Java网络访问与新I/O技术解析

### Java网络访问与新I/O技术解析 #### 1. 网络基础与Java网络编程 网络是相互连接的节点集合，供网络用户共享资源。其中，内联网是组织内部的网络，互联网则连接不同组织，而因特网是全球网络的集合。 在Java中，`java.net` 包提供了支持TCP/IP通信的类。两个进程通过套接字（Socket）进行通信，套接字是通信链路的端点，由IP地址和端口号标识。一个进程将消息写入自己的套接字，操作系统的网络管理软件将消息拆分成数据包，转发到另一个进程的套接字，另一个进程再将接收到的数据包重新组合成原始消息进行处理。 网络管理软件使用TCP在两个主机之间建立持续的对话，在通信前会先建立连接。连接建立后，TCP会发送消息包并等待确认回复，若未收到回复则可能超时。这种模式保证了连接的可靠性，但由于建立连接和等待确认需要时间，TCP速度较慢。而UDP不需要连接和数据包确认，速度更快，但可靠性较低，且仅限于单数据包对话。 以下是Java中与网络编程相关的类及其功能： | 类名 | 功能 | | ---- | ---- | | `Socket` | 支持创建客户端套接字，用于TCP通信 | | `ServerSocket` | 支持创建服务器端套接字，用于TCP通信 | | `DatagramSocket` | 用于UDP通信，在一对主机之间发送单向消息 | | `MulticastSocket` | 用于UDP通信，可在多个主机之间发送单向消息 | 除了基于套接字的低级别网络访问，Java还支持通过URL进行高级别访问。URL由 `URL` 类表示，可访问其所指向的资源，`URLConnection` 则提供了对客户端/服务器通信的更多控制。 ```mermaid graph LR A[客户端进程] -->|消息写入| B(Socket) B -->|数据包转发| C(网络管理软件) C -->|数据包转发| D(ServerSocket) D -->|消息重组| E[服务器进程] ``` #### 2. 网络资源标识与操作 - **URL与URN**：URL（统一资源定位符）用于标识资源并指定其在TCP/IP网络上的位置，URN（统一资源名称）则是资源的唯一名称。URL和URN都属于URI（统一资源标识符）。 - **URL构造与操作**：`URL(String s)` 构造函数在传入 `null` 时会抛出异常。`openStream()` 方法用于从URL所指向的资源读取内容。 - **URL编码与解码**：`URLEncoder` 用于对表单内容进行编码，当遇到空格字符时，会将其编码为 `%20`。 - **网络接口与MAC地址**：`NetworkInterface` 类用于表示网络接口，包含名称和分配给该接口的IP地址列表。MAC地址是网络接口的物理地址。 - **MTU**：MTU（最大传输单元）表示网络接口一次能传输的最大数据包大小，其目的是优化网络传输效率。 - **HTTP Cookie**：服务器应用程序通常使用HTTP Cookie在客户端持久化少量信息。Java提供了 `CookieHandler`、`CookieManager` 类以及 `CookiePolicy`、`CookieStore` 接口来处理Cookie。 #### 3. Java新I/O（NIO）概述 现代操作系统提供了一些Java经典I/O API不支持的强大I/O功能，如内存映射文件I/O、就绪选择和文件锁定。Java 1.4引入了新的I/O架构，即NIO，它由缓冲区（Buffers）、通道（Channels）、选择器（Selectors）、正则表达式和字符集组成。 #### 4. NIO缓冲区基础 NIO基于缓冲区，缓冲区是存储固定数量数据的对象，用于与I/O服务进行数据交互。它位于应用程序和通道之间，通道负责将缓冲区的数据写入服务或从服务读取数据存入缓冲区。 缓冲区具有以下四个属性： - **容量（Capacity）**：缓冲区可存储的数据项总数，创建时指定，不可更改。 - **限制（Limit）**：缓冲区中“有效”数据项的数量，从基于零的限制位置开始的项不应被写入或读取。 - **位置（Position）**：下一个可读取的数据项的基于零的索引，或数据项可写入的位置。 - **标记（Mark）**：可召回的基于零的位置，初始时未定义。 这些属性之间的关系为：0 <= 标记 <= 位置 <= 限制 <= 容量。 以下是 `Buffer` 类的一些常用方法： | 方法名 | 描述 | | ---- | ---- | | `array()` | 返回支持此缓冲区的数组 | | `arrayOffset()` | 返回缓冲区元素在其支持数组中的偏移量 | | `capacity()` | 返回缓冲区的容量 | | `clear()` | 清空缓冲区，将位置设置为0，限制设置为容量，丢弃标记 | | `flip()` | 翻转缓冲区，将限制设置为当前位置，然后将位置设置为0 | | `hasArray()` | 判断缓冲区是否由数组支持且不是只读的 | | `hasRemaining()` | 判断缓冲区中是否还有剩余元素 | | `isDirect()` | 判断缓冲区是否为直接字节缓冲区 | | `isReadOnly()` | 判断缓冲区是否为只读的 | | `limit()` | 返回缓冲区的限制 | | `limit(int newLimit)` | 设置缓冲区的限制 | | `mark()` | 设置缓冲区的标记 | | `position()` | 返回缓冲区的位置 | | `position(int newPosition)` | 设置缓冲区的位置 | | `remaining()` | 返回当前位