Lekce 2 - Síť v Javě - Balíky pro síťovou komunikaci

V minulé lekci, Síť v Javě - Úvod, jsme si vysvětlili základní pojmy síťové komunikace v Javě, popsali si její techniky a seznámili se s terminologii.

Balíky Java pro síťovou komunikaci

Mezi základní balíky v Javě pro práci se síti můžeme zařadit:

• java.net.*
• java.io.*
• java.nio.*
• java.nio.channels.*

Existuje také balíček java.rmi s jehož pomocí je možné realizovat klient/server aplikace bez nutnosti znalosti socketů a psaní relativně složitého kódu. Pro odstínění programátorů od složité práce a snížení nákladů na vývoj softwaru byly vytvořeny knihovny implementující techniku volání procedur.

Základní balíčky si nyní popíšeme podrobněji:

Balíček java.net

Tento balíček je součástí java API už od své první verze. Poskytuje podporu pro dva běžné síťové protokoly TCP a UDP, které jsou vyžadovány pro komunikaci v rámci sítě. Balíček java.net tedy nabízí základní funkčnost pro síťové aplikace, přičemž ji lze rozdělit do dvou částí:

1. High Level API - Zabývájí se abstrakcí URI (Universal Resource Identifier), URL (Universal Resource Locator) a Connections, tj. připojení ke zdroji, na který odkazují URL.
2. Nízkoúrovňové API - Zabývájí se abstrakcemi adres, tj. síťových identifikátorů, Sockets, tj. obousměrného mechanismu datové komunikace a Interfaces, tj. síťových rozhraní.

Kromě prostředků na spojově orientovanou a datagramovou komunikaci poskytuje balík také možnosti komunikace typu multicast, včetně metod pro připojování a odpojování se k jednotlivým multicast skupinám.

Třídy URL a URLConnection

Třída URL v Javě je vstupním bodem ke všem dostupným zdrojům na internetu. Adresa URL třídy popisuje Uniform Resource Locator, což je signál pro „zdroj“ na World Wide Web. Zdroj může označovat jednoduchý soubor nebo adresář, nebo může označovat obtížnější objekt, jako je dotaz do databáze nebo na vyhledávač.

Třída URLConnection v Javě je abstraktní třída popisující připojení zdroje, jak je definováno podobnou URL. Třída URLConnection se používá pro pomoc se dvěma odlišnými, ale vzájemně propojenými účely. Za prvé poskytuje kontrolu interakce se serverem (zejména HTTP serverem) než třídou URL. Navíc s URLConnection může uživatel ověřit hlavičku přenesenou serverem a může následně reagovat. Uživatel může také konfigurovat pole záhlaví používaná v klientských požadavcích právě pomocí URLConnection.

Socket a ServerSocket

K realizaci spojení mezi dvěma aplikacemi jsou zapotřebí dva odlišné sockety. První čekající na příchozí spojení (serverový) a druhý, který musí spojení vytvořit (klientský).

K vytvoření klientského socketu (používá se ke komunikaci klienta) slouží instance třídy Socket. Prostřednictvím této třídy můžeme číst a psát zprávy. K vytvoření serverového socketu (používá se na straně serveru) slouží instance třídy ServerSocket. Aby se klientský socket mohl připojit, musí se konstruktoru třídy Socket předat adresa a port cíle. Adresa může být instancí třídy String anebo instancí třídy InetAddress. Adresa typu InetAddress v sobě zapouzdřuje IP adresu cíle. Instance třídy InetAddress se získá pomocí statické metody getByName(String host) třídy InetAddress. Tato metoda na vstupu očekává buď IP nebo URL adresu cíle.

Programováni socketu a práci s třídami URL a URLConnection včetně použití třídy InetAddress si ukážeme v některém z dalších článků.

Balíček java.io

Druhý balíček je rovněž součástí API od první verze. Obsahuje třídy pro práci s datovými proudy nebo třídy pro zpracování datových výstupů a vstupů.

Ve spojení se síťovou komunikací stojí za zmínku pouze vstupní a výstupní proudy, které lze připojit na zdroj nebo cíl dat. Jsou to ByteArrayInputStream resp. ByteArrayOutputStream. Zabalíme-li tyto proudy pomocí DataInputStream resp. DataOutputStream, mohou poskytovat způsob, jak přenášet primitivní datové typy Javy. Ke všem ostatním zdrojům dat lze získat přístup primitivními implementacemi tříd InputStream resp. OutputStream.

Balíček java.nio

Nabízí nové přístupy pro práci se síťovými prostředky (sockety), bez nutnosti tvorby vláken, umožňuje práci s tzv. buffery. Jinými slovy balík nabízí pro každý primitivní datový typ (kromě boolean) třídy bufferů – jde o rychlejší řešení než jsou klasické pole.

Hlavními prvky každého bufferu je jeho kapacita, pozice a mez. Kapacita udává maximální počet prvků, které buffer může obsahovat. Pozice je index aktuálního prvku, který má být čten nebo zapisován. Mez označuje index první pozice, kterou ještě nelze přečíst, nebo na kterou nelze zapsat:

Všechny buffery jsou zděděny od společné třídy Buffer.

Balíček java.nio.channels

Obsahuje několik kanálů pro práci se sítí. Například kanály pro práci s datagramy, se sockety, routy a další. Kanály společně s buffery mohou nabízet totožnou funkčnost jako třídy InputStream a OutputStream.

Z tohoto balíku si představíme pouze dvě třídy:

• SocketChannel - klientský kanál
• ServerSocketChannel - serverový kanál

Klientský kanál

Třída SocketChannel v sobě zapouzdřuje klientský socket a jeho využití je stejné jako instance třídy Socket. Společně s použitím Selektoru a objektu ServerSocketChannel umožňují vytvořit neblokující, bezvláknový server.

Instanci třídy SocketChannel vytvoříme pomocí metody open(SocketChannel remote) - otevřeme kanál socketu a připojíme se na adresu zadanou v parametru remote. Zavoláme-li open() s prázdným parametrem, musíme později k připojení socketu použít metodu connect(SocketAddres remote) objektu SocketChannel:

Serverový kanál

Třída ServerSocketChannel obsahuje metodu open() vracející její instanci. Objekt vytvořený touto metodou ještě není plnohodnotný serverový kanál. Aby byl kanál kompletní a byl schopný naslouchat, je zapotřebí k němu přidružit objekt ServerSocket získaný metodou socket() a zavoláním jeho metody bind(SocketAddress address, int port). Přijetí nového kanálu příchozího klienta je realizováno metodou accept() třídy ServerSocektChannel. Pomocí metody configureBlocking(boolean block) je vhodné nastavit serverovému kanálu neblokující mód. Volba módu zásadně ovlivňuje metodu accept(). Bude-li nastaven neblokující mód, pak metoda accept() vrací buď SocketChannel klienta nebo null a nijak neblokuje běh aplikace. Při blokujícím módu metoda accept() blokuje síťové vlákno do doby, dokud se na server někdo nepřipojí. Po ukončení práce se serverem je zapotřebí uzavřít ServerSocket jeho vlastní metodou close() a ServerSocketChannel také jeho vlastní metodou close().

V příští lekci, Síť v Javě - Práce s URL, si popíšeme třídu java.net.URL včetně jejich hlavních metod a ukážeme si, jak je použít v praxi.