Python全栈开发之10、网络编程
网络编程就是如何在程序中实现两台计算机的通信，而两台计算机间的通信其实就是两个进程间的通信，进程间的通信主要通过socket（套接字）来描述ip地址（主机）和端口（进程）来实现的，因此我们学习网络编程，必须学习socket
一、socket
socket模块是针对 服务器端 和 客户端Socket 进行【打开】【读写】【关闭】，一个完整的套接字模型图如下图所示
在python中读写操作调用的函数有些不一样，下面我们来看一下一个完整的socket（TCP）在服务端和客户端的实现
# server.py
import socket
server_socket = socket.socket()
server_socket.bind(('127.0.0.1', 8000,))
server_socket.listen(4)
while True:
conn, address = server_socket.accept() # 阻塞
conn.sendall(bytes('来自服务端的问候，你好', encoding='utf-8')) # py3中要先转换成字节,py2 中不需要转换
while True:
ret = conn.recv(1024)
if str(ret, encoding='utf-8') == 'q':
break
conn.sendall(bytes(str(ret, encoding='utf-8')+'好好', encoding='utf-8')) # 收到客户端发来的东西加上 好好 返回给客户端
# client.py
import socket
client_socket = socket.socket()
client_socket.connect(('127.0.0.1', 8000,))
ret = client_socket.recv(1024) # 阻塞中
print(str(ret, encoding='utf-8'))
while True:
inp = input('请输入你要发送的内容：')
client_socket.sendall(bytes(inp, encoding='utf-8'))
if inp == 'q':
break
ret = client_socket.recv(1024)
print(str(ret, encoding='utf-8'))
client_socket.close()
可以看到整个流程的实现完全是按照上面那个图来实现的，因此我们在学习的时候，需要把上面那个图的流程牢记于心。
二、socket类
sk = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM,0)
参数一：地址簇
socket.AF_INET IPv4（默认）
socket.AF_INET6 IPv6
socket.AF_UNIX 只能够用于单一的Unix系统进程间通信
参数二：类型
socket.SOCK_STREAM 流式socket , for TCP （默认）
socket.SOCK_DGRAM 数据报式socket , for UDP
参数三：协议
0 （默认）与特定的地址家族相关的协议,如果是 0 ，则系统就会根据地址格式和套接类别,自动选择一个合适的协议
sk.bind(address)
s.bind(address) 将套接字绑定到地址。address地址的格式取决于地址族。在AF_INET下，以元组（host,port）的形式表示地址。
sk.listen(backlog)
开始监听传入连接。backlog指定在拒绝连接之前，可以挂起的最大连接数量。
backlog等于5，表示内核已经接到了连接请求，但服务器还没有调用accept进行处理的连接个数最大为5
这个值不能无限大，因为要在内核中维护连接队列
sk.setblocking(bool)
是否阻塞（默认True），如果设置False，那么accept和recv时一旦无数据，则报错。
sk.accept()
接受连接并返回（conn,address）,其中conn是新的套接字对象，可以用来接收和发送数据。address是连接客户端的地址。
接收TCP 客户的连接（阻塞式）等待连接的到来
sk.connect(address)
连接到address处的套接字。一般，address的格式为元组（hostname,port）,如果连接出错，返回socket.error错误。
sk.connect_ex(address)
同上，只不过会有返回值，连接成功时返回 0 ，连接失败时候返回编码，例如：10061
sk.close()
关闭套接字
sk.recv(bufsize[,flag])
接受套接字的数据。数据以字符串形式返回，bufsize指定最多可以接收的数量。flag提供有关消息的其他信息，通常可以忽略。
sk.recvfrom(bufsize[.flag])
与recv()类似，但返回值是（data,address）。其中data是包含接收数据的字符串，address是发送数据的套接字地址。
sk.send(string[,flag])
将string中的数据发送到连接的套接字。返回值是要发送的字节数量，该数量可能小于string的字节大小。即：可能未将指定内容全部发送。
sk.sendall(string[,flag])
将string中的数据发送到连接的套接字，但在返回之前会尝试发送所有数据。成功返回None，失败则抛出异常。
内部通过递归调用send，将所有内容发送出去。
sk.sendto(string[,flag],address)
将数据发送到套接字，address是形式为（ipaddr，port）的元组，指定远程地址。返回值是发送的字节数。该函数主要用于UDP协议。
sk.settimeout(timeout)
设置套接字操作的超时期，timeout是一个浮点数，单位是秒。值为None表示没有超时期。一般，超时期应该在刚创建套接字时设置，因为它们可能用于连接的操作（如 client 连接最多等待5s ）
sk.getpeername()
返回连接套接字的远程地址。返回值通常是元组（ipaddr,port）。
sk.getsockname()
返回套接字自己的地址。通常是一个元组(ipaddr,port)
sk.fileno()
套接字的文件描述符
三、设置socket
setsockopt()和getsockopt()，一个是设置选项，一个是得到设置。这里主要使用setsockopt()，setsockopt(level,optname,value)，level定义了哪个选项将被使用。通常情况下是SOL_SOCKET，意思是正在使用的socket选项。
optname参数提供使用的特殊选项。关于可用选项的设置，会因为操作系统的不同而有少许不同。如果level选定了SOL_SOCKET，那么一些常用的选项见下表：
|
选项 |
意义 |
期望值 |
|
SO_BINDTODEVICE |
可以使socket只在某个特殊的网络接口（网卡）有效。也许不能是移动便携设备 |
一个字符串给出设备的名称或者一个空字符串返回默认值 |
|
SO_BROADCAST |
允许广播地址发送和接收信息包。只对UDP有效。如何发送和接收广播信息包 |
布尔型整数 |
|
SO_DONTROUTE |
禁止通过路由器和网关往外发送信息包。这主要是为了安全而用在以太网上UDP通信的一种方法。不管目的地址使用什么IP地址，都可以防止数据离开本地网络 |
布尔型整数 |
|
SO_KEEPALIVE |
可以使TCP通信的信息包保持连续性。这些信息包可以在没有信息传输的时候，使通信的双方确定连接是保持的 |
布尔型整数 |
|
SO_OOBINLINE |
可以把收到的不正常数据看成是正常的数据，也就是说会通过一个标准的对recv()的调用来接收这些数据 |
布尔型整数 |
|
SO_REUSEADDR |
当socket关闭后，本地端用于该socket的端口号立刻就可以被重用。通常来说，只有经过系统定义一段时间后，才能被重用。 |
布尔型整数 |
比较常用的用法是，setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1) 这里value设置为1，表示将SO_REUSEADDR标记为TRUE，操作系统会在服务器socket被关闭或服务器进程终止后马上释放该服务器的端口，否则操作系统会保留几分钟该端口。
三、文件上传以及断点续传
这里我们写一个例子，来实现文件断点续传，已经如何解决可能出现的粘包问题，这里我只是简单的模拟下中断的操作，文章最后我会给出一个简单的FTP小工具，里面就比较完善的实现了断点续传的功能。下面我们简单的看一下代码
# server.py
# 收发文件
import socket
server_socket = socket.socket()
server_socket.bind(('127.0.0.1', 8000,))
server_socket.listen(4)
conn, address = server_socket.accept()
toatl_size =int(str(conn.recv(1024), encoding='utf-8'))
conn.sendall(bytes(str(toatl_size), encoding='utf-8')) # 解决粘包的问题
have_recv = 0
f = open('22.txt', 'wb')
while True:
if have_recv == toatl_size:
break
else:
ret = conn.recv(1024)
f.write(ret)
have_recv += len(ret)
f.close()
# client.py
# 收发文件
import socket
import os
client_socket = socket.socket()
client_socket.connect(('127.0.0.1', 8000,))
file_size = os.stat('1.txt').st_size # 由客户端传文件的时候，客户端告诉服务端文件大小
client_socket.sendall(bytes(str(file_size), encoding='utf-8')) # 发的时候先保存在缓冲区，可能会出现粘包
data = client_socket.recv(1024) # 接受下服务端发来的数据，确认收到了发过去的文件大小
have_rcv = 0
if int(str(data, encoding='utf-8')) == file_size:
with open('1.txt', 'rb') as f:
for line in f:
client_socket.sendall(line)
have_rcv += len(line)
print('中场休息，等下再传')
break # 传送一行后中断，模拟断点
with open('1.txt', 'rb') as f: # 模拟断点续传
f.seek(have_rcv) # 文件指针指到已经上传完成的部分
for line in f:
client_socket.sendall(line)
client_socket.close()
四、IO多路复用
I/O多路复用指通过一种机制，可以监视多个描述符，一旦某个描述符就绪（一般是读就绪或者写就绪），能够通知程序进行相应的读写操作。下面首先看一下 select，poll，epoll的介绍
select select最早于1983年出现在4.2BSD中，它通过一个select()系统调用来监视多个文件描述符的数组，当select()返回后，该数组中就绪的文件描述符便会被内核修改标志位，使得进程可以获得这些文件描述符从而进行后续的读写操作。 select目前几乎在所有的平台上支持，其良好跨平台支持也是它的一个优点，事实上从现在看来，这也是它所剩不多的优点之一。 select的一个缺点在于单个进程能够监视的文件描述符的数量存在最大限制，在Linux上一般为1024，不过可以通过修改宏定义甚至重新编译内核的方式提升这一限制。 另外，select()所维护的存储大量文件描述符的数据结构，随着文件描述符数量的增大，其复制的开销也线性增长。同时，由于网络响应时间的延迟使得大量TCP连接处于非活跃状态，但调用select()会对所有socket进行一次线性扫描，所以这也浪费了一定的开销。 poll poll在1986年诞生于System V Release 3，它和select在本质上没有多大差别，但是poll没有最大文件描述符数量的限制。 poll和select同样存在一个缺点就是，包含大量文件描述符的数组被整体复制于用户态和内核的地址空间之间，而不论这些文件描述符是否就绪，它的开销随着文件描述符数量的增加而线性增大。 另外，select()和poll()将就绪的文件描述符告诉进程后，如果进程没有对其进行IO操作，那么下次调用select()和poll()的时候将再次报告这些文件描述符，所以它们一般不会丢失就绪的消息，这种方式称为水平触发（Level Triggered）。 epoll 直到Linux2.6才出现了由内核直接支持的实现方法，那就是epoll，它几乎具备了之前所说的一切优点，被公认为Linux2.6下性能最好的多路I/O就绪通知方法。 epoll可以同时支持水平触发和边缘触发（Edge Triggered，只告诉进程哪些文件描述符刚刚变为就绪状态，它只说一遍，如果我们没有采取行动，那么它将不会再次告知，这种方式称为边缘触发），理论上边缘触发的性能要更高一些，但是代码实现相当复杂。 epoll同样只告知那些就绪的文件描述符，而且当我们调用epoll_wait()获得就绪文件描述符时，返回的不是实际的描述符，而是一个代表就绪描述符数量的值，你只需要去epoll指定的一个数组中依次取得相应数量的文件描述符即可，这里也使用了内存映射（mmap）技术，这样便彻底省掉了这些文件描述符在系统调用时复制的开销。 另一个本质的改进在于epoll采用基于事件的就绪通知方式。在select/poll中，进程只有在调用一定的方法后，内核才对所有监视的文件描述符进行扫描，而epoll事先通过epoll_ctl()来注册一个文件描述符，一旦基于某个文件描述符就绪时，内核会采用类似callback的回调机制，迅速激活这个文件描述符，当进程调用epoll_wait()时便得到通知。
由于windos下面只支持 select，下面我就以select为例，
句柄列表11, 句柄列表22, 句柄列表33 = select.select(句柄序列1, 句柄序列2, 句柄序列3, 超时时间) 参数： 可接受四个参数（前三个必须） 返回值：三个列表 select方法用来监视文件句柄，如果句柄发生变化，则获取该句柄。 1、当 参数1 序列中的句柄发生可读时（accetp和read），则获取发生变化的句柄并添加到 返回值1 序列中 2、当 参数2 序列中含有句柄时，则将该序列中所有的句柄添加到 返回值2 序列中 3、当 参数3 序列中的句柄发生错误时，则将该发生错误的句柄添加到 返回值3 序列中 4、当 超时时间 未设置，则select会一直阻塞，直到监听的句柄发生变化 当 超时时间 ＝ 1时，那么如果监听的句柄均无任何变化，则select会阻塞 1 秒，之后返回三个空列表，如果监听的句柄有变化，则直接执行。
# serve.py
# 用select 实现监听多个端口，并实现读写分离
import select
import socket
sk = socket.socket()
sk.bind(('127.0.0.1', 8000,))
sk.listen(5)
inputs = [sk]
outputs = []
message_dict = {} # 存储每个客户端接受到的信息
while True:
r_list, w_list, e_list = select.select(inputs, outputs, [], 1)
print(len(inputs))
for sk_or_conn in r_list:
if sk_or_conn == sk: # 一旦有客户端连接，sk发生变化
conn, addr = sk.accept()
inputs.append(conn) # 将客户端的conn添加到监听列表
message_dict[conn] = [] # 以客户端的conn为key，生成一个新列表来存储接受到的信息
# conn.sendall(bytes('hello', encoding='utf-8'))
else:
try:
ret = sk_or_conn.recv(1024) # 监听的列表里面如果有客户端发送信息，
except Exception as ex:
inputs.remove(sk_or_conn) # 如果客户端断开的话，从监听的列表里面移除
else:
data = str(ret, encoding='utf-8')
message_dict[sk_or_conn].append(data) # 将监听的信息放到字典里
outputs.append(sk_or_conn) # 放到outputs里面
# sk_or_conn.sendall(bytes(data+'hello', encoding='utf-8'))
for conn in w_list: # 单独实现写的操作
message = message_dict[conn][0]
conn.sendall(bytes(message+'hello', encoding='utf-8'))
del message_dict[conn][0]
outputs.remove(conn)
#client1.py
import socket
client_socket = socket.socket()
client_socket.connect(('127.0.0.1', 8000,))
while True:
inp = input('>>>')
client_socket.sendall(bytes(inp, encoding='utf-8'))
data = str(client_socket.recv(1024), encoding='utf-8')
print(data)
client_socket.close()
#client.py2
import socket
client_socket = socket.socket()
client_socket.connect(('127.0.0.1', 8000,))
while True:
inp = input('>>>')
client_socket.sendall(bytes(inp, encoding='utf-8'))
data = str(client_socket.recv(1024), encoding='utf-8')
print(data)
client_socket.close()
此处的Socket服务端相比与原生的Socket，他支持当某一个请求不再发送数据时，服务器端不会等待而是可以去处理其他请求的数据。但是，如果每个请求的耗时比较长时，select版本的服务器端也无法完成同时操作。而且select，实现的是一个伪并发。
五、socketserver
ThreadingTCPServer实现的Soket服务器内部会为每个client创建一个 “线程”，该线程用来和客户端进行交互。首先来看一下继承关系图
if __name__ == '__main__':
address = ('127.0.0.1', 9999)
server = socketserver.ThreadingTCPServer(address, myTCPHandle)
server.serve_forever()
上述代码的内部调用流程为：
- 启动服务端程序
- 执行 TCPServer.__init__ 方法，创建服务端Socket对象并绑定 IP 和 端口
- 执行 BaseServer.__init__ 方法，将自定义的继承自SocketServer.BaseRequestHandler 的类 MyRequestHandle赋值给 self.RequestHandlerClass
- 执行 BaseServer.server_forever 方法，While 循环一直监听是否有客户端请求到达 ...
- 当客户端连接到达服务器
- 执行 ThreadingMixIn.process_request 方法，创建一个 “线程” 用来处理请求
- 执行 ThreadingMixIn.process_request_thread 方法
- 执行 BaseServer.finish_request 方法，执行 self.RequestHandlerClass() 即：执行 自定义 MyRequestHandler 的构造方法（自动调用基类BaseRequestHandler的构造方法，在该构造方法中又会调用 MyRequestHandler的handle方法）
前面写了一篇sockeserver的文章，可以去看一下
六、ftp实例
由于例子下面目录太多，这里不好上传，里面用一个socketserver实现了ftp服务端，以及客户端，支持注册登陆，文件断点续传，以及简单命令操作，需要看的话可以去看一下http://www.cnblogs.com/Wxtrkbc/p/5590004.html
