第十七章、socket编程

什么是 socket 编程？

不管是传统计算机软件，还是手机软件，还是物联网嵌入系统软件，这些都要和其他网络系统进行通讯。而当今网络世界基本上都是使用TCP/IP协议进行通讯的。任何应用，比如 web网页、微信、支付宝、抖音或者我们开发的产品等等都是通过TCP/IP协议进行通讯的。TCP/IP 协议就是一种传输数据的方案。我们可以用发快递打比方。在上海的张涛要寄一个物品给在北京的李明。选择一个快递公司，就是选择了一种传输物品的规范。因为不同的快递公司传输物品的具体方案不同。张涛作为一个寄件人，他不需要知道快递公司传输物品的方案的 所有细节 。他只要知道如何把物品给快递公司上门的收件人，就行了。李明作为一个收件人，他也不需要知道快递公司传输物品的方案的所有细节。他只要知道，如何从快递公司的收件人收物品就行了。

对应到软件开发上，收发信息的 程序进程 就像 发件人和收件人 ；

收发的 信息 就像快递传输的 物品 ；

具体信息的传输路径（中间经过哪些路由器）和传输的方法（使用什么协议）就像快递公司的运输流程；

同样的，我们编写发出信息的程序和接收信息的程序，并不需要知道 信息传输的所有细节，比如中间经过哪些路由器，路由器之间又是如何传输的。

我们作为程序员，只要知道，我们的程序如何把所要发送的信息交给 ‘收件人’，如何从 ‘送件人’ 手中获取信息。

那么和我们的应用程序直接打交道的 ‘收件人’ 和 ‘送件人’ 到底是谁？

其实就是操作系统提供的 socket 编程接口

发送信息的应用程序，通过 socket 编程接口 把信息给操作系统的TCP/IP协议栈通讯模块；

通讯模块一层层传递给其他通讯模块（网卡驱动等），最后再通过网卡等硬件设备发送到网络上去；

经过网络上路由器的一次次转发，最终到了目的程序所在的计算机（或者手机等设备），再通过其操作系统的 TCP/IP协议栈通讯模块一层层上传。

最后接收信息的程序，通过 socket 编程接口 接收到了传输的信息。

Python 语言中socket编程

要进行socket编程，发送网络消息，我们可以使用 Python 内置的 socket 库。

目前的socket编程，使用的最多的就是通过tcp协议进行网络通讯的。

tcp进行通讯的程序双方，分为服务端和客户端。

tcp 协议进行通讯的双方，是需要先建立一个虚拟连接的。然后双方程序才能发送业务数据信息。

建立tcp虚拟连接是通过著名的 三次握手 进行的。

具体三次握手的细节大家可以参考这篇文章 https://www.cnblogs.com/auguse/p/11632860.html

我们现在来看一个 tcp协议进行通讯的 socket 服务端程序和客户端程序。

下面是tcp 服务端程序 server.py

#  === TCP 服务端程序 server.py ===

# 导入socket 库
from socket import *

# 主机地址为空字符串，表示绑定本机所有网络接口ip地址
# 等待客户端来连接
IP = ''
# 端口号
PORT = 50000
# 定义一次从socket缓冲区最多读入512个字节数据
BUFLEN = 512

# 实例化一个socket对象
# 参数 AF_INET 表示该socket网络层使用IP协议
# 参数 SOCK_STREAM 表示该socket传输层使用tcp协议
listenSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)

# socket绑定地址和端口
listenSocket.bind((IP, PORT))


# 使socket处于监听状态，等待客户端的连接请求
# 参数 8 表示 最多接受多少个等待连接的客户端
listenSocket.listen(8)
print(f'服务端启动成功，在{PORT}端口等待客户端连接...')

dataSocket, addr = listenSocket.accept()
print('接受一个客户端连接:', addr)

while True:
    # 尝试读取对方发送的消息
    # BUFLEN 指定从接收缓冲里最多读取多少字节
    recved = dataSocket.recv(BUFLEN)

    # 如果返回空bytes，表示对方关闭了连接
    # 退出循环，结束消息收发
    if not recved:
        break

    # 读取的字节数据是bytes类型，需要解码为字符串
    info = recved.decode()
    print(f'收到对方信息： {info}')

    # 发送的数据类型必须是bytes，所以要编码
    dataSocket.send(f'服务端接收到了信息 {info}'.encode())

# 服务端也调用close()关闭socket
dataSocket.close()
listenSocket.close()

下面是tcp 客户端程序 client.py

#  === TCP 客户端程序 client.py ===

from socket import *

IP = '127.0.0.1'
SERVER_PORT = 50000
BUFLEN = 1024

# 实例化一个socket对象，指明协议
dataSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)

# 连接服务端socket
dataSocket.connect((IP, SERVER_PORT))

while True:
    # 从终端读入用户输入的字符串
    toSend = input('>>> ')
    if  toSend =='exit':
        break
    # 发送消息，也要编码为 bytes
    dataSocket.send(toSend.encode())

    # 等待接收服务端的消息
    recved = dataSocket.recv(BUFLEN)
    # 如果返回空bytes，表示对方关闭了连接
    if not recved:
        break
    # 打印读取的信息
    print(recved.decode())

dataSocket.close()

支持多个客户端

上面的服务端代码只能和一个客户端进行通信。

如果我们同时运行多个客户端，就会发现后面的客户端程序不能和服务端连接成功。为什么呢？

因为，服务端程序必须不停的对监听 socket 对象调用 accept()方法，才能不断的接受新的客户端连接请求。

而且还需要运行额外的代码对多个客户端连接后，返回的多个数据传输socket对象进行数据的收发。

显然，我们上面的程序没有这样的处理。

因为缺省情况创建的 socket 是 阻塞式 的，进行 accpet调用时，如果没有客户端连接，程序就阻塞在此处，不再执行后续代码。

同样的，调用recv方法，如果没有数据在本socket的接收缓冲，也会阻塞。

所以，通常一个线程里面，没法不断地调用监听socket的 accept方法，同时还能负责多个数据传输socket消息的收发。

那么让一个服务端程序和多个客户端同时连接并通信呢？

聪明的你一定想到了，一个线程不行，就使用多个线程啊。

我们修改服务端的代码，如下

#  === TCP 服务端程序 server.py ， 支持多客户端 ===

# 导入socket 库
from socket import *
from threading import Thread

IP = ''
PORT = 50000
BUFLEN = 512

# 这是新线程执行的函数，每个线程负责和一个客户端进行通信
def clientHandler(dataSocket,addr):
    while True:
        recved = dataSocket.recv(BUFLEN)
        # 当对方关闭连接的时候，返回空字符串
        if not recved:
            print(f'客户端{addr} 关闭了连接' )
            break

        # 读取的字节数据是bytes类型，需要解码为字符串
        info = recved.decode()
        print(f'收到{addr}信息： {info}')

        dataSocket.send(f'服务端接收到了信息 {info}'.encode())

    dataSocket.close()

# 实例化一个socket对象 用来监听客户端连接请求
listenSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)

# socket绑定地址和端口
listenSocket.bind((IP, PORT))

listenSocket.listen(8)
print(f'服务端启动成功，在{PORT}端口等待客户端连接...')

while True:
   # 在循环中，一直接受新的连接请求
   dataSocket, addr = listenSocket.accept()     # Establish connection with client.
   addr = str(addr)
   print(f'一个客户端 {addr} 连接成功' )

   # 创建新线程处理和这个客户端的消息收发
   th = Thread(target=clientHandler,args=(dataSocket,addr))
   th.start()

listenSocket.close()

多线程方式有个缺点。

如果一个服务端要同时处理大量的客户端连接，比如10000个，需要创建10000个线程。

而操作系统通常不可能为一个进程分配这么多的线程。

实际上，我们的服务端程序，大部分时间都是空闲的，都在等待连接请求，等待接受消息，根本不需要这么多的线程来处理。

这种程序通常被称之为 IO bound 程序，也就是说程序的主要时间都是花费在 IO 上面。

这种程序，其实一个线程就足够了。

关键问题是，需要这一个线程很好的分配时间，在有连接请求到来的时候，执行处理连接请求代码，有消息到达socket缓冲的时候，执行读取处理消息的代码。

这种处理方式称之为异步IO。

Python 3 新增了 asyncio 库，我们可以使用该库来实现同时处理多个客户端数据收发。

示例代码如下：

#  === TCP 服务端程序 server.py 异步支持多客户端 ===
import asyncio, socket
IP = ''
PORT = 50000
BUFLEN = 512

# 定义处理数据收发的回调
async def handle_echo(reader, writer):
    while True:
        data = await reader.read(100)
        if not data:
            print(f'客户端{addr}关闭了连接')
            writer.close()
            break
        message = data.decode()
        addr = writer.get_extra_info('peername')
        print(f'收到{addr}信息： {message}')

        writer.write(data)

loop = asyncio.get_event_loop()
coro = asyncio.start_server(handle_echo, IP, PORT, loop=loop)
server = loop.run_until_complete(coro)

# Serve requests until Ctrl+C is pressed
print('服务端启动成功，在{}端口等待客户端连接...'.format(server.sockets[0].getsockname()))
try:
    loop.run_forever()
except KeyboardInterrupt:
    pass

# Close the server
server.close()
loop.run_until_complete(server.wait_closed())
loop.close()

posted @ 2019-10-07 23:19 酒剑仙* 阅读(467) 评论(0) 编辑收藏举报

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