java實現兩台電腦間TCP協議文件傳輸

  記錄下之前所做的客戶端向服務端發送文件的小項目，總結下學習到的一些方法與思路。

注：本文參考自《黑馬程序員》視頻。

  首先明確需求，在同一局域網下的機器人A想給喜歡了很久的機器人B發送情書，但是機器人B事先並不知道小A的心思，那么作為月老（紅娘）該如何幫助他們呢？

  然后建立模型並拆分需求。這里兩台主機使用網線直連，在物理層上確保建立了連接，接下來便是利用相應的協議將信息從電腦A傳給電腦B。在這一步上，可以將此過程抽象為網絡+I/O（Input、Output）的過程。如果能在一台電腦上實現文件之間的傳輸，再加上相互的網絡協議，羞澀的A不就可以將情書發送給B了嗎？因此要先解決在一台電腦上傳輸信息的問題。為了在網絡上傳輸，使用必要的協議是必要的，TCP/IP協議簇就是為了解決計算機間通信而生，而這里主要用到UDP和TCP兩種協議。當小A可以向小B發送情書后，又出現了眾多的追求者，那么小B如何去處理這么多的並發任務呢？這時便要用到多線程的技術。

  因此接下來將分別介紹此過程中所用到了I/O流（最基礎）、網絡編程（最重要）、多線程知識（較重要）和其中一些小技巧。

一、I/O流

  I/O流用來處理設備之間的數據傳輸，Java對數據的傳輸通過流的方式。

  流按操作數據分為兩種：字節流與字符流。如果數據是文本類型，那么需要使用字符流；如果是其他類型，那么使用字節流。簡單來說，字符流=字節流+編碼表。

  流按流向分為：輸入流（將硬盤中的數據讀入內存），輸出流（將內存中的數據寫入硬盤）。

  簡單來說，想要將某文件傳到目的地，需要將此文件關聯輸入流，然后將輸入流中的信息寫入到輸出流中。將目的關聯輸出流，就可以將信息傳輸到目的地了。

  Java提供了大量的流對象可供使用，其中有兩大基類，字節流的兩個頂層父InputStream與OutputStream；字符流的兩個頂層父類Reader與Writer。這些體系的子類都以父類名作為后綴，而子類名的前綴就是該對象的功能。

流對象技巧

  下提供4個明確的要點，只要明確以下幾點就能比較清晰的確認使用哪幾個流對象。

  1， 明確源和目的（匯）

• 源     ：InputStream       Reader
• 目的  ：OutputStream    Writer

  2， 明確數據是否是純文本數據

• 源   ：是純文本  ：Reader

           非純文本  ：InputStream

• 目的：是純文本  ：Writer

           非純文本  ：OutputStream

  到這里就可以明確需求中具體要用哪個體系。

  3， 明確具體的設備。

• 源設備：

        硬盤：File

        鍵盤：System.in

        內存：數組

        網絡：Socket流

• 目的設備：

        硬盤：File

        控制台：System.out

        內存：數組

        網絡：Socket流

  4，是否需要其他額外功能。

a) 是否需要高效（緩沖區）?

是，就加上buffer。

b) 是否需要轉換?

是

• 源：InputStreamReader 字節流->字符流
• 目的：OutputStreamWriter 字符流->字節流

  在這里源為硬盤，目的也為硬盤，數據類型為情書，可能是文字的情書，也可能是小A唱的歌《情書》，因此使用字節流比較好。因此分析下來源是文件File+字節流InputStream->FileInputStream，目的是文件File+字節流OutputStream->FileOutputStream，  接下來便是數據如何從輸入流到輸出流的問題。

  兩個流之間沒有直接關系，需要使用緩沖區來作為中轉，為了將讀入流與緩沖區關聯，首先自定義一個緩沖區數組byte[1024]。為了將讀入流與緩沖區關聯，使用fis.read(buf)；為了將寫出流與緩沖區關聯，使用fos.write(buf,0,len)。為了將流中的文件寫出到輸出源中，要使用fos.flush或者fos.close。flush可以多次刷新，而close只能使用一次。

  代碼如下，其中讀寫中會遇到的異常為了程序的清晰閱讀，直接拋出，建議實際使用時利用try,catch處理。

public class IODemo {
    /**
     * 需求：將指定文件從D盤目錄d:\1下移動到d:\2下
     * @param args
     * @throws IOException 
     */
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //1，明確源和目的，建立輸入流和輸出流
        //注意路徑需要使用\\，將\轉義
        FileInputStream fis = new FileInputStream("d:\\1\\1.png");//源為d盤1目錄下文件1.png
        FileOutputStream fos = new FileOutputStream("d:\\2\\2.png");//目的為d盤2目錄下文件2.png
        //2，使用自定義緩沖區將輸入流和輸出流關聯起來
        byte[] buf = new byte[1024];//定義1024byte的緩沖區
        int len = 0;//輸入流讀到緩沖區中的長度
        //3，將數據從輸入流讀入緩沖區
        //循環讀入，當讀到文件最后，會得到值-1
        while((len=fis.read(buf))!=-1){
            fos.write(buf,0,len);//將讀到長度部分寫入輸出流
        }
        //4，關流，需要關閉底層資源
        fis.close();
        fos.close();
    }
}

   這樣小A就可以自己給自己發送情書啦，接下來怎么利用網絡給小A和小B前線搭橋呢？

二、網絡編程

  在I/O技術中，網絡的源設備都是Socket流，因此網絡可以簡單理解為將I/O中的設備換成了Socket。

  首先要明確的是傳輸協議使用UDP還是TCP。這里直接使用TCP傳輸。

TCP

  TCP是傳輸控制協議，具體的特點有以下幾點：

• 建立連接，形成傳輸數據的通道
• 在連接中進行大數據量傳輸
• 通過三次握手完成連接，是可靠協議
• 必須建立連接，效率會稍低

Socket套接字

  不管使用UDP還是TCP，都需要使用Socket套接字，Socket就是為網絡服務提供的一種機制。通信的兩端都有Socket，網絡通信其實就是Socket間的通信，數據在兩個Socket間通過I/O傳輸。

TCP傳輸

  TCP傳輸的兩端分別為客戶端與服務端，java中對應的對象為Socket與ServerSocket。需要分別建立客戶端與服務端，在建立連接后通過Socket中的IO流進行數據的傳輸，然后關閉Socket。

  同樣，客戶端與服務器端是兩個獨立的應用程序。

  Socket類實現客戶端套接字，ServerSocket類實現服務器套接字。

  客戶端向服務端發送信息建立通道，通道建立后服務器端向客戶端發送信息。

  客戶端一般初始化時要指定對方的IP地址和端口，IP地址可以是IP對象，也可以是IP對象字符串表現形式。

  建立通道后，信息傳輸通過Socket流，為底層建立好的，又有輸入和輸出，想要獲取輸入或輸出流對象，找Socket來獲取。為字節流。getInputStream()和getOutputStream()方法來獲取輸入流和輸出流。

  服務端獲取到客戶端Socket對象，通過其對象與Cilent進行通訊。

  客戶端的輸出對應服務端的輸入，服務端的輸出對應客戶端的輸入。

  下面將之前的功能復雜化，變成將客戶端硬盤上的文件發送至服務端。

客戶端與服務端的演示

客戶端

//客戶端發數據到服務端
        /*
         * TCP傳輸，客戶端建立的過程
         * 1，創建TCP客戶端Socket服務，使用的是Socket對象。
         *         建議該對象一創建就明確目的地。要連接的主機。
         * 2，如果連接建立成功，說明數據傳輸通道已建立。
         *         該通道就是Socket流，是底層建立好的。既然是流，說明這里既有輸入，又有輸出。
         * 3，使用輸出流，將數據寫出。
         * 4，關閉資源。
         */
        // 建立客戶端Socket
        Socket s = new Socket(InetAddress.getLocalHost(), 9003);
        // 獲得輸出流
        OutputStream out = s.getOutputStream();
        // 獲得輸入流
        FileInputStream fis = new FileInputStream("d:\\1\\1.png");
        // 發送文件信息
        byte[] buf = new byte[1024];
        int len = 0;
        while ((len = fis.read(buf)) != -1) {
            // 寫入到Socket輸出流
            out.write(buf, 0, len);
        }
        s.shutdownOutput();
        // 關流
        out.close();
        fis.close();
        s.close();

   注意：在建立客戶端Socket服務的時候，需要指定服務端的IP地址和端口號，此處在實現在一台電腦上演示，因此服務端的地址是本機的IP地址。

服務端

        // 建立服務端
        ServerSocket ss = new ServerSocket(9003);// 需要指定端口，客戶端與服務端相同，一般在1000-65535之間
 3         //服務端一般一直開啟來接收客戶端的信息。
        while (true) {
            // 獲取客戶端Socket
            Socket s = ss.accept();
            // 獲取輸入流與輸出流
            InputStream in = s.getInputStream();// 輸入流
            FileOutputStream fos = new FileOutputStream("d:\\3\\3.png");
            // 創建緩沖區關聯輸入流與輸出流
            byte[] buf = new byte[1024];
            int len = 0;
            // 數據的寫入
            while ((len = in.read(buf)) != -1) {
                fos.write(buf, 0, len);
            }
            // 關流
            fos.close();
            s.close();
        }

  因為此時還沒有用到File類，因此與流關聯的文件夾必須被提前創建，否則沒辦法成功寫入。所以建議后續使用File對象來完成文件與流的關聯。

三、傳輸任意類型后綴的文件

  因為只有一次通信的過程，因此服務端事先不知道客戶端所傳輸文件的類型，因此可以讓服務端與客戶端進行簡單的交互，這里只考慮成功傳輸的情況。

  具體實現過程為：一、客戶端向服務端發送文件完整名稱；二、服務端接收到完整名稱，提取文件后綴名發送給客戶端；三、客戶端接收到服務端發送的后綴名進行校驗，不同則關閉客戶端Socket流，結束客戶端進程；四、如果正確，則發送文件信息。五、服務端根據接收到的文件名稱和客戶端ip地址建立相應的文件夾（如果不存在，則創立文件夾），將客戶端Socket輸入流信息寫入文件，關閉客戶端流。這樣因為多了一次傳輸文件后綴名的過程，因此可以傳輸任意類型的文件，便於之后的拓展，如可以加入圖形界面，選擇任意想要傳輸的文件。

  這樣基礎功能已經大部分完成，但是此時一次只能連接一個客戶端，這樣如果機器人小B有若干追求者，也只能乖乖等小A將文件傳輸完畢，為了解決可以同時接收多個客戶端的信息，需要用到多線程的技術。

四、多線程

  多線程的實現有兩種方法，一種是繼承Thread類，另一種是實現Runnable接口然后作為線程任務傳遞給Thread對象，這里選擇第二種實現Runnable接口。需要覆寫此接口的run()方法，在之前的基礎之上改動，將獲取到的客戶端Socket對象傳入線程任務的run()方法，線程任務類需要持有Socket的引用，利用構造函數對此引用進行初始化。將讀取輸入流至關閉客戶端流的操作封裝至run()方法。需要注意的是，此過程中代碼會拋出異常，而實現接口類不能throw異常，只能進行try,catch處理（接口中無此異常聲明，因此不能拋出）。在服務器類中，新建Thread對象，將線程任務類對象傳入，調用Thread類的start()方法開啟線程。

五、總結

  以上便基本實現了此任務的核心功能，即通過TCP協議，實現了多台客戶端與主機間任意類型文件的傳輸，其中最核心的知識點在於I/O流，即需要弄清輸入流與輸出流，利用緩沖區進行二者的關聯；在此基礎上，加入了網絡技術編程，將輸入輸出流更改為Socket套接字；為了增加拓展性，引入文件對象，實現客戶端與服務端的交互；為了實現多台電腦與主機的文件傳輸，引入了多線程。程序中為了盡量簡化與抽象最核心的內容，一些代碼與邏輯難免有紕漏，希望大家多多指正與交流。當然此過程完全可以由UDP協議完成，在某些場景下UDP也更有優勢，此處不再贅述。

完整代碼

客戶端

import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.net.InetAddress;
import java.net.Socket;
import java.net.UnknownHostException;

public class Client {
    public static void main(String[] args) throws UnknownHostException, IOException {
        /*
         * 客戶端先向服務端發送一個文件名，服務端接收到后給客戶端一個反饋，然后客戶端開始發送文件
         */
        //建立客戶端Socket
        Socket s = new Socket(InetAddress.getLocalHost(), 9001);//修改為服務器IP地址
        //獲得輸出流
        OutputStream out = s.getOutputStream();
        //關聯發送文件
        File file = new File("D:\\1.png");
        String name = file.getName();//獲取文件完整名稱
        String[] fileName = name.split("\\.");//將文件名按照.來分割，因為.是正則表達式中的特殊字符，因此需要轉義
        String fileLast = fileName[fileName.length-1];//后綴名
        //寫入信息到輸出流
        out.write(name.getBytes());
        //讀取服務端的反饋信息
        InputStream in = s.getInputStream();
        byte[] names = new byte[50];
        int len = in.read(names);
        String nameIn = new String(names, 0, len);
        if(!fileLast.equals(nameIn)){
            //結束輸出，並結束當前線程
            s.close();
            System.exit(1);
        }
        //如果正確，則發送文件信息
        //讀取文件信息
        FileInputStream fr = new FileInputStream(file);
        //發送文件信息
        byte[] buf = new byte[1024];
        while((len=fr.read(buf))!=-1){
            //寫入到Socket輸出流
            out.write(buf,0,len);
        }
        //關流
        out.close();
        fr.close();
        s.close();
    }
}

服務端

任務類

import java.io.File;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.net.Socket;

public class Task implements Runnable {
    private Socket s;
    public Task(Socket s){
        this.s = s;
    }
    @Override
    public void run() {
        String ip = s.getInetAddress().getHostAddress();
        try{
            //獲取客戶端輸入流
            InputStream in = s.getInputStream();
            //讀取信息
            byte[] names = new byte[100];
            int len = in.read(names);
            String fileName = new String(names, 0, len);
            String[] fileNames = fileName.split("\\.");
            String fileLast = fileNames[fileNames.length-1];
            //然后將后綴名發給客戶端
            OutputStream out = s.getOutputStream();
            out.write(fileLast.getBytes());
            //新建文件
            File dir = new File("d:\\server\\"+ip);
            if(!dir.exists())
                dir.mkdirs();
            File file = new File(dir,fileNames[0]+"."+fileLast);
            FileOutputStream fos = new FileOutputStream(file);
            //將Socket輸入流中的信息讀入到文件
            byte[] bufIn = new byte[1024];
            while((len = in.read(bufIn))!=-1){
                //寫入文件
                fos.write(bufIn, 0, len);
            }
            fos.close();
            s.close();
        }catch(Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

服務器類

import java.io.IOException;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

public class Server {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        /*
         * 服務端先接收客戶端傳過來的信息，然后向客戶端發送接收成功，新建文件，接收客戶端信息
         */
        //建立服務端
        ServerSocket ss = new ServerSocket(9001);//客戶端端口需要與服務端一致
        while(true){
            //獲取客戶端Socket
            Socket s = ss.accept();
            new Thread(new Task(s)).start();
        }
    }
}

  以上內容就到這里，如有錯誤和不清晰的地方，請大家指正！