我的Python升级打怪之路【七】：网络编程

Socket网络套接字

socket通常也称为"套接字"，用于描述IP地址和端口，是一个通信链的句柄。应用程序通常通过”套接字“向网络发出请求或者应答网络请求。

socket起源于Unix，而Unix/Linux基本哲学之一就是”一切皆文件“，对于文件用”打开“，”读写“，”关闭“ 模式来操作。socket就是该模式的一个实现，socket是一种特殊的文件，一些socket函数就是对其进行的操作。

socket和file的区别：

• file模块是针对某个指定文件进行的”打开“，”读写“，”关闭“
• socket模块是针对 服务器端 和 客户端socket 进行 ”打开“，’读写‘，’关闭‘

import socket

ip_port = ('1.1.1.1',8080)

sk = socket.socket()
sk.bind(ip_port)
sk.listen(5)

while True:
    print("Server waiting......")
    conn,addr = sk.accept()

    client_data = conn.recv(1024)
    print('client_data')
    conn.sendall("yes,yes,yes")

    conn.close()

import socket

ip_port = ("1.1.1.1",8080)

sk.socket.socket()
sk.connect(ip_port)

sk.sendall('我是一只客户机')

server_reply = sk.recv(1024)
print(server_reply)

sk.close()

import socket

def hand_request(client):
    buf = client.recv(1024)
    client.send("HTTP/1.1 200 OK\r\n\r\n")
    client.send("Hello,Web Socket")

def main():
    sk = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
    sk.bind(('127.0.0.1',8080))
    sk.listen(5)

    while True:
        connection,addr = sk.accept()
        hand_request(connection)
        connection.close()

if __name__ == "__main__":
    main()

更多的一些功能拓展

 sk = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCKET_STREAM,0)

参数一：地址簇
    socket.AF_INET         #ipv4(默认的)
    socket.AF_INET6       #ipv6

    socket.AF_UNIX        #这种方法只能够用于单一的Unix系统进程间的通信

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

    socket.SOCK_RAW     #原始套接字，普通套接字无法处理的ICMP，IGMP等网络报文，而SOCK_RAW可以;其次SOCK_RAW也可以处理特殊的IPV4报文，此外，利用原始套接字，可以通过IP_HDRINCL套接字选项由用户构造IP头。
    socket.SOCK_RDM     #是一种可靠的UDP形式，即保证交付数据报，但是不保证顺序。SOCK_RAM用来提供对原始协议的低级访问，在需要执行某些特殊操作时使用，如发送ICMP报文。SOCK_RAM通常仅限于高级用户或超级管理员程序使用。
    socket.SOCK_SEQPACKET      #可靠的连续数据包服务

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

import socket

ip_port = ('127.0.0.1',8080)
sk = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM,0)
sk.bind(ip_port)

while True:
    result = sk.recv(1024)
    print(result)


import socket
ip_port = ('127.0.0.1',9999)

sk = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM,0)
while True:
    user_input = input('数据：').strip()
    if user_input == 'exit':
        break
    sk.sendto(user_input,ip_port)

sk.close()

sk.bind(address)

将套接字绑定到地址。address地址格式取决于地址簇。在AF_INET下，以元组(host,port)的形式表示地址

sk.listen(backlog)

开始监听传入的连接，backlog指定在拒绝连接之前，可以挂起的最大连接的数量。
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为5
这个值不能够无限的大，因为要在内核中维护连接队列。

sk.setblocking(bool)

是否阻塞(默认为True)，如果设置False，那么accept和recv一旦无数据，就会报错。

sk.accept()

接收连接，并返回一个(conn,address)，其中conn是新的套接字对象，可以用来接收和发送数据的。address是客户端连接的地址。
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)

于connect的用法一致，只不过如果成功会返回一个0，失败的时候，不会报错，而是返回一个错误编码

sk.close()

关闭套接字

sk.recv(size[,flag])

接收套接字的数据。数据以字符串的形式返回，size指定最多可以接收的数量。flag提供有关消息的其他信息，一般忽略

sk.recvfrom(size[,flag])

与recv的用法相同，但是返回值是(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的地址。

sk.send(string[,flag])

讲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，这个数量可能小于string的字节大小（并未将指定的内容全部发送）

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。一个元组

sk.getsockname()

返回套接字自己的地址。一个元组

sk.fileno()

套接字的文件描述符

# 服务端
import socket
ip_port = ('127.0.0.1',9999)
sk = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM,0)
sk.bind(ip_port)

while True:
    data,(host,port) = sk.recvfrom(1024)
    print(data,host,port)
    sk.sendto(bytes('ok', encoding='utf-8'), (host,port))


#客户端
import socket
ip_port = ('127.0.0.1',9999)

sk = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM,0)
while True:
    inp = input('数据：').strip()
    if inp == 'exit':
        break
    sk.sendto(bytes(inp, encoding='utf-8'),ip_port)
    data = sk.recvfrom(1024)
    print(data)

sk.close()

IO多路复用

什么时IO多路复用？

　　IO多路复用指通过某一种机制，可以监视多个描述符，一旦某个描述符就绪(一般是读写就绪)，能够通知程序进行相应的读写操作。

Linux中的多路复用

•  select
• poll
• epoll

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。

Python中的多路复用

 Python中有一个select模块，其中提供了select、poll、epoll三个方法，分别调用系统的select、poll、epoll从而实现IO多路复用。

• Windows Python：select
• Mac Python：select
• Linux Python：select，poll，epoll

补充：网络操作，文件操作，终端操作均属于IO操作

select：

句柄列表1，句柄列表2，句柄列表3 = select.select(句柄序列1，句柄序列2，句柄序列3，超时时间)

select.select()
可以接收四个参数（前三个为必须传入的参数）
返回值：三个列表

select用来监视文件句柄，如果句柄发生变化，则我们去获取到这个句柄。
1.当 句柄序列1 中的句柄发送可读时(accept和read)，则获取发生的变化的句柄，并且返回到 句柄列表1 中
2.当 句柄序列2 中的句柄
3.当 句柄序列3 中的句柄发生错误时，则将该发生的错误的句柄返回到 句柄列表3中
4.当 超时时间 未设置的时候，select会一直阻塞，直到监听到句柄发生了变化，如果 超时时间 == 1，
那么如果监听的句柄在1s内均无变化，那么select则会阻塞1s，之后返回三个空列表 。

一个简单的例子：

import select
import threading
import sys

while True:
    readable,writeable,error = select.select([sys.stdin,],[],[],1)
    if sys.stdin in readable:
        print('select get stdin :',sys.stdin.readline())

import socket
import select

sk1 = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
sk1.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1)
sk1.bind(('127.0.0.1',8080))
sk1.listen(5)
sk1.setblocking(0)

inputs = [sk1,]

while True:
    readable,writeable,errable = select.select(inputs,[],inputs,1)
    for r in readable:
        if sk1 == r:
            print('select......')
            request,address = r.accept()
            request.setblocking(0)
            inputs.append(request)
        else:
            recevied = r.recv(1024)
            if recevied:
                print('inputs列表：',inputs)
                print('inputs长度：',len(inputs))
                print('发送数据的socket:',r)
                print('数据：',str(recevied,encoding='utf-8'))
            else:
                print('inputs删除：',r)
                inputs.remove(r)

sk1.close()

import socket

ip_port = ('127.0.0.1',8080)
sk = socket.socket()
sk.connect(ip_port)
while True:
    inp = input('请输入数据：')
    sk.sendall(bytes(inp,encoding='utf-8'))
sk.close()

SocketServer模块

SocketServer内部使用IO多路复用 以及 “多线程” 和 “多进程”，从而实现并发处理多个客户端请求的Socket服务端。即：每个
客户端请求链接到服务器时，Socket服务端都会在服务器创建一个“线程” 或 “进程”专门负责处理当前客户端的请求。

1.ThreadingTCPServer

 ThreadingTCPServer实现的Socket服务器内部会为那个client创建一个“线程”，该线程用来和客户端进行交互

如果使用ThreadingTCPServer：

• 创建一个继承自socketserver.BaseRequestHandler的类
• 类中必须定义一个名为Handle的方法
• 启动ThreadingTCPServer

以下是最简单的使用例子：

import socketserver

class Myserver(socketserver.BaseRequestHandler):

    def handle(self):
        conn = self.request
        conn.sendall(bytes('你好',encoding='utf-8'))
        flag = True
        while flag:
            data = str(conn.recv(1024),encoding='utf-8')

            if data == 'exit':
                flag = False
            elif data == '1':
                conn.sendall(bytes('你输入了1',encoding='utf-8'))
            else:
                conn.sendall(bytes('错误指令，重新输入',encoding='utf-8'))


if __name__ == "__main__":
    server = socketserver.ThreadingTCPServer(('127.0.0.1',8080),Myserver)
    server.serve_forever()

import socket

ip_port = ('127.0.0.1',8080)
sk = socket.socket()
sk.connect(ip_port)

sk.settimeout(5)

while True:
    data = str(sk.recv(1024),encoding='utf-8')
    print("result:",data)
    inp = input('Input:')
    sk.sendall(bytes(inp,encoding='utf-8'))
    if inp == 'exit':
        break

sk.close()

内部的调用流程是：

• 启动服务端程序
• 执行TCPServer.__init__方法，创建服务端Socket对象并且绑定IP和端口
• 执行BaseServer.__init__