第一部分：TCP通信基础

理解TCP协议的基本原理和在Java中的实现方式

学习目标

掌握TCP协议的特点、Socket通信模型和Java中的核心类

TCP通信模型

TCP（传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。在Java中，TCP通信主要通过以下两个类实现：

ServerSocket

服务端监听端口

等待客户端连接

Socket

客户端连接服务端

发送和接收数据

TCP协议特点

  • 面向连接：通信前需要建立连接
  • 可靠传输：保证数据顺序和完整性
  • 流量控制：避免发送过快导致接收方溢出
  • 拥塞控制：防止网络过载
  • 全双工通信：双方可同时发送和接收数据

核心概念

  • IP地址：设备的网络地址
  • 端口号：应用程序的标识（0-65535）
  • 三次握手：建立连接的过程
  • 四次挥手：断开连接的过程
  • 字节流：数据以字节流形式传输
服务端
ServerSocket
监听端口
客户端
Socket
请求连接

第二部分：ServerSocket详解

深入理解ServerSocket类及其使用方法

学习目标

掌握ServerSocket的创建、端口监听、接受客户端连接等操作

ServerSocket使用流程

创建ServerSocket实例并绑定端口
调用accept()方法等待客户端连接
获取输入输出流进行通信
关闭连接和ServerSocket
1

创建ServerSocket

创建ServerSocket并绑定到指定端口：

import java.net.ServerSocket; import java.net.Socket; import java.io.IOException; public class TCPServer { public static void main(String[] args) { final int PORT = 8080; // 监听端口 // 创建ServerSocket try (ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(PORT)) { System.out.println("服务器已启动，监听端口：" + PORT); // 等待客户端连接... } catch (IOException e) { System.err.println("启动服务器失败：" + e.getMessage()); } } }
2

接受客户端连接

使用accept()方法等待客户端连接：

try (ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(PORT)) { System.out.println("服务器已启动，监听端口：" + PORT); // 等待客户端连接（阻塞方法） System.out.println("等待客户端连接..."); Socket clientSocket = serverSocket.accept(); System.out.println("客户端已连接：" + clientSocket.getInetAddress().getHostAddress()); // 进行通信... } catch (IOException e) { System.err.println("服务器异常：" + e.getMessage()); }

重要提示

accept()方法是阻塞方法，会一直等待直到有客户端连接。在实际应用中，通常会在单独的线程中处理每个客户端连接，避免阻塞主线程。

第三部分：Socket详解

掌握Socket类的使用方法和数据通信技巧

学习目标

学会创建Socket连接、发送和接收数据

1

创建Socket连接

客户端创建Socket连接到服务器：

import java.net.Socket; import java.io.IOException; public class TCPClient { public static void main(String[] args) { final String SERVER_IP = "127.0.0.1"; // 服务器IP final int SERVER_PORT = 8080; // 服务器端口 try (Socket socket = new Socket(SERVER_IP, SERVER_PORT)) { System.out.println("已连接到服务器：" + SERVER_IP + ":" + SERVER_PORT); // 进行通信... } catch (IOException e) { System.err.println("连接服务器失败：" + e.getMessage()); } } }
2

数据发送与接收

使用输入输出流进行通信：

try (Socket socket = new Socket(SERVER_IP, SERVER_PORT); // 获取输出流，用于发送数据 OutputStream out = socket.getOutputStream(); // 获取输入流，用于接收数据 InputStream in = socket.getInputStream()) { // 发送数据到服务器 String message = "你好，服务器！"; out.write(message.getBytes(StandardCharsets.UTF_8)); out.flush(); // 确保数据发送 // 接收服务器响应 byte[] buffer = new byte[1024]; int bytesRead = in.read(buffer); String response = new String(buffer, 0, bytesRead, StandardCharsets.UTF_8); System.out.println("收到服务器响应：" + response); } catch (IOException e) { // 异常处理 }

通信模式优化

对于文本数据，可以使用BufferedReader和PrintWriter包装流，简化字符读写：

// 服务端读取客户端消息 BufferedReader reader = new BufferedReader( new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream(), StandardCharsets.UTF_8)); String message = reader.readLine(); // 服务端发送响应 PrintWriter writer = new PrintWriter( new OutputStreamWriter(clientSocket.getOutputStream(), StandardCharsets.UTF_8), true); writer.println("已收到消息：" + message);

第四部分：完整通信示例

实现一个完整的客户端-服务器通信示例

学习目标

完成一个简单的聊天应用，支持双向通信

服务器端代码

import java.net.*; import java.io.*; import java.nio.charset.StandardCharsets; public class ChatServer { private static final int PORT = 8888; public static void main(String[] args) { System.out.println("启动聊天服务器，端口：" + PORT); try (ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(PORT)) { while (true) { // 等待客户端连接 Socket clientSocket = serverSocket.accept(); System.out.println("客户端连接: " + clientSocket.getInetAddress().getHostAddress()); // 为每个客户端创建新线程 new Thread(() -> handleClient(clientSocket)).start(); } } catch (IOException e) { System.err.println("服务器异常: " + e.getMessage()); } } private static void handleClient(Socket clientSocket) { try (BufferedReader in = new BufferedReader( new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream(), StandardCharsets.UTF_8)); PrintWriter out = new PrintWriter( new OutputStreamWriter(clientSocket.getOutputStream(), StandardCharsets.UTF_8), true)) { out.println("欢迎连接到聊天服务器！请输入消息（输入'bye'退出）"); String clientMessage; while ((clientMessage = in.readLine()) != null) { System.out.println("客户端说: " + clientMessage); if ("bye".equalsIgnoreCase(clientMessage)) { out.println("再见！"); break; } // 简单回复 String response = "服务器回复: " + clientMessage.toUpperCase(); out.println(response); } } catch (IOException e) { System.err.println("客户端处理异常: " + e.getMessage()); } finally { try { clientSocket.close(); } catch (IOException e) { // 忽略关闭异常 } System.out.println("客户端断开连接"); } } }

客户端代码

import java.net.*; import java.io.*; import java.nio.charset.StandardCharsets; import java.util.Scanner; public class ChatClient { private static final String SERVER_IP = "localhost"; private static final int SERVER_PORT = 8888; public static void main(String[] args) { try (Socket socket = new Socket(SERVER_IP, SERVER_PORT); BufferedReader in = new BufferedReader( new InputStreamReader(socket.getInputStream(), StandardCharsets.UTF_8)); PrintWriter out = new PrintWriter( new OutputStreamWriter(socket.getOutputStream(), StandardCharsets.UTF_8), true); Scanner scanner = new Scanner(System.in)) { // 读取欢迎消息 System.out.println(in.readLine()); String userInput; while (true) { System.out.print("请输入: "); userInput = scanner.nextLine(); out.println(userInput); // 发送到服务器 if ("bye".equalsIgnoreCase(userInput)) { break; } // 读取服务器响应 String response = in.readLine(); System.out.println("服务器回复: " + response); } } catch (IOException e) { System.err.println("客户端异常: " + e.getMessage()); } } }

聊天模拟

[服务器] 欢迎连接到聊天服务器！请输入消息（输入'bye'退出）
[客户端] 你好，服务器！
[服务器] 服务器回复: 你好，服务器！
[客户端] 这是Java TCP通信测试
[服务器] 服务器回复: 这是Java TCP通信测试
[客户端] bye
[服务器] 再见！

第五部分：常见错误与处理

识别和解决TCP通信中的常见问题

学习目标

掌握常见异常的处理方法，提高程序健壮性

异常类型 原因 解决方案
BindException 端口已被占用或无权使用该端口 更换端口或关闭占用端口的程序，使用1024以上端口
ConnectException 无法连接到服务器（服务器未启动/网络问题） 检查服务器状态、网络连接、防火墙设置
SocketTimeoutException 连接或读取超时 增加超时时间，检查网络状况
EOFException 连接被对方提前关闭 添加连接状态检查，确保双方协调关闭连接
SocketException 连接被重置或意外关闭 添加重试机制，处理网络波动情况

重要注意事项

  • 资源泄露：确保关闭所有Socket和流（使用try-with-resources）
  • 阻塞操作：accept()、read()等方法是阻塞的，应使用多线程或NIO
  • 字符编码：始终指定字符编码（如UTF-8）避免乱码问题
  • 缓冲区大小：合理设置缓冲区大小，避免内存浪费或频繁读写
  • 异常处理：合理处理异常，不要忽略任何IOException

错误处理最佳实践

try ( ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(port); Socket clientSocket = serverSocket.accept(); InputStream in = clientSocket.getInputStream(); OutputStream out = clientSocket.getOutputStream() ) { // 通信逻辑 } catch (BindException e) { System.err.println("端口绑定失败: " + e.getMessage()); // 尝试使用备用端口 } catch (SocketTimeoutException e) { System.err.println("操作超时: " + e.getMessage()); // 重试或通知用户 } catch (IOException e) { System.err.println("通信错误: " + e.getMessage()); // 通用错误处理 } finally { // 清理资源 }

第六部分：高级技巧与优化

提升TCP通信性能和稳定性的高级技术

学习目标

掌握多线程处理、超时设置、心跳检测等高级技术

多线程处理

为每个客户端连接创建独立线程：

try (ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(PORT)) { while (true) { Socket clientSocket = serverSocket.accept(); new Thread(() -> { // 处理客户端通信 handleClient(clientSocket); }).start(); } }

注意：大量连接时使用线程池管理线程

超时设置

设置连接和读取超时时间：

// 服务端设置accept超时 serverSocket.setSoTimeout(5000); // 5秒 // 客户端设置连接超时 Socket socket = new Socket(); socket.connect(new InetSocketAddress(ip, port), 3000); // 3秒 // 设置读取超时 socket.setSoTimeout(10000); // 10秒

心跳检测机制

保持长连接并检测连接状态：

// 服务端心跳检测 public void startHeartbeat(Socket socket) { new Thread(() -> { try { while (!socket.isClosed()) { // 每30秒发送一次心跳 Thread.sleep(30000); // 发送心跳包 OutputStream out = socket.getOutputStream(); out.write("HEARTBEAT\n".getBytes()); out.flush(); } } catch (Exception e) { // 心跳失败，关闭连接 closeSocket(socket); } }).start(); }

性能优化实践

  • 使用缓冲区：合理设置缓冲区大小，减少IO操作次数
  • NIO替代方案：高并发场景使用Java NIO或Netty框架
  • 对象序列化：传输对象时使用高效序列化方案（如Protobuf）
  • 连接池：频繁通信场景使用连接池管理Socket连接
  • 压缩数据：传输大量数据时使用压缩算法