String inputLine;
        while ((inputLine = in.readLine()) != null) {
            System.out.println("Received: " + inputLine);
            out.println("Echo: " + inputLine);
        }
        in.close();
        out.close();
        clientSocket.close();
        serverSocket.close();
    }
}

// TCP客户端代码示例
import java.io.*;
***.*;

public class TCPClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Socket socket = new Socket("localhost", 12345);
        PrintWriter out = new PrintWriter(socket.getOutputStream(), true);
        BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
        BufferedReader stdIn = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
        String userInput;
        while ((userInput = stdIn.readLine()) != null) {
            out.println(userInput);
            System.out.println("Server: " + in.readLine());
        }
        in.close();
        stdIn.close();
        out.close();
        socket.close();
    }
}

在本示例中，服务器监听本地的12345端口。当客户端连接到服务器时，服务器接收客户端发送的数据，并回显相同的消息。该例子展示了TCP套接字通信的基本模式。

请注意，实际的网络编程往往需要处理多线程、异常处理和资源管理等问题，上面的示例仅作为理解TCP套接字通信原理的起点。

# 3. Java I/O流与网络通信

## 3.1 Java I/O流基础

### 3.1.1 输入流(Input Streams)与输出流(Output Streams)

Java的I/O流是进行数据读写操作的基础，分为输入流和输出流两大类。输入流用于从数据源读取数据到程序中，而输出流则用于将数据从程序写入目标。根据处理数据的类型，I/O流分为字节流和字符流两大阵营。字节流适用于处理二进制数据，如文件、网络传输的数据等；字符流则用于处理字符数据，便于处理文本信息。

// 示例：使用FileInputStream读取文件（字节流）
import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;

public class ReadFileExample {
    public static void main(String[] args) {
        FileInputStream fileInputStream = null;
        try {
            fileInputStream = new FileInputStream("example.txt");
            int content;
            while ((content = fileInputStream.read()) != -1) {
                // 处理读取的每个字节数据
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            try {
                if (fileInputStream != null) {
                    fileInputStream.close();
                }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

在上述代码中，我们创建了一个 `FileInputStream` 实例来从文件 "example.txt" 中读取数据。我们逐字节读取并处理数据，直到文件末尾。确保在操作结束后关闭流，释放资源。

### 3.1.2 缓冲流(Buffered Streams)的应用

缓冲流通过提供缓冲机制来提高I/O操作的效率。它减少了对底层数据源的实际读写调用次数，因为它是以块的形式读取数据到内部缓冲区，并且可以在内部缓冲区满之前不进行实际的数据传输。输出时，它会先把数据写入缓冲区，并在缓冲区满了之后再进行实际写操作。

// 示例：使用BufferedInputStream提高读取效率
import java.io.BufferedInputStream;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;

public class BufferedReadFileExample {
    public static void main(String[] args) {
        BufferedInputStream bufferedInputStream = null;
        FileInputStream fileInputStream = null;
        try {
            fileInputStream = new FileInputStream("example.txt");
            bufferedInputStream = new BufferedInputStream(fileInputStream);
            int content;
            while ((content = bufferedInputStream.read()) != -1) {
                // 处理读取的每个字节数据
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            try {
                if (bufferedInputStream != null) {
                    bufferedInputStream.close();
                }
                if (fileInputStream != null) {
                    fileInputStream.close();
                }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

在这个例子中，我们添加了一个 `BufferedInputStream` 来包装 `FileInputStream`。注意到我们在读取数据时使用的是 `BufferedInputStream` 的实例。缓冲流在内部自动管理缓冲区，实现了数据的批量读取，从而减少了文件系统调用的次数，提高了性能。

## 3.2 网络I/O流编程

### 3.2.1 输入输出流在网络通信中的应用

网络通信中的I/O流遵循Java I/O流的基本概念。网络I/O流用于在客户端和服务器之间进行数据的发送和接收。当通过网络传输数据时，我们可以使用 `Socket` 类，它提供了网络通信中用到的输入和输出流。

// 示例：使用Socket的输入输出流发送和接收消息
import java.io.BufferedReader;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.PrintWriter;
***.Socket;

public class SocketCommunicationExample {
    public static void main(String[] args) {
        String hostName = "***.*.*.*"; // 服务器地址
        int port = 6666; // 服务器端口号

        try (Socket socket = new Socket(hostName, port);
             PrintWriter out = new PrintWriter(socket.getOutputStream(), true);
             BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()))) {
            // 发送消息到服务器
            out.println("Hello Server, this is client!");

            // 接收服务器的响应消息
            String response = in.readLine();
            System.out.println("Server: " + response);