Python學習之旅-20

Socket 是進程間通信的一種方式，它與其他進程間通信的一個主要不同是：它能實現不同主機間的進程間通信，我們網絡上各種各樣的服務大多都是基於 Socket 來完成通信的，例如我們每天瀏覽網頁、QQ 聊天、收發 email 等等。要解決網絡上兩臺主機之間的進程通信問題，首先要唯一標識該進程，在 TCP/IP 網絡協議中，就是通過 (IP地址，協議，端口號) 三元組來標識進程的，解決了進程標識問題，就有了通信的基礎了。

本文主要介紹使用 Python 進行 TCP Socket 網絡編程，假設你已經具有初步的網絡知識及 Python 基本語法知識。

TCP 是一種面向連接的傳輸層協議，TCP Socket 是基於一種 Client-Server 的編程模型，服務端監聽客戶端的連接請求，一旦建立連接即可以進行傳輸數據。那麼對 TCP Socket 編程的介紹也分爲客戶端和服務端：

客戶端編程

創建 socket

首先要創建 socket，用 Python 中 socket 模塊的函數 socket 就可以完成：

#Socket client example in python

import socket   #for sockets

#create an AF_INET, STREAM socket (TCP)
s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

print 'Socket Created'

函數 socket.socket 創建一個 socket，返回該 socket 的描述符，將在後面相關函數中使用。該函數帶有兩個參數：

Address Family：可以選擇 AF_INET（用於 Internet 進程間通信）或者 AF_UNIX（用於同一臺機器進程間通信）
Type：套接字類型，可以是 SOCKET_STREAM（流式套接字，主要用於 TCP 協議）或者SOCKET_DGRAM（數據報套接字，主要用於 UDP 協議）

注：由於本文主要概述一下 Python Socket 編程的過程，因此不會對相關函數參數、返回值進行詳細介紹，需要了解的可以查看相關手冊

錯誤處理

如果創建 socket 函數失敗，會拋出一個 socket.error 的異常，需要捕獲：

#handling errors in python socket programs

import socket   #for sockets
import sys  #for exit

try:
    #create an AF_INET, STREAM socket (TCP)
    s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
except socket.error, msg:
    print 'Failed to create socket. Error code: ' + str(msg[0]) + ' , Error message : ' + msg[1]
    sys.exit();

print 'Socket Created'

那麼到目前爲止已成功創建了 socket，接下來我們將用這個 socket 來連接某個服務器，就連 www.google.com 吧。

連接服務器

本文開始也提到了，socket 使用 (IP地址，協議，端口號) 來標識一個進程，那麼我們要想和服務器進行通信，就需要知道它的 IP地址以及端口號。

獲得遠程主機的 IP 地址

Python 提供了一個簡單的函數 socket.gethostbyname 來獲得遠程主機的 IP 地址：

host = 'www.google.com'
port = 80

try:
    remote_ip = socket.gethostbyname( host )

except socket.gaierror:
    #could not resolve
    print 'Hostname could not be resolved. Exiting'
    sys.exit()

print 'Ip address of ' + host + ' is ' + remote_ip

現在我們知道了服務器的 IP 地址，就可以使用連接函數 connect 連接到該 IP 的某個特定的端口上了，下面例子連接到 80 端口上（是 HTTP 服務的默認端口）：

#Connect to remote server
s.connect((remote_ip , port))

print 'Socket Connected to ' + host + ' on ip ' + remote_ip

運行該程序：

$ python client.py
Socket created
Ip of remote host www.google.com is 173.194.38.145
Socket Connected to www.google.com on ip 173.194.38.145

發送數據

上面說明連接到 www.google.com 已經成功了，接下面我們可以向服務器發送一些數據，例如發送字符串GET / HTTP/1.1\r\n\r\n，這是一個 HTTP 請求網頁內容的命令。

#Send some data to remote server
message = "GET / HTTP/1.1\r\n\r\n"

try :
    #Set the whole string
    s.sendall(message)
except socket.error:
    #Send failed
    print 'Send failed'
    sys.exit()

print 'Message send successfully'

發送完數據之後，客戶端還需要接受服務器的響應。

接收數據

函數 recv 可以用來接收 socket 的數據：

#Now receive data
reply = s.recv(4096)

print reply

一起運行的結果如下：

Socket created
Ip of remote host www.google.com is 173.194.38.145
Socket Connected to www.google.com on ip 173.194.38.145
Message send successfully
HTTP/1.1 302 Found
Cache-Control: private
Content-Type: text/html; charset=UTF-8
Location: http://www.google.com.sg/?gfe_rd=cr&ei=PlqJVLCREovW8gfF0oG4CQ
Content-Length: 262
Date: Thu, 11 Dec 2014 08:47:58 GMT
Server: GFE/2.0
Alternate-Protocol: 80:quic,p=0.02

<HTML><HEAD><meta http-equiv="content-type" content="text/html;charset=utf-8">
<TITLE>302 Moved</TITLE></HEAD><BODY>
<H1>302 Moved</H1>
The document has moved
<A HREF="http://www.google.com.sg/?gfe_rd=cr&ei=PlqJVLCREovW8gfF0oG4CQ">here</A>.
</BODY></HTML>

關閉 socket

當我們不想再次請求服務器數據時，可以將該 socket 關閉，結束這次通信：

s.close()

小結

上面我們學到了如何：

創建 socket
連接到遠程服務器
發送數據
接收數據
關閉 socket

當我們打開 www.google.com 時，瀏覽器所做的就是這些，知道這些是非常有意義的。在 socket 中具有這種行爲特徵的被稱爲CLIENT，客戶端主要是連接遠程系統獲取數據。

socket 中另一種行爲稱爲SERVER，服務器使用 socket 來接收連接以及提供數據，和客戶端正好相反。所以 www.google.com 是服務器，你的瀏覽器是客戶端，或者更準確地說，www.google.com 是 HTTP 服務器，你的瀏覽器是 HTTP 客戶端。

那麼上面介紹了客戶端的編程，現在輪到服務器端如果使用 socket 了。

服務器端編程

服務器端主要做以下工作：

打開 socket
綁定到特定的地址以及端口上
監聽連接
建立連接
接收/發送數據

上面已經介紹瞭如何創建 socket 了，下面一步是綁定。

綁定 socket

函數 bind 可以用來將 socket 綁定到特定的地址和端口上，它需要一個 sockaddr_in 結構作爲參數：

import socket
import sys

HOST = ''   # Symbolic name meaning all available interfaces
PORT = 8888 # Arbitrary non-privileged port

s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
print 'Socket created'

try:
    s.bind((HOST, PORT))
except socket.error , msg:
    print 'Bind failed. Error Code : ' + str(msg[0]) + ' Message ' + msg[1]
    sys.exit()

print 'Socket bind complete'

綁定完成之後，接下來就是監聽連接了。

監聽連接

函數 listen 可以將 socket 置於監聽模式：

s.listen(10)
print 'Socket now listening'

該函數帶有一個參數稱爲 backlog，用來控制連接的個數。如果設爲 10，那麼有 10 個連接正在等待處理，此時第 11 個請求過來時將會被拒絕。

接收連接

當有客戶端向服務器發送連接請求時，服務器會接收連接：

#wait to accept a connection - blocking call
conn, addr = s.accept()

#display client information
print 'Connected with ' + addr[0] + ':' + str(addr[1])

運行該程序的，輸出結果如下：

$ python server.py
Socket created
Socket bind complete
Socket now listening

此時，該程序在 8888 端口上等待請求的到來。不要關掉這個程序，讓它一直運行，現在客戶端可以通過該端口連接到 socket。我們用 telnet 客戶端來測試，打開一個終端，輸入 telnet localhost 8888：

$ telnet localhost 8888
Trying 127.0.0.1...
Connected to localhost.
Escape character is '^]'.
Connection closed by foreign host.

這時服務端輸出會顯示：

$ python server.py
Socket created
Socket bind complete
Socket now listening
Connected with 127.0.0.1:59954

我們觀察到客戶端已經連接上服務器了。在建立連接之後，我們可以用來與客戶端進行通信。下面例子演示的是，服務器建立連接之後，接收客戶端發送來的數據，並立即將數據發送回去，下面是完整的服務端程序：

import socket
import sys

HOST = ''   # Symbolic name meaning all available interfaces
PORT = 8888 # Arbitrary non-privileged port

s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
print 'Socket created'

try:
    s.bind((HOST, PORT))
except socket.error , msg:
    print 'Bind failed. Error Code : ' + str(msg[0]) + ' Message ' + msg[1]
    sys.exit()

print 'Socket bind complete'

s.listen(10)
print 'Socket now listening'

#wait to accept a connection - blocking call
conn, addr = s.accept()

print 'Connected with ' + addr[0] + ':' + str(addr[1])

#now keep talking with the client
data = conn.recv(1024)
conn.sendall(data)

conn.close()
s.close()

在一個終端中運行這個程序，打開另一個終端，使用 telnet 連接服務器，隨便輸入字符串，你會看到：

$ telnet localhost 8888
Trying 127.0.0.1...
Connected to localhost.
Escape character is '^]'.
happy
happy
Connection closed by foreign host.

客戶端（telnet）接收了服務器的響應。

我們在完成一次響應之後服務器立即斷開了連接，而像 www.google.com 這樣的服務器總是一直等待接收連接的。我們需要將上面的服務器程序改造成一直運行，最簡單的辦法是將 accept 放到一個循環中，那麼就可以一直接收連接了。

保持服務

我們可以將代碼改成這樣讓服務器一直工作：

import socket
import sys

HOST = ''   # Symbolic name meaning all available interfaces
PORT = 5000 # Arbitrary non-privileged port

s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
print 'Socket created'

try:
    s.bind((HOST, PORT))
except socket.error , msg:
    print 'Bind failed. Error Code : ' + str(msg[0]) + ' Message ' + msg[1]
    sys.exit()

print 'Socket bind complete'

s.listen(10)
print 'Socket now listening'

#now keep talking with the client
while 1:
    #wait to accept a connection - blocking call
    conn, addr = s.accept()
    print 'Connected with ' + addr[0] + ':' + str(addr[1])

    data = conn.recv(1024)
    reply = 'OK...' + data
    if not data: 
        break

    conn.sendall(reply)

conn.close()
s.close()

現在在一個終端下運行上面的服務器程序，再開啓三個終端，分別用 telnet 去連接，如果一個終端連接之後不輸入數據其他終端是沒辦法進行連接的，而且每個終端只能服務一次就斷開連接。這從代碼上也是可以看出來的。

這顯然也不是我們想要的，我們希望多個客戶端可以隨時建立連接，而且每個客戶端可以跟服務器進行多次通信，這該怎麼修改呢？

處理連接

爲了處理每個連接，我們需要將處理的程序與主程序的接收連接分開。一種方法可以使用線程來實現，主服務程序接收連接，創建一個線程來處理該連接的通信，然後服務器回到接收其他連接的邏輯上來。

import socket
import sys
from thread import *

HOST = ''   # Symbolic name meaning all available interfaces
PORT = 8888 # Arbitrary non-privileged port

s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
print 'Socket created'

#Bind socket to local host and port
try:
    s.bind((HOST, PORT))
except socket.error , msg:
    print 'Bind failed. Error Code : ' + str(msg[0]) + ' Message ' + msg[1]
    sys.exit()

print 'Socket bind complete'

#Start listening on socket
s.listen(10)
print 'Socket now listening'

#Function for handling connections. This will be used to create threads
def clientthread(conn):
    #Sending message to connected client
    conn.send('Welcome to the server. Type something and hit enter\n') #send only takes string

    #infinite loop so that function do not terminate and thread do not end.
    while True:

        #Receiving from client
        data = conn.recv(1024)
        reply = 'OK...' + data
        if not data: 
            break

        conn.sendall(reply)

    #came out of loop
    conn.close()

#now keep talking with the client
while 1:
    #wait to accept a connection - blocking call
    conn, addr = s.accept()
    print 'Connected with ' + addr[0] + ':' + str(addr[1])

    #start new thread takes 1st argument as a function name to be run, second is the tuple of arguments to the function.
    start_new_thread(clientthread ,(conn,))

s.close()

再次運行上面的程序，打開三個終端來與主服務器建立 telnet 連接，這時候三個客戶端可以隨時接入，而且每個客戶端可以與主服務器進行多次通信。

telnet 終端下可能輸出如下：

$ telnet localhost 8888
Trying 127.0.0.1...
Connected to localhost.
Escape character is '^]'.
Welcome to the server. Type something and hit enter
hi
OK...hi
asd
OK...asd
cv
OK...cv

要結束 telnet 的連接，按下 Ctrl-] 鍵，再輸入 close 命令。

服務器終端的輸出可能是這樣的：

$ python server.py
Socket created
Socket bind complete
Socket now listening
Connected with 127.0.0.1:60730
Connected with 127.0.0.1:60731

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