基于C/S模式的简单聊天程序(附程序源码)
一、需求分析
设计要求
使用Socket实现网上聊天功能。用户可以通过客户端连接到服务器端并进行网上聊天。聊天时可以启动多个客户端。服务器端启动后，接收客户端发来的用户名和密码验证信息。验证通过则以当前的聊天客户列表信息进行响应；此后接收客户端发来的聊天信息，转发给客户端指定的聊天客户（即私聊）或所有其他客户端；在客户断开连接后公告其退出聊天系统的信息。客户端启动后在GUI界面接收用户输入的服务器端信息、账号和密码等验证客户的身份。验证通过则显示当前系统在线客户列表。客户可以与指定对象进行私聊，也可以向系统中所有在线客户发送信息。
实现本程序需要了解网络基础知识，掌握C/S结构的工作特点，掌握数据结构、高级语言及网络编程知识，可以选择Visual C++、C或Java等语言实现。
二、设计过程与相关理论
程序设计是基于TCP协议，采用C/S模式实现简单的一对多聊天（群聊）、一对一聊天（私聊）。TCP是一种可靠的、基于连接的网络协议，它是面向字节流的，即从一个进程到另一个进程的二进制序列。一条TCP连接需要两个端点，这两个端点需要分别创建各自的套接字。通常一方用于发送请求和数据（在这里为聊天的客户端），而另一方用于监听网络请求和数据（在这里为服务端）。
常用于TCP编程的有两个类，均在java.net包里，这两个类为：Socket、ServerSocket。
关于Socket
Socket是建立网络连接使用的，在连接成功时，应用程序两端都会产生一个Socket实例，操作这个实例，完成所需要的对话。
Socket类有多个构造方法：
（1）public Socket(String host, int port) 创建一个流套接字并将其连接到指定主机上。
（2）public Socket(InetAddress address, int port, InetAddress localAddr, int localPort) 创建一个流套接字，指定了本地的地址和端口以及目的地址和端口。
（3）public Socket() 创建一个流套接字，但此套接字并未指定连接。
Socket常用的几个工具方法，用于处理网络会话：
（1）public InputStream GetInputStream() throws IOException 该方法返回程序中套接字所能读取的输入流。
（2）public OutputStream getOutputStream() throws IOException 该方法返回程序中套接字中的输出流。
（3）public void close () throws IOException 关闭指定的套接字，套接字中的输入流和输出流也将被关闭。
（4）除了以上一个常用的方法外，Socket还提供了想connect(SocketAddress endpoint)用于连接到远程服务器，getInetAddress()获取原处服务器的地址等。
关于ServerSocket
ServerSocket类实现服务器套接字，等待请求通过网络传入，基于该请求执行某些操作，然后可能想请求者返回结果。
ServerSocket有4个构造方法：
（1）public ServerSocket() throws IOException 创建一个服务器套接字，并未指明地址和端口。
（2）public ServerSocket(int port) throws IOException创建一个服务器套接字，指明了监听的端口，如果传入的端口为0则可以在所有空闲的端口上创建套接字。默认接受最大连接数为50，如果客户端链接数量超过50，则拒绝新接入的连接。
（3）public ServerSocket(int port, int backlog) throws IOException创建一个服务器套接字，指明了监听的端口，如果传入的端口port为0，则可以在所有空闲的端口上创建套接字。接受最大连接数有参数backlog设定，如果接受的连接大于这个数，多余的连接被拒绝。参数的backlog的值必须大于0，如果不大于0则采用默认值50。
（4）public ServerSocket(int port, int backlog, InetAddress bindAddr) throws IOException创建一个套接字，指定了监听的地址和端口，并设置了最大连接数。
** ServerSocket常用的方法如下：**
（1）public Socket accpet() throws IOException该方法一直处于阻塞状态，直到有新的连接接入，建立连接后，该方法会返回一个同于客户端请求以及服务端响应。
（2）public void setSoTimeout(int timeout) throws SocketExcepotion 此方法用于设置accept()方法最大阻塞时间，如果阻塞时间超过了这个值，将会抛出java.net.SocketTimeoutException异常。
（3）Public void close() throws IOExcepiton关闭服务器套接字。
这次简单的聊天小程序可以看成是一个一对多通讯的案例，创建一个Server来管理服务器端的各类处理，其中使用多线程来实现多客户端机制。服务器总是在指定的端口上监听是否相应客户的请求，而服务器本身在启动完成后马上进入监听状态，等待下一个客户端的接入。为了方便实现消息转发的处理，构造一个套接字处理器SocketHandler来负责处理信息。而客户端的话也构建一个ClientHandler类实现了Runnable负责创建客户端，而一个进程只需调用并启动线程就可以实现客户端的上线聊天功能。
其中系统的结构图如下：
系统实现的流程图如下：
三、设计结果（文字说明+截图）
1.客户端登录，输入登录名，如果没有输入登录名则会提醒重新输入。
2.服务端显示在线人数情况（下图启动三个客户端）利用用户登录时输入的登录名，用Map记录用户的登录名和对应的socket，因此可以直接输入在线人数的情况。
3.群聊：如果用户的信息没有指定的特殊符号，则认为是群聊信息，由服务端转发给所有的客户端。
4.私聊：服务端检查到客户端发送的信息格式为:@[用户名]-[聊天信息]，则会将用户的信息转发到指定用户名的客户端。
5.退出：当服务端检测到用户发上来的信息中包含exit，则表示该用户下线。更新在线用户的信息。
四、设计体会
通过这次的课程设计，对于TCP建立连接，释放连接的相关过程有了更深的体会。在实现的过程中遇到一个问题就是——多个客户端已经正常连接到服务端上了，但在发送信息时却无法按照原先所想的效果完成。通过不断的调试发现信息根本就没要传到服务端上，而所谓的建立连接成功也只是表面上的成功。系统显示在连接成功后马上套接字socket就被关闭了。然而我坚持所有的程序代码，发现我自己根本就没有关闭socket。为啥会出现这个问题呢？
为了解决这个问题，我打开了debug模式调试（之前都是看代码调试），发现客户端在是实现登录后就显示socket被关闭了，虽然没有显式地关闭socket，但我在登录传输信息给服务端后关闭的输出流。查询了一些资料发现，socket和它对应的输入流、输出流是相互关联的，即无论关闭哪一方，另一方也会随着被关闭，就是说我在关闭socket对应的输出流时也相当于把socket关闭了。同样的如果我们在关闭socket时，所有与它相关联的流都会被关闭。
五、参考文献
[1]徐传运，张杨，王森.Java高级程序设计：第5章 网络编程.清华大学出版社：第5章 网络编程.清华大学出版社
六、程序源码
客户端
登录界面：
package com.liuxingwu.client;
import javax.swing.*;
import java.awt.*;
import java.awt.event.*;
import java.io.IOException;
import java.io.PrintStream;
import java.net.Socket;
/**
* 用户登录界面，完成登录后启动客户端
* @author LiuXingWu
* @create 2021-01-23 15:42
*/
public class LoginFrame extends JFrame implements ActionListener, KeyListener, FocusListener {
private Socket socket; // 客户的socket
private String userName; // 客户端的名称
private JPanel jp; // 面板
private JTextField jtf; // 文本框
private JButton jb; // 按键
private String hintText0 = "请输入用户名"; // 输入框提示内容
private String hintText1 = "用户名不为空或不规范，请重新输入"; // 输入内容为空提示
public LoginFrame(Socket socket) {
this.socket = socket;
this.init();
}
/**
* 初始化
*/
public void init() {
// 初始化组件
jp = new JPanel(); // 面板
jtf = new JTextField(20); //文本框， 指定文本框大小
// 设置提示文字
jtf.setText(hintText0); // 提示用户输入用户名
jtf.setForeground(Color.gray); // 提示文字颜色
jb = new JButton("确定"); // 按键
// 将组件添加到面板上
jp.add(jtf);
jp.add(jb);
// 将面板添加到窗体中
this. add(jp);
// 设置标题，大小， 位置， 是否可见
this.setTitle("用户登录");
this.setSize(300, 100);
this.setLocation(700, 300);
this.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE); // 窗口关闭 程序退出
this.setVisible(true); // 窗口可见
jb.addActionListener(this); // 给“确定”按键绑定一个监听事件， 当前对象监听
jtf.addKeyListener(this); // 给文本框内容添加一个键盘监听事件
jtf.addFocusListener(this); // 给文本框添加一个焦点监听事件
}
@Override
public void actionPerformed(ActionEvent event) {
SIGN(); //用户登录
}
@Override
public void keyPressed(KeyEvent e) {
if(e.getKeyCode() == KeyEvent.VK_ENTER) {
SIGN(); //用户登录
}
}
@Override
public void keyTyped(KeyEvent e) {
}
@Override
public void keyReleased(KeyEvent e) {
}
@Override
public void focusGained(FocusEvent e) {
// 获取焦点时，清空提示内容
String temp = jtf.getText();
if (temp.equals(hintText0) || temp.equals(hintText1)) {
jtf.setText("");
jtf.setForeground(Color.black);
}
}
@Override
public void focusLost(FocusEvent e) {
// 失去焦点时，没有输入内容，显示提示内容
String temp = jtf.getText();
if (temp.equals("")) {
jtf.setText(hintText0);
jtf.setForeground(Color.gray);
}
}
/**
* 用户登录
*/
public void SIGN() {
PrintStream printStream = null;
userName = null;
userName = jtf.getText(); // 获取用户输入的名称
if (userName.equals("") || userName.equals(hintText0)) {
jtf.setText(hintText1); // 提示用户名不能为空
jtf.setForeground(Color.gray); // 提示文字颜色
} else {
String temp = "Sign:" + userName;
try {
//1.获取服务器端的输出流
printStream = new PrintStream(socket.getOutputStream());
if (!userName.equals("")) {
printStream.println(temp);
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
this.setVisible(false); // 登录窗口设为不可见
// 启动客户端
Thread client = new Thread(new ClientHandle(userName, socket));
client.start();
}
}
}
数据处理器线程：
package com.liuxingwu.client;
import javax.swing.*;
import java.awt.*;
import java.awt.event.ActionEvent;
import java.awt.event.ActionListener;
import java.awt.event.KeyEvent;
import java.awt.event.KeyListener;
import java.io.*;
import java.net.Socket;
import java.util.Scanner;
/**
* 用户聊天界面及数据处理器
* @author LiuXingWu
* @create 2021-01-23 13:14
*/
public class ClientHandle extends JFrame implements ActionListener, KeyListener, Runnable{
private JTextArea jta; //文本域
private JScrollPane jsp; //滚动条
private JPanel jp; //面板
private JTextField jtf; //文本框
private JButton jb; //按钮
private PrintStream ps = null; //输出流
private Socket socket; // 用户端口
private String userName; // 用户名
//构造方法
public ClientHandle(String userName, Socket socket) {
this.userName = userName;
this.socket = socket;
this.init(); // 初始化
}
/**
* 初始化
*/
public void init() {
//初始化组件
jta = new JTextArea(); //文本域，需要将文本域添加到滚动条中，实现滚动效果
jsp = new JScrollPane(jta); //滚动条
jp = new JPanel(); //面板
jtf = new JTextField(10);//文本框大小
jb = new JButton("发送");//按钮名称
// 将文本框与按钮添加到面板中
jp.add(jtf);
jp.add(jb);
// 将滚动条和面板添加到窗体中
this.add(jsp, BorderLayout.CENTER);
this.add(jp,BorderLayout.SOUTH);
//设置 标题、大小、位置、关闭、是否可见
this.setTitle(userName + " 聊天框");//标题
this.setSize(300,300);// 宽,高
this.setLocation(700,300);// 水平 垂直
this.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);//窗体关闭 程序退出
this.setVisible(true);//是否可见
//给"发送"按钮绑定一个监听点击事件
jb.addActionListener(this);//让当前对象监听
//给文本框绑定一个键盘点击事件
jtf.addKeyListener(this);
}
@Override
public void run() {
Scanner scanner = null;
try {
while (true) {
scanner = new Scanner(socket.getInputStream()); // 获取接收服务器信息的扫描器
while (scanner.hasNext()) {
jta.append(scanner.next() + System.lineSeparator()); // 将受到的信息显示出来，换行
}
}
} catch(IOException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
if (scanner != null) {
scanner.close();
}
}
}
@Override
public void actionPerformed(ActionEvent event) {
// 点击发送按钮时发送会话框中的内容
//发送数据到socket通道中
sendDataToServer();
}
@Override
public void keyPressed(KeyEvent e) {
// 键盘按下回车键时将会话框中的内容发送出去
if(e.getKeyCode() == KeyEvent.VK_ENTER) {
//发送数据到socket通道中
sendDataToServer();
}
}
@Override
public void keyTyped(KeyEvent e) {
}
@Override
public void keyReleased(KeyEvent e) {
}
//将数据发送给Server服务端
private void sendDataToServer(){
String text = jtf.getText(); // 获取文本框中发送的内容
jta.append("我：" + text + "
"); // 在自己的聊天界面中显示
try {
// 发送数据
ps = new PrintStream(socket.getOutputStream());
ps.println(text);
ps.flush();
// 清空自己当前的会话框
jtf.setText("");
} catch (IOException el) {
el.printStackTrace();
}
}
}
客户端启动（根据需要可启动多个，代码一致）：
package com.liuxingwu.client;
import java.io.IOException;
import java.net.Socket;
/**
* @author LiuXingWu
* @create 2021-01-23 9:53
*/
public class Client1 {
public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {
//1.客户端连接服务器端,返回套接字Socket对象
Socket socket = new Socket("127.0.0.1",8888);
// 用户登录
new LoginFrame(socket);
// socket.close(); // 关闭套接字
}
}
服务端
Socket处理器：
package com.liuxingwu.server;
import java.io.IOException;
import java.io.PrintStream;
import java.net.Socket;
import java.util.Map;
import java.util.Scanner;
import java.util.Set;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
/**
* 套接字处理器，用来管理聊天的客户的的行为，比如找谁聊天，是否群发信息。上线下线
* 一个客户端对应一个套接字处理器
* @author LiuXingWu
* @create 2021-01-23 9:56
*/
class SocketHandler implements Runnable{
// 关联用户的名称和socket端口，借此统计用户在线的情况
private static Map<String,Socket> map = new ConcurrentHashMap<String, Socket>();
private Socket socket; // 对应处理的socket
/**
* 构造函数
* @param socket 对应客户端的套接字
*/
public SocketHandler(Socket socket){
this.socket = socket;
}
@Override
public void run() {
try {
Scanner scanner = new Scanner(socket.getInputStream()); // 获取客户端的输入流
String msg = null; // 接收用户的信息
Server.resetText(msg);
while(true){
if(scanner.hasNextLine()){
msg = scanner.nextLine(); // 读取客户端传来的数据信息
// 用户登录
if(msg.startsWith("Sign:")){
// 将用户名保存在userName中
String userName = msg.split("\:")[1]; // 获取用户名
// 注册该用户
userRegist(userName,socket);
continue;
} else if(msg.startsWith("@") && msg.contains("-")){ // 用户选择私聊, 私聊的格式为:@userName-私聊信息
// 用户必须先注册
firstStep(socket);
// 保存需要私聊的用户名
String userName = msg.split("@")[1].split("-")[0];
// 保存私聊的信息
String str = msg.split("@")[1].split("-")[1];
// 发送私聊信息
privateChat(socket,userName,str);
continue;
} else if(msg.contains("exit")){// 用户退出聊天, 用户退出格式为:包含exit
// 用户必须先注册
firstStep(socket);
// 执行退出流程
userExit(socket);
break;
} else{// 群聊信息
// 用户必须先注册
firstStep(socket);
// 执行群聊流程
groupChat(socket, msg);
continue;
}
}
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
/**
* 第一步必须先注册!
* @param socket 当前客户端
*/
private void firstStep(Socket socket) throws IOException {
Set<Map.Entry<String,Socket>> set = map.entrySet();
for(Map.Entry<String,Socket> entry : set){
if(entry.getValue().equals(socket)){
if(entry.getKey() == null){
PrintStream printStream = new PrintStream(socket.getOutputStream());
printStream.println("请先进行注册操作！");
printStream.println("注册格式为:[用户名]");
}
}
}
}
/**
* 注册用户信息
* @param userName 用户名
* @param socket 用户客户端Socket对象
*/
private void userRegist(String userName, Socket socket){
map.put(userName, socket);
Server.resetText("[用户: " + userName + "] 上线了，他的[客户端为: " + socket + "]!");
Server.resetText("当前在线人数为:" + map.size() + "人");
}
/**
* 群聊流程(将Map集合转换为Set集合,从而取得每个客户端Socket,将群聊信息发送给每个客户端)
* @param socket 发出群聊的客户端
* @param msg 群聊信息
*/
private void groupChat(Socket socket,String msg) throws IOException {
Set<Map.Entry<String,Socket>> set = map.entrySet(); // 将Map集合转换为Set集合
String userName = null; // 遍历Set集合找到发起群聊信息的用户
for(Map.Entry<String,Socket> entry : set){
if(entry.getValue().equals(socket)){
userName = entry.getKey();
break;
}
}
Server.resetText(userName + "群聊说:" + msg); // 在服务器上显示，用于调试
// 遍历Set集合将群聊信息发给每一个客户端（除了自己以外）
for(Map.Entry<String,Socket> entry : set){
//取得客户端的Socket对象
if (!entry.getValue().equals(socket)) {
Socket client = entry.getValue();
PrintStream printStream = new PrintStream(client.getOutputStream()); //取得client客户端的输出流
printStream.println(userName + "群聊说:" + msg);
}
}
}
/**
* 私聊流程(利用userName取得客户端的Socket对象,从而取得对应输出流,将私聊信息发送到指定客户端)
* @param socket 当前客户端
* @param userName 私聊的用户名
* @param msg 私聊的信息
*/
private void privateChat(Socket socket, String userName, String msg) throws IOException {
String curUser = null; // 取得当前客户端的用户名
Set<Map.Entry<String,Socket>> set=map.entrySet();
for(Map.Entry<String,Socket> entry : set){
if(entry.getValue().equals(socket)){
curUser=entry.getKey();
break;
}
}
Socket client = map.get(userName); // 取得私聊用户名对应的客户端
PrintStream printStream = new PrintStream(client.getOutputStream()); // 获取私聊客户端的输出流,将私聊信息发送到指定客户端
printStream.println(curUser + "@你说:" + msg);
Server.resetText(curUser + "私聊" + userName + "说:" + msg); // 服务器端显示，用于调试
}
/**
* 用户退出
* @param socket
*/
private void userExit(Socket socket){
String userName = null; //利用socket取得对应的Key值
for(String key:map.keySet()){
if(map.get(key).equals(socket)){
userName=key;
break;
}
}
map.remove(userName,socket); // 将userName,Socket元素从map集合中删除
// 提醒服务器该客户端已下线
Server.resetText("用户:"+ userName +"已下线!");
Server.resetText("当前在线人数为:" + map.size() + "人");
}
}
服务器启动：
package com.liuxingwu.server;
import javax.swing.*;
import java.io.*;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
/**
* 服务端管理器
* @author LiuXingWu
* @create 2021-01-23 9:56
*/
public class Server extends JFrame{
private static JTextArea jta; //文本域
private JScrollPane jsp; //滚动条
private int serverPort; //服务端的端口号
//构造方法
public Server(int serverPort) {
this.serverPort = serverPort;
this.init(); // 初始化
this.excute(); // 执行
}
/**
* 初始化
*/
public void init() {
jta = new JTextArea(); //文本域 注意：需要将文本域添加到滚动条中，实现滚动效果
jsp = new JScrollPane(jta); //滚动条
//将滚动条和面板添加到窗体中
this.add(jsp);
//设置 标题、大小、位置、关闭、是否可见
this.setTitle("聊天小程序服务端"); //标题
this.setSize(500,300); // 宽 高
this.setLocation(0,300); // 水平 垂直
this.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE); //窗体关闭 程序退出
this.setVisible(true); //设为可见
}
/**
* 执行
*/
public void excute() {
ServerSocket serverSocket = null; // 创建服务端套接字
try {
serverSocket = new ServerSocket(serverPort);
// 创建线程池,从而可以处理多个客户端
ExecutorService executorService= Executors.newFixedThreadPool(20);
resetText("聊天室小程序已启动"); // 输出提示信息
while (true) {
Socket socket = serverSocket.accept(); // 监听客户端的情况，等待客户端连接
resetText("有新的朋友加入");
executorService.execute(new SocketHandler(socket)); // 对每一个客户端，创建一个套接字处理器线程
}
} catch(IOException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
if (serverSocket != null) {
try {
serverSocket.close(); // 关闭serverSocket通道
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
public static void resetText(String info) {
jta.append(info + "
");
}
public static void main(String[] args){
Server server = new Server(8888);
}
}