网络编程（进阶）

网络编程（进阶）

目标：理解两台机器之间如何通信；掌握 Socket / ServerSocket 与输入/输出流收发数据的基本模型；会用 Java 写出最简的 client / server，理解 TCP 三次握手与「序列化对象」在网络里的落地。

本模块是进阶补充（原 32 课次无独立网络课），覆盖复习提纲「六、网络编程基础：socket / client / server」。贯穿示例用网络版 ERASE（素材/Erase-JAVA-NET/）——单机版俄罗斯方块的对战版，客户端与服务端各自起线程并发收发。

一、为什么要学网络编程：两台机器如何通信

• 单机程序的局限：前面所有程序都跑在一台机器的一个进程里；数据要「跨机器」传递（聊天、对战、网页请求），就需要网络编程；
• 最抽象的模型是 client / server：一台机器扮演服务端（server）——开一个「门牌号」（端口）等着人来；另一台扮演客户端（client）——拿着门牌号找上门去。数据就在这条通道上双向流动；
• Java 用 java.net 包的 Socket 来做这件事：ServerSocket（服务端监听）、Socket（客户端连接）、InputStream / OutputStream（收发字节）。

一句话：服务端「守株待兔」，客户端「主动上门」，握手成功后双向传数据。

二、TCP/IP 与 Socket 基础

传输层两大协议：

• TCP（面向连接的可靠传输）：先建连（三次握手）、再传数据；数据按序、不丢、可重传。聊天、对战、网页这类「要保序保真」的场景用它——本模块全程围绕 TCP；
• UDP（无连接的不保证传输）：不建连、直接发；快但不保证到达与顺序，适合实时音视频等「丢一帧没关系」的场景。（两者详细对比见后续 TCPvsUDPCompare 实验。）

Socket 编程四件套（本模块的核心 API）：

三、Socket 握手与数据帧

一次完整的 Socket 通信遵循固定五步：① 监听 → ② 连接 → ③ 通道 → ④ 收发 → ⑤ 关闭。下面按时序逐步高亮每条消息，看 TCP 三次握手如何建立连接、序列化数据帧如何在两端之间双向流动：

// 服务端：监听端口，为每个客户端起一个线程收发数据
ServerSocket ss = new ServerSocket(9001);   // 绑定端口并进入监听
while (true) {
    Socket cs = ss.accept();                // 阻塞等待客户端接入
    new Thread(() -> {                      // 每客户端一个线程（模块7）
        ObjectInputStream is = new ObjectInputStream(cs.getInputStream());
        ObjectOutputStream os = new ObjectOutputStream(cs.getOutputStream());
        while (true) {
            PlayInfo info = (PlayInfo) is.readObject();   // 读数据帧
            os.writeObject(handle(info));                 // 回发数据帧
            os.flush();
        }
    }).start();
}

// 客户端：连接服务端，收发序列化数据
Socket cs = new Socket("localhost", 9001);   // TCP 三次握手建立连接
ObjectOutputStream os = new ObjectOutputStream(cs.getOutputStream());
ObjectInputStream is = new ObjectInputStream(cs.getInputStream());

PlayInfo me = buildMyInfo();      // 组装自己的操作/状态
os.writeObject(me);               // 发数据帧（序列化）
os.flush();
PlayInfo fellow = (PlayInfo) is.readObject();  // 读回发来的数据帧
cs.close();

TCP 三次握手的每一步。 上面 new Socket(host, port) 背后正是 TCP 三次握手：客户端发 SYN、服务端回 SYN-ACK、客户端再发 ACK——三步走完，两端才同时进入 ESTABLISHED；若目标端口没有服务在监听，服务端回 RST（复位），连接被拒绝。下面逐步走查三个报文如何在 client/server 间往返、两端状态机如何同步迁移（含 RST 异常分支）：

四、TCP vs UDP：可靠有序 vs 快而无序

上面实验全程用的是 TCP。但传输层其实有两位选手——TCP 和 UDP，它们不是「谁更好」的关系，而是「各管一类场景」：

• TCP：先建连（三次握手）、再传数据；确认 + 重传保证必达，序号保证有序——代价是头部大、状态多、有延迟；
• UDP：不建连直接发，头部仅 8 字节——快，但不保证到达与顺序，丢了不重传。

七维度并排对比 + 场景选型练习（点场景看推荐协议）+ 两套 Java API 代码对照：

// TCP：先建连，可靠有序
ServerSocket server = new ServerSocket(9999);
Socket socket = server.accept();      // 三次握手完成
OutputStream out = socket.getOutputStream();
out.write("Hello".getBytes());        // 按序到达、保证送达

// UDP：不建连，直接发
DatagramSocket socket = new DatagramSocket(9999);
byte[] buf = "Hi".getBytes();
socket.send(new DatagramPacket(buf, buf.length,
    InetAddress.getByName("localhost"), 8888)); // 发了就不管
byte[] rbuf = new byte[1024];
DatagramPacket rp = new DatagramPacket(rbuf, rbuf.length);
socket.receive(rp);   // 一次 receive() = 一个完整数据报

一句话选型：要保序保真（网页、聊天、对战）→ TCP；要速度实时、丢一帧没关系（音视频、直播、DNS）→ UDP。

五、把两个程序跑起来（贯穿示例：网络版 ERASE）

最简的 client / server 只要几十行——上面实验里已给出可直接运行的 Server.java / Client.java。真实项目网络版 ERASE（素材/Erase-JAVA-NET/src/com/zmofun/neterase/）把它们放大成完整对战：

• Server.java：new ServerSocket(port) 监听 → while(true) accept() 接客 → 每个客户端起一个 ServThreadPerClient 线程，循环 is.readObject() 读、os.writeObject() 转发给队友；
• Client.java：new Socket(server, port) 连接 → 起 ReadThread 收、主逻辑 sendMe() 发（每帧把一个 PlayInfo——玩家名 + 分数/等级/速度 + 棋盘状态——序列化发出）；
• 两端配合模块6 的序列化（writeObject / readObject）与模块7 的多线程（每客户端一条线程），把前面学的知识串成真实可运行的对战程序。

思政落点：网络编程让「个人借助平台提升能力」——每个客户端是独立个体，服务端是共享平台；遵守协议（TCP/序列化格式）才能协作无间。

六、URL 与 WebService 概览

• URL：统一资源定位符，形如 http://host:port/path——它把「用哪个协议、找哪台机器、访问哪个资源」写在一行里；浏览器地址栏、new URL(...) 都是它。理解 URL 是理解 HTTP/网页请求的基础；
• WebService：让不同程序跨网络以标准方式（如 REST / SOAP）交换数据的统称。本模块只作概览——掌握 Socket 这个「最底层」的收发模型后，上层协议都是在它之上层层封装出来的。

七、动手实验：在浏览器里编译运行 Java（CodePlayground）

前面都是「看」网络，这一节反过来——直接在本页写一段 Java，让后端真实地 javac 编译 + java 运行，再把输出送回你的浏览器。这正是第一节 client / server 模型的落地版：

• 前端（本页面） = 客户端：点「运行」后，浏览器开一条 WebSocket 连到后端 ws://<host>:8080/ws；
• 后端（Spring Boot 服务，端口 8080） = 服务端：按 STOMP 协议收到目的地为 /app/run 的源码，在独立沙箱里编译运行，把结果推回你这条会话专属的队列 /queue/result-<你的id>——多个标签页同时实验也互不串台；
• 为什么用 WebSocket + STOMP 而不是普通 HTTP？ 编译+运行要好几秒：普通 HTTP 请求要么傻等、要么轮询「好了没」；WebSocket 是全双工通道，后端一跑完就能主动把结果推过来。STOMP 骑在 WebSocket 上，给消息加上「目的地」（像寄信写地址），前端订阅哪个队列、后端往哪个队列回，一目了然。

沙箱安全说明（C4）：每次运行都放在独立临时目录（用完即删）、子进程内存上限 256 MB、编译/运行各自 10 秒超时后强杀整棵进程树——所以「死循环」预置不会把服务端拖死，只会收到 timeout。

八、总结

• client / server 模型：服务端 ServerSocket 监听 + accept() 接客，客户端 Socket 主动连接；
• TCP 三次握手（SYN → SYN-ACK → ACK）建立可靠、有序的连接；收发用 getInputStream() / getOutputStream()；
• Java 收发的是序列化对象：writeObject() / readObject() 把对象与字节流互转——模块6 的序列化在网络里落地；每客户端一个线程（模块7）并发处理。

思考题

1. 为什么说 TCP 是「面向连接」的？三次握手的三步分别由谁发起、目的是什么？
2. 服务端为什么通常要为每个客户端起一个线程？如果只开一个线程串行处理所有客户端，会出现什么问题？
3. Java 通过 Socket 发送一个对象时为什么能直接 writeObject(obj) 而不是先手动转成字符串？（提示：序列化）

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