TCP编程与Socket

深藏阁楼爱情的钟 2022-01-16 13:57 285阅读 0赞

# TCP编程与Socket #

## Socket介绍 ##

Socket套接字  
Python中提供socket.py标准库，非常底层的接口库。  
Socket是一种通用的网络编程接口，和网络层次没有一一对应关系。

*  **协议族**  
    AF表示Address Family,用于socket()第一个参数

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="left">名称</th> 
   <th align="left">含义</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="left">AF_INET</td> 
   <td align="left">IPV4</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">AF_INET6</td> 
   <td align="left">IPV6</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">AF_UNIX</td> 
   <td align="left">Unix Domain Socket,windows没有</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

*  **Socket类型**

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="left">名称</th> 
   <th align="left">含义</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="left">SOCK_STREAM</td> 
   <td align="left">面向链接的流套接字。默认值，TCP协议</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">SOCK_DGRAM</td> 
   <td align="left">无链接的数据报文套接字。UDP协议</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

1.  socket(family=AF\_INET, type=SOCK\_STREAM, proto=0, fileno=None) \#构建一个socket对象

## TCP编程 ##

Socket编程，需要两端，一般来说需要一个服务端、一个客户端，服务端称为Server,客户端称为Client  
这种编程模式也称为**cs编程**

### TCP服务端编程 ###

1.  创建Socket对象
2.  绑定IP地址Address和端口Port。bind()方法。(IPV4地址位一个二元组(“IP地址字符串”,Port))
3.  获取用于传送数据的Socket对象
    
     *  socket.accept()–>(socket object,addreass info)
     *  accept方法阻塞等待客户端建立连接，返回一个新的Socket对象和客户端地址的二元组
     *  地址是远程客户端的地址，IPV4中它是一个二元组(clientaddr,prot)
        
         *  接受数据
            
             *  revc(bufzize\[,flags\])使用缓冲区接受数据
         *  发送数据
            
             *  send(bytees)发送数据

![socket\_001][socket_001]

*  简单示例，创建一个简单的服务，实现监听一次，接受一次用户输出，并传递一个消息给用户。

import socket
    
    #创建一个socket
    service = socket.socket()
    #绑定ip和端口
    service.bind(("127.0.0.1",3999))
    #启动监听
    service.listen()
    #等待用户接入
    clsock,client = service.accept()
    print("用户已近链接")
    #等待用户发送消息
    date = clsock.recv(1024)
    print("收到用户发来消息：{}".format(date))
    clsock.send("service -> {}".format(date).encode())
    
    clsock.close() #和用户断开链接
    service.close() #关闭service
    print("服务器已近关闭")

*  服务端输出：  
    ![socket\_002][socket_002]
 *  客户端连接输入：  
    ![socket\_003][socket_003]

### socket常用属性 ###

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="left">名称</th> 
   <th align="left">含义</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="left"><strong>socket.getpeername()</strong></td> 
   <td align="left">返回链接套接字的远程地址。返回值通常是元组(ipaddr,port)</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"><strong>socket.getsockname()</strong></td> 
   <td align="left">返回套接字自己的地址。通常是一个元组(ipaddr,port)</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">socket.setblocking(flag)</td> 
   <td align="left">如果flag为0，则将套接字设为非阻塞模式，否则套接字设为阻塞模式(默认值)<br>非阻塞模式下，如果调用recv()没有发现任何数据，或send()调用无法立即发送数据，那么将引起socket.error异常</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">socket.settimeout(value)</td> 
   <td align="left">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。<br>一般，超时期应该在刚创建套接字时设置，因为他们可能用于连接的操作(如connect())</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">socket.setsockopt(level,optname,value)</td> 
   <td align="left">设置套接字选项的值。比如缓冲区太小。太多了，不同系统，不同版本都不尽相同(详细请看文档)</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

### socket常用方法 ###

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="left">名称</th> 
   <th align="left">含义</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="left"><strong>socket.recv(bufsize[,flags])</strong></td> 
   <td align="left">获取数据。默认是阻塞的方式</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"><strong>socket.revfrom(bufsize[,flags])</strong></td> 
   <td align="left">获取数据，返回一个二元组(bytes,address)</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">socket.recv_into(buffer[,nbytes[,flags]])</td> 
   <td align="left">获取到nbytes的数据后，存储到buffer中。如果nbytes没有指定或0，将buffer大小的数据存入buffer中。返回接受的字节数。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">socket.recfrom_into(buffer[,nbytes[,flags]])</td> 
   <td align="left">获取数据，返回一个二元组(bytes,address)到buffer中</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"><strong>socket.send(bytes[,flags])</strong></td> 
   <td align="left">TCP发送数据</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">socket.sendall(bytes[,flags])</td> 
   <td align="left">TCP发送全部数据，成功返回None</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"><strong>socket.sendto(string[,flag],address)</strong></td> 
   <td align="left">UDP发送数据</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">socket.sendfile(file,offset=0,count=None)</td> 
   <td align="left">发送一个文件直到EOF,使用高性能的os.sendfile机制，返回发送的字节数。如果win下不支持sendfile，或者不是普通文件，使用send()发送文件。offset告诉起始位置。3.5版本开始</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

### MakeFile ###

1.  socket.makefile(mode=‘r’, buffering=None, \*, encoding=None, errors=None, newline=None) \#创建一个与该套接字相关连的文件对象，将recv方法看做读方法，将send方法看做写方法。
    
     *  mode:文件对象的模式，只支持"wra"三种模式的组合，不支持"w+"等，带加号这种。
     *  buffering:缓存区大小
     *  encoding:编码
     *  errors:什么样的编码错误将被捕获。默认值为None
     *  nowline:换行符

*  注意：socket.makefile构造方法中的参数与open对象参数大致相同。
 *  注意：makefile实质是在内存中构建了一个文件对象。文件并不是真的存在。类似于StringIO
 *  简单示例：

import socket
    
    server = socket.socket()
    server.bind(("127.0.0.1",3999))
    server.listen()
    print("- "* 30)
    
    s,_ = server.accept()
    print(" -"* 30)
    f = s.makefile(mode="rw")
    
    #读满10个字符就不阻塞了
    line = f.read(10) #按照行读取，要使用readline方法。
    print("- "* 30)
    print(line)
    f.write("server -> {}".format(line))
    f.flush()
    
    f.close()
    print(f.closed,s._closed)
    s.close()
    print(f.closed,s._closed)
    
    server.close()

服务端输出结果：  
![socket\_004][socket_004]  
客户端操作：  
![socket\_005][socket_005]

### 实战–写一个群聊天service ###

*  需求分析
    
    1.  聊天工具是CS程序，C是每一个客户端client，S是服务器端server。
 *  服务器应该具有的功能：
    
    1.  启动服务，包括绑定地址和端口，并监听
    2.  建立连接，能和多个客户端建立连接
    3.  接收不同用户的信息
    4.  分发，将接收的某个用户的信息转发到已连接的所有客户端
    5.  停止服务
    6.  记录连接的客户端
 *  代码实现

import socket
    import threading
    import logging
    import sys
    
    log = logging.getLogger(__name__)
    hd = logging.StreamHandler(sys.stdout)
    hd.setFormatter(logging.Formatter("[{asctime},{thread},{threadName},{name}] {message}",style="{",datefmt="%Y-%m-%d %H:%M:%S"))
    log.addHandler(hd)
    log.setLevel(logging.INFO)
    
    class ChatServer:
        def __init__(self,ip="127.0.0.1",port=3999):
            self.sock = socket.socket()
            self.ip = ip
            self.port = port
            self.clients = { } #客户端
            self.lock = threading.Lock()
            self.event = threading.Event()
    
        def start(self):#启动服务
            threading.Thread(target=self.accept).start()
    
        def accept(self):#支出多少人链接
            self.sock.bind((self.ip, self.port))
            self.sock.listen()
            while not self.event.is_set():
                try:
                    newsock,client = self.sock.accept()
                except:
                    break
                log.info("新用户加入：{}".format(client))
                with self.lock:
                    self.clients[client] = newsock
                threading.Thread(target=self.recv,args=(newsock,client)).start()
    
        def recv(self,sock:socket.socket,client): #接受客户端数据
            while not self.event.is_set():
                try:
                    data = sock.recv(1024)
                except Exception as e:
                    log.error(e)
                    data = b""
                log.info(data)
                if data == b"by" or data == b"":
                    with self.lock:
                        if client in self.clients:
                            self.clients.pop(client)
                    sock.close()
                    break
                msg = "service:{}-->{}".format(client,data).encode()
                exps = [] #记录sock错误
                expc = [] #记录sock出错时对应的clients
                with self.lock:
                    for c,sk in self.clients.items():
                        try:
                            sk.send(msg) #可能在发送消息是就出错
                        except:
                            exps.append(sk)
                            expc.append(c)
                    for c in expc:
                        self.clients.pop(c)
                for s in exps:
                    s.close()
    
        def stop(self): #停止服务
            self.event.set()
            self.sock.close()
            clis = []
            with self.sock:
                clis = [ i for i in self.clients.values()]
                self.clients.clear()
            for s in clis:
                s.close()
    
    if __name__ == "__main__":
        chaser = ChatServer()
        chaser.start()
        while True:
            inp = input(">>>")
            if inp == "quit":
                chaser.stop()
                break
            else:
                log.info(threading.enumerate())

*  **客户端主动断开带来的问题**
    
    1.  服务端知道自己何时断开，如果客户端断开，服务器不知道。（**客户端主动断开，服务端recv会得到一个空串**） 所以，好的做法是，客户端断开发出特殊消息通知服务器端断开连接。但是，如果客户端主动断开，服务端主动发送一个空消息，超时返回异常，捕获异常并清理连接。
    2.  即使为客户端提供了断开命令，也不能保证客户端会使用它断开连接。但是还是要增加这个退出功能。
 *  **注意**
    
    1.  由于GIL和内置数据结构的读写原子性，单独操作字典的某一项item是安全的。但是遍历过程是线程不安全的，遍 历中有可能被打断，其他线程如果对字典元素进行增加、弹出，都会影响字典的size，就会抛出异常。所以还是要 加锁Lock。

## TCP客户端编程 ##

*  **客户端编程步骤**
    
    1.  创建Socket对象
    2.  链接到远端服务端的ip和port，connect()方法
    3.  传输数据
        
         *  使用send,recv方法发送，接收数据
    4.  关闭链接，释放资源
 *  简单示例

import socket
    
    client = socket.socket()
    client.connect(("127.0.0.1",3999)) #直接链接服务器
    
    client.send(b"abcd")
    data = client.recv(1024) #柱塞等待服服务端回复
    print(data)
    
    client.close()

结合上面服务端代码。客户端输出为：  
![socket\_006][socket_006]  
服务端输出为：  
![socket\_007][socket_007]

*  使用类封装客户端代码

import logging
    import sys
    import socket
    import threading
    import datetime
    
    log = logging.getLogger(__name__)
    hd = logging.StreamHandler(sys.stdout)
    hd.setFormatter(logging.Formatter("[{asctime},{thread},{threadName},{name}] {message}",style="{",datefmt="%Y-%m-%d %H:%M:%S"))
    log.addHandler(hd)
    log.setLevel(logging.INFO)
    
    class ChatClient:
        def __init__(self,ip="127.0.0.1",port=3999):
            self.sock = socket.socket()
            self.ip = ip
            self.port = port
            self.event = threading.Event()
    
        def start(self):
            self.sock.connect((self.ip,self.port))
            self.send("I am reader")
            threading.Thread(target=self.recv,name="recv").start()
    
        def recv(self): #接受客户端的数据
            while not self.event.is_set():
                try:
                    data = self.sock.recv(1024) #阻塞
                except Exception as e:
                    log.error(e)
                    break
                msg = "{:%Y-%m-%d %H:%M:%S} {}:{}\n{}\n".format(datetime.datetime.now(),self.ip,self.port,data.strip())
                log.info(msg)
    
        def send(self,msg):
            data = msg.encode()
            self.sock.send(data)
    
        def stop(self):
            self.event.set()
            self.sock.close()
            log.info("客户端已经关闭")
    
    def main():
        cc = ChatClient()
        cc.start()
        while True:
            cmd = input(">>>")
            if cmd.strip() == "quit":
                cc.stop()
                break
            cc.send(cmd) #发送消息
    
    if __name__ == '__main__':
        main()

[socket_001]: /images/20220114/3a016a24d16e4f40ae7146c533a48574.png
[socket_002]: /images/20220114/03bc1bda227a4d17bbdc2e8da2ca447f.png
[socket_003]: /images/20220114/db12b6b0be4249de842bf47321a97dde.png
[socket_004]: /images/20220114/9cfca715767147eb9fa9902a0c4cef5b.png
[socket_005]: /images/20220114/760470551d69413d8e1d2b154445add5.png
[socket_006]: /images/20220114/eae4771ad8244737a2491bf355f65b0c.png
[socket_007]: /images/20220114/42b3fd80b8be494d881531e9d222c442.png

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