C#网络编程(同步传输字符串) - Part.2

服务端客户端通信

在与服务端的连接建立以后，我们就可以通过此连接来发送和接收数据。端口与端口之间以流（Stream）的形式传输数据，因为几乎任何对象都可以保存到流中，所以实际上可以在客户端与服务端之间传输任何类型的数据。对客户端来说，往流中写入数据，即为向服务器传送数据；从流中读取数据，即为从服务端接收数据。对服务端来说，往流中写入数据，即为向客户端发送数据；从流中读取数据，即为从客户端接收数据。

同步传输字符串

我们现在考虑这样一个任务：客户端打印一串字符串，然后发往服务端，服务端先输出它，然后将它改为大写，再回发到客户端，客户端接收到以后，最后再次打印一遍它。我们将它分为两部分：1、客户端发送，服务端接收并输出；2、服务端回发，客户端接收并输出。

1.客户端发送，服务端接收并输出

1.1服务端程序

我们可以在TcpClient上调用GetStream()方法来获得连接到远程计算机的流。注意这里我用了远程这个词，当在客户端调用时，它得到连接服务端的流；当在服务端调用时，它获得连接客户端的流。接下来我们来看一下代码，我们先看服务端（注意这里没有使用do/while循环）：

class Server {
    static void Main(string[] args) {
        const int BufferSize = 8192;    // 缓存大小，8192字节
                   
        Console.WriteLine("Server is running ... ");
        IPAddress ip = new IPAddress(new byte[] { 127, 0, 0, 1 });
        TcpListener listener = new TcpListener(ip, 8500);

        listener.Start();           // 开始侦听
        Console.WriteLine("Start Listening ...");
       
        // 获取一个连接，中断方法
        TcpClient remoteClient = listener.AcceptTcpClient();
        // 打印连接到的客户端信息
        Console.WriteLine("Client Connected！{0} <-- {1}",
            remoteClient.Client.LocalEndPoint, remoteClient.Client.RemoteEndPoint);

        // 获得流，并写入buffer中
        NetworkStream streamToClient = remoteClient.GetStream();
        byte[] buffer = new byte[BufferSize];
        int bytesRead = streamToClient.Read(buffer, 0, BufferSize);
        Console.WriteLine("Reading data, {0} bytes ...", bytesRead);

        // 获得请求的字符串
        string msg = Encoding.Unicode.GetString(buffer, 0, bytesRead);
        Console.WriteLine("Received: {0}", msg);

        // 按Q退出
    }
}

这段程序的上半部分已经很熟悉了，我就不再解释。remoteClient.GetStream()方法获取到了连接至客户端的流，然后从流中读出数据并保存在了buffer缓存中，随后使用Encoding.Unicode.GetString()方法，从缓存中获取到了实际的字符串。最后将字符串打印在了控制台上。这段代码有个地方需要注意：在能够读取的字符串的总字节数大于BufferSize的时候会出现字符串截断现象，因为缓存中的数目总是有限的，而对于大对象，比如说图片或者其它文件来说，则必须采用“分次读取然后转存”这种方式，比如这样：

// 获取字符串
byte[] buffer = new byte[BufferSize];
int bytesRead;          // 读取的字节数
MemoryStream msStream = new MemoryStream();
do {
    bytesRead = streamToClient.Read(buffer, 0, BufferSize);
    msStream.Write(buffer, 0, bytesRead);
} while (bytesRead > 0);

buffer = msStream.GetBuffer();
string msg = Encoding.Unicode.GetString(buffer);

这里我没有使用这种方法，一个是因为不想关注在太多的细节上面，一个是因为对于字符串来说，8192字节已经很多了，我们通常不会传递这么多的文本。当使用Unicode编码时，8192字节可以保存4096个汉字和英文字符。使用不同的编码方式，占用的字节数有很大的差异，在本文最后面，有一段小程序，可以用来测试Unicode、UTF8、ASCII三种常用编码方式对字符串编码时，占用的字节数大小。

现在对客户端不做任何修改，然后运行先运行服务端，再运行客户端。结果我们会发现这样一件事：服务端再打印完“Client Connected！127.0.0.1:8500 <-- 127.0.0.1:xxxxx”之后，再次被阻塞了，而没有输出“Reading data, {0} bytes ...”。可见，与AcceptTcpClient()方法类似，这个Read()方法也是同步的，只有当客户端发送数据的时候，服务端才会读取数据、运行此方法，否则它便会一直等待。

1.2 客户端程序

接下来我们编写客户端向服务器发送字符串的代码，与服务端类似，它先获取连接服务器端的流，将字符串保存到buffer缓存中，再将缓存写入流，写入流这一过程，相当于将消息发往服务端。

class Client {
    static void Main(string[] args) {
        Console.WriteLine("Client Running ...");
        TcpClient client;

        try {
            client = new TcpClient();
            client.Connect("localhost", 8500);      // 与服务器连接
        } catch (Exception ex) {
            Console.WriteLine(ex.Message);
            return;
        }
        // 打印连接到的服务端信息
        Console.WriteLine("Server Connected！{0} --> {1}",
            client.Client.LocalEndPoint, client.Client.RemoteEndPoint);

        string msg = "\"Welcome To TraceFact.Net\"";
        NetworkStream streamToServer = client.GetStream();

        byte[] buffer = Encoding.Unicode.GetBytes(msg);     // 获得缓存
        streamToServer.Write(buffer, 0, buffer.Length);     // 发往服务器
        Console.WriteLine("Sent: {0}", msg);

        // 按Q退出
    }
}

现在再次运行程序，得到的输出为：

// 服务端
Server is running ...
Start Listening ...
Client Connected！127.0.0.1:8500 <-- 127.0.0.1:7847
Reading data, 52 bytes ...
Received: "Welcome To TraceFact.Net"
输入"Q"键退出。
// 客户端
Client Running ...
Server Connected！127.0.0.1:7847 --> 127.0.0.1:8500
Sent: "Welcome To TraceFact.Net"
输入"Q"键退出。

再继续进行之前，我们假设客户端可以发送多条消息，而服务端要不断的接收来自客户端发送的消息，但是上面的代码只能接收客户端发来的一条消息，因为它已经输出了“输入Q键退出”，说明程序已经执行完毕，无法再进行任何动作。此时如果我们再开启一个客户端，那么出现的情况是：客户端可以与服务器建立连接，也就是netstat-a显示为ESTABLISHED，这是操作系统所知道的；但是由于服务端的程序已经执行到了最后一步，只能输入Q键退出，无法再采取任何的动作。

回想一个上面我们需要一个服务器对应多个客户端时，对AcceptTcpClient()方法的处理办法，将它放在了do/while循环中；类似地，当我们需要一个服务端对同一个客户端的多次请求服务时，可以将Read()方法放入到do/while循环中。

现在，我们大致可以得出这样几个结论：

• 如果不使用do/while循环，服务端只有一个listener.AcceptTcpClient()方法和一个TcpClient.GetStream().Read()方法，则服务端只能处理到同一客户端的一条请求。
• 如果使用一个do/while循环，并将listener.AcceptTcpClient()方法和TcpClient.GetStream().Read()方法都放在这个循环以内，那么服务端将可以处理多个客户端的一条请求。
• 如果使用一个do/while循环，并将listener.AcceptTcpClient()方法放在循环之外，将TcpClient.GetStream().Read()方法放在循环以内，那么服务端可以处理一个客户端的多条请求。
• 如果使用两个do/while循环，对它们进行分别嵌套，那么结果是什么呢？结果并不是可以处理多个客户端的多条请求。因为里层的do/while循环总是在为一个客户端服务，因为它会中断在TcpClient.GetStream().Read()方法的位置，而无法执行完毕。即使可以通过某种方式让里层循环退出，比如客户端往服务端发去“exit”字符串时，服务端也只能挨个对客户端提供服务。如果服务端想执行多个客户端的多个请求，那么服务端就需要采用多线程。主线程，也就是执行外层do/while循环的线程，在收到一个TcpClient之后，必须将里层的do/while循环交给新线程去执行，然后主线程快速地重新回到listener.AcceptTcpClient()的位置，以响应其它的客户端。

对于第四种情况，实际上是构建一个服务端更为通常的情况，所以需要专门开辟一个章节讨论，这里暂且放过。而我们上面所做的，即是列出的第一种情况，接下来我们再分别看一下第二种和第三种情况。

对于第二种情况，我们按照上面的叙述先对服务端进行一下改动：

do {
    // 获取一个连接，中断方法
    TcpClient remoteClient = listener.AcceptTcpClient();
    // 打印连接到的客户端信息
    Console.WriteLine("Client Connected！{0} <-- {1}",
        remoteClient.Client.LocalEndPoint, remoteClient.Client.RemoteEndPoint);

    // 获得流，并写入buffer中
    NetworkStream streamToClient = remoteClient.GetStream();
    byte[] buffer = new byte[BufferSize];
    int bytesRead = streamToClient.Read(buffer, 0, BufferSize);
    Console.WriteLine("Reading data, {0} bytes ...", bytesRead);

    // 获得请求的字符串
    string msg = Encoding.Unicode.GetString(buffer, 0, bytesRead);
    Console.WriteLine("Received: {0}", msg);
} while (true);

然后启动多个客户端，在服务端应该可以看到下面的输出（客户端没有变化）：

Server is running ...
Start Listening ...
Client Connected！127.0.0.1:8500 <-- 127.0.0.1:8196
Reading data, 52 bytes ...
Received: "Welcome To TraceFact.Net"
Client Connected！127.0.0.1:8500 <-- 127.0.0.1:8199
Reading data, 52 bytes ...
Received: "Welcome To TraceFact.Net"

由第2种情况改为第3种情况，只需要将do向下挪动几行就可以了：

// 获取一个连接，中断方法
TcpClient remoteClient = listener.AcceptTcpClient();
// 打印连接到的客户端信息
Console.WriteLine("Client Connected！{0} <-- {1}",
    remoteClient.Client.LocalEndPoint, remoteClient.Client.RemoteEndPoint);
// 获得流，并写入buffer中
NetworkStream streamToClient = remoteClient.GetStream();

do {
    byte[] buffer = new byte[BufferSize];
    int bytesRead = streamToClient.Read(buffer, 0, BufferSize);
    Console.WriteLine("Reading data, {0} bytes ...", bytesRead);

    // 获得请求的字符串
    string msg = Encoding.Unicode.GetString(buffer, 0, bytesRead);
    Console.WriteLine("Received: {0}", msg);
} while (true);

然后我们再改动一下客户端，让它发送多个请求。当我们按下S的时候，可以输入一行字符串，然后将这行字符串发送到服务端；当我们输入X的时候则退出循环：

NetworkStream streamToServer = client.GetStream();
ConsoleKey key;
Console.WriteLine("Menu: S - Send, X - Exit");
do {
    key = Console.ReadKey(true).Key;

    if (key == ConsoleKey.S) {
        // 获取输入的字符串
        Console.Write("Input the message: ");
        string msg = Console.ReadLine();

        byte[] buffer = Encoding.Unicode.GetBytes(msg);     // 获得缓存
        streamToServer.Write(buffer, 0, buffer.Length);     // 发往服务器
        Console.WriteLine("Sent: {0}", msg);
    }
} while (key != ConsoleKey.X);

接下来我们先运行服务端，然后再运行客户端，输入一些字符串，来进行测试，应该能够看到下面的输出结果：

// 服务端
Server is running ...
Start Listening ...
Client Connected！127.0.0.1:8500 <-- 127.0.0.1:11004
Reading data, 44 bytes ...
Received: 欢迎访问我的博客：TraceFact.Net
Reading data, 14 bytes ...
Received: 我们一起进步！
//客户端
Client Running ...
Server Connected！127.0.0.1:11004 --> 127.0.0.1:8500
Menu: S - Send, X - Exit
Input the message: 欢迎访问我的博客：TraceFact.Net
Sent: 欢迎访问我的博客：TraceFact.Net
Input the message: 我们一起进步！
Sent: 我们一起进步！

这里还需要注意一点，当客户端在TcpClient实例上调用Close()方法，或者在流上调用Dispose()方法，服务端的streamToClient.Read()方法会持续地返回0，但是不抛出异常，所以会产生一个无限循环；而如果直接关闭掉客户端，或者客户端执行完毕但没有调用stream.Dispose()或者TcpClient.Close()，如果服务器端此时仍阻塞在Read()方法处，则会在服务器端抛出异常：“远程主机强制关闭了一个现有连接”。因此，我们将服务端的streamToClient.Read()方法需要写在一个try/catch中。同理，如果在服务端已经连接到客户端之后，服务端调用remoteClient.Close()，则客户端会得到异常“无法将数据写入传输连接: 您的主机中的软件放弃了一个已建立的连接。”；而如果服务端直接关闭程序的话，则客户端会得到异常“无法将数据写入传输连接: 远程主机强迫关闭了一个现有的连接。”。因此，它们的读写操作必须都放入到try/catch块中。

2.服务端回发，客户端接收并输出

2.2服务端程序

我们接着再进行进一步处理，服务端将收到的字符串改为大写，然后回发，客户端接收后打印。此时它们的角色和上面完全进行了一下对调：对于服务端来说，就好像刚才的客户端一样，将字符串写入到流中；而客户端则同服务端一样，接收并打印。除此以外，我们最好对流的读写操作加上lock，现在我们直接看代码，首先看服务端：

class Server {
    static void Main(string[] args) {
        const int BufferSize = 8192;    // 缓存大小，8192Bytes
        ConsoleKey key;

        Console.WriteLine("Server is running ... ");
        IPAddress ip = new IPAddress(new byte[] { 127, 0, 0, 1 });
        TcpListener listener = new TcpListener(ip, 8500);

        listener.Start();           // 开始侦听
        Console.WriteLine("Start Listening ...");

        // 获取一个连接，同步方法，在此处中断
        TcpClient remoteClient = listener.AcceptTcpClient();

        // 打印连接到的客户端信息
        Console.WriteLine("Client Connected！{0} <-- {1}",
            remoteClient.Client.LocalEndPoint, remoteClient.Client.RemoteEndPoint);

        // 获得流
        NetworkStream streamToClient = remoteClient.GetStream();
       
        do {
            // 写入buffer中
            byte[] buffer = new byte[BufferSize];
            int bytesRead;
            try {
                lock(streamToClient){
                    bytesRead = streamToClient.Read(buffer, 0, BufferSize);
                }
                if (bytesRead == 0) throw new Exception("读取到0字节");
                Console.WriteLine("Reading data, {0} bytes ...", bytesRead);

                // 获得请求的字符串
                string msg = Encoding.Unicode.GetString(buffer, 0, bytesRead);
                Console.WriteLine("Received: {0}", msg);

                // 转换成大写并发送
                msg = msg.ToUpper();                   
                buffer = Encoding.Unicode.GetBytes(msg);
                lock(streamToClient){
                    streamToClient.Write(buffer, 0, buffer.Length);
                }
                Console.WriteLine("Sent: {0}", msg);
            } catch (Exception ex) {
                Console.WriteLine(ex.Message);
                break;
            }                          
        } while (true);

        streamToClient.Dispose();
        remoteClient.Close();
       
        Console.WriteLine("\n\n输入\"Q\"键退出。");
        do {
            key = Console.ReadKey(true).Key;
        } while (key != ConsoleKey.Q);
    }
}

接下来是客户端：

class Client {
    static void Main(string[] args) {
        Console.WriteLine("Client Running ...");
        TcpClient client;
        ConsoleKey key;
        const int BufferSize = 8192;

        try {
            client = new TcpClient();
            client.Connect("localhost", 8500);      // 与服务器连接
        } catch (Exception ex) {
            Console.WriteLine(ex.Message);
            return;
        }

        // 打印连接到的服务端信息
        Console.WriteLine("Server Connected！{0} --> {1}",
            client.Client.LocalEndPoint, client.Client.RemoteEndPoint);
                   
        NetworkStream streamToServer = client.GetStream();         
        Console.WriteLine("Menu: S - Send, X - Exit");

        do {
            key = Console.ReadKey(true).Key;

            if (key == ConsoleKey.S) {
                // 获取输入的字符串
                Console.Write("Input the message: ");
                string msg = Console.ReadLine();

                byte[] buffer = Encoding.Unicode.GetBytes(msg);     // 获得缓存
                try {
                    lock(streamToServer){
                        streamToServer.Write(buffer, 0, buffer.Length);     // 发往服务器
                    }
                    Console.WriteLine("Sent: {0}", msg);

                    int bytesRead;
                    buffer = new byte[BufferSize];                     
                    lock(streamToServer){
                        bytesRead = streamToServer.Read(buffer, 0, BufferSize);
                    }
                    msg = Encoding.Unicode.GetString(buffer, 0, bytesRead);
                    Console.WriteLine("Received: {0}", msg);

                } catch (Exception ex) {
                    Console.WriteLine(ex.Message);
                    break;
                }
            }
        } while (key != ConsoleKey.X);

        streamToServer.Dispose();
        client.Close();

        Console.WriteLine("\n\n输入\"Q\"键退出。");
        do {
            key = Console.ReadKey(true).Key;
        } while (key != ConsoleKey.Q);
    }
}

最后我们运行程序，然后输入一串英文字符串，然后看一下输出：

// 客户端
Client is running ...
Server Connected！127.0.0.1:12662 --> 127.0.0.1:8500
Menu: S - Send, X - Exit
Input the message: Hello, I'm jimmy zhang.
Sent: Hello, I'm jimmy zhang.
Received: HELLO, I'M JIMMY ZHANG.

// 服务端
Server is running ...
Start Listening ...
Client Connected！127.0.0.1:8500 <-- 127.0.0.1:12662
Reading data, 46 bytes ...
Received: Hello, I'm jimmy zhang.
Sent: HELLO, I'M JIMMY ZHANG.

看到这里，我想你应该对使用TcpClient和TcpListener进行C#网络编程有了一个初步的认识，可以说是刚刚入门了，后面的路还很长。本章的所有操作都是同步操作，像上面的代码也只是作为一个入门的范例，实际当中，一个服务端只能为一个客户端提供服务的情况是不存在的，下面就让我们来看看上面所说的第四种情况，如何进行异步的服务端编程。

附录：ASCII、UTF8、Uncicode编码下的中英文字符大小

private static void ShowCode() {
    string[] strArray = { "b", "abcd", "乙", "甲乙丙丁" };
    byte[] buffer;
    string mode, back;

    foreach (string str in strArray) {

        for (int i = 0; i <= 2; i++) {
            if (i == 0) {
                buffer = Encoding.ASCII.GetBytes(str);
                back = Encoding.ASCII.GetString(buffer, 0, buffer.Length);
                mode = "ASCII";
            } else if (i == 1) {
                buffer = Encoding.UTF8.GetBytes(str);
                back = Encoding.UTF8.GetString(buffer, 0, buffer.Length);
                mode = "UTF8";
            } else {
                buffer = Encoding.Unicode.GetBytes(str);
                back = Encoding.Unicode.GetString(buffer, 0, buffer.Length);
                mode = "Unicode";
            }

            Console.WriteLine("Mode: {0}, String: {1}, Buffer.Length: {2}",
                mode, str, buffer.Length);

            Console.WriteLine("Buffer:");
            for (int j = 0; j <= buffer.Length - 1; j++) {
                Console.Write(buffer[j] + " ");
            }

            Console.WriteLine("\nRetrived: {0}\n", back);
        }
    }
}

输出为：

Mode: ASCII, String: b, Buffer.Length: 1
Buffer: 98
Retrived: b

Mode: UTF8, String: b, Buffer.Length: 1
Buffer: 98
Retrived: b

Mode: Unicode, String: b, Buffer.Length: 2
Buffer: 98 0
Retrived: b

Mode: ASCII, String: abcd, Buffer.Length: 4
Buffer: 97 98 99 100
Retrived: abcd

Mode: UTF8, String: abcd, Buffer.Length: 4
Buffer: 97 98 99 100
Retrived: abcd

Mode: Unicode, String: abcd, Buffer.Length: 8
Buffer: 97 0 98 0 99 0 100 0
Retrived: abcd

Mode: ASCII, String: 乙, Buffer.Length: 1
Buffer: 63
Retrived: ?

Mode: UTF8, String: 乙, Buffer.Length: 3
Buffer: 228 185 153
Retrived: 乙

Mode: Unicode, String: 乙, Buffer.Length: 2
Buffer: 89 78
Retrived: 乙

Mode: ASCII, String: 甲乙丙丁, Buffer.Length: 4
Buffer: 63 63 63 63
Retrived: ????

Mode: UTF8, String: 甲乙丙丁, Buffer.Length: 12
Buffer: 231 148 178 228 185 153 228 184 153 228 184 129
Retrived: 甲乙丙丁

Mode: Unicode, String: 甲乙丙丁, Buffer.Length: 8
Buffer: 50 117 89 78 25 78 1 78
Retrived: 甲乙丙丁

大体上可以得出这么几个结论：

• ASCII不能保存中文(貌似谁都知道=_-`)。
• UTF8是变长编码。在对ASCII字符编码时，UTF更省空间，只占1个字节，与ASCII编码方式和长度相同；Unicode在对ASCII字符编码时，占用2个字节，且第2个字节补零。
• UTF8在对中文编码时需要占用3个字节；Unicode对中文编码则只需要2个字节。