20.UDP编程

本文说下UDP编程

UDP概念

和TCP编程相比，UDP编程就简单得多，因为UDP没有创建连接，数据包也是一次收发一个，所以没有流的概念。

在Java中使用UDP编程，仍然需要使用Socket，因为应用程序在使用UDP时必须指定网络接口（IP）和端口号。注意：UDP端口和TCP端口虽然都使用0~65535，但他们是两套独立的端口，即一个应用程序用TCP占用了端口1234，不影响另一个应用程序用UDP占用端口1234。

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服务器端

在服务器端，使用UDP也需要监听指定的端口。Java提供了DatagramSocket来实现这个功能，代码如下：

package chapter20;

import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.nio.charset.StandardCharsets;


public class UDPDemo1Server {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        DatagramSocket ds = new DatagramSocket(7777);   // 监听指定端口
        System.out.println("server is running....");
        while (true){
            // 数据缓冲区
            byte[] buffer = new byte[1024];
            DatagramPacket packet = new DatagramPacket(buffer, buffer.length);

            //收取一个UDP数据包。收取到的数据存储在buffer中，由packet.getOffset(), packet.getLength()指定起始位置和长度
            ds.receive(packet);
            // 将其按UTF-8编码转换为String
            String s = new String(packet.getData(), packet.getOffset(), packet.getLength(), StandardCharsets.UTF_8);
            System.out.println("Received data \" " + s + " \" from client");


            // 发送数据给客户端
            byte[] data = "ACK".getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
            packet.setData(data);
            ds.send(packet);
        }

    }
}

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我们解读下这段代码。服务器端首先使用如下语句在指定的端口监听UDP数据包：

DatagramSocket ds = new DatagramSocket(7777);

如果没有其他应用程序占据这个端口，那么监听成功，我们就使用一个无限循环来处理收到的UDP数据包：

while (true){
    ...
}

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要接收一个UDP数据包，需要准备一个byte[]缓冲区，并通过DatagramPacket实现接收：

byte[] buffer = new byte[1024];
DatagramPacket packet = new DatagramPacket(buffer, buffer.length);
ds.receive(packet);

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假设我们收取到的是一个String，那么，通过DatagramPacket返回的packet.getOffset()和packet.getLength()确定数据在缓冲区的起止位置：

String s = new String(packet.getData(), packet.getOffset(), packet.getLength(), StandardCharsets.UTF_8);

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当服务器收到一个DatagramPacket后，通常必须立刻回复一个或多个UDP包，因为客户端地址在DatagramPacket中，每次收到的DatagramPacket可能是不同的客户端，如果不回复，客户端就收不到任何UDP包。

发送UDP包也是通过DatagramPacket实现的，发送代码非常简单：

byte[] data = ...
packet.setData(data);
ds.send(packet);

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客户端

和服务器端相比，客户端使用UDP时，只需要直接向服务器端发送UDP包，然后接收返回的UDP包：

package chapter20;

import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.InetAddress;

public class UDPDemo2Client {
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        DatagramSocket ds = new DatagramSocket();
        ds.setSoTimeout(1000);
        ds.connect(InetAddress.getByName("localhost"), 7777);    // 连接指定服务器和端口

        // 发送数据给服务器
        byte[] data = "Hello".getBytes();
        DatagramPacket packet = new DatagramPacket(data, data.length);
        ds.send(packet);
        System.out.println("Send data \"Hello\" from server.");


        // 接受服务器返回的数据
        byte[] buffer = new byte[1024];
        packet = new DatagramPacket(buffer, buffer.length);
        ds.receive(packet);
        String resp = new String(packet.getData(), packet.getOffset(), packet.getLength());
        System.out.println("Received data \" " + resp + "\" from server.");
        ds.disconnect();
    }
}

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客户端打开一个DatagramSocket使用以下代码：

DatagramSocket ds = new DatagramSocket();
ds.setSoTimeout(1000);
ds.connect(InetAddress.getByName("localhost"), 7777);

客户端创建DatagramSocket实例时并不需要指定端口，而是由操作系统自动指定一个当前未使用的端口。紧接着，调用setSoTimeout(1000)设定超时1秒，意思是后续接收UDP包时，等待时间最多不会超过1秒，否则在没有收到UDP包时，客户端会无限等待下去。这一点和服务器端不一样，服务器端可以无限等待，因为它本来就被设计成长时间运行。

注意到客户端的DatagramSocket还调用了一个connect()方法“连接”到指定的服务器端。不是说UDP是无连接的协议吗？为啥这里需要connect()？

这个connect()方法不是真连接，它是为了在客户端的DatagramSocket实例中保存服务器端的IP和端口号，确保这个DatagramSocket实例只能往指定的地址和端口发送UDP包，不能往其他地址和端口发送。这么做不是UDP的限制，而是Java内置了安全检查。

如果客户端希望向两个不同的服务器发送UDP包，那么它必须创建两个DatagramSocket实例。

后续的收发数据和服务器端是一致的。通常来说，客户端必须先发UDP包，因为客户端不发UDP包，服务器端就根本不知道客户端的地址和端口号。

如果客户端认为通信结束，就可以调用disconnect()断开连接：

ds.disconnect();

注意到disconnect()也不是真正地断开连接，它只是清除了客户端DatagramSocket实例记录的远程服务器地址和端口号，这样，DatagramSocket实例就可以连接另一个服务器端。

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测试

先运行UDPDemo1Server，然后运行UDPDemo2Client。

UDPDemo2Client执行的结果：

Send data "Hello" from server.
Received data " ACK" from server.

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UDPDemo1Server运行的结果：

server is running....
Received data " Hello " from client

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小结

使用UDP协议通信时，服务器和客户端双方无需建立连接：

• 服务器端用DatagramSocket(port)监听端口；
• 客户端使用DatagramSocket.connect()指定远程地址和端口；
• 双方通过receive()和send()读写数据；
• DatagramSocket没有IO流接口，数据被直接写入byte[]缓冲区。

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