python网络编程一

Socket 套接字

Socket套接字。Socket是一种通用的网络编程接口，和网络层次没有一一对应的关系。
Python中标准库中提供了socket模块。socket模块中也提供了socket类，实现了对底层接口的封装，socket模块是非常底层的接口库;

• socket类定义为

socket(family=AF_INET, type=SOCK_STREAM, proto=0, fileno=None)

协议族

AF表示Address Family, 用于socket()第一个参数;

Socket类型

TCP协议是流协议，也就是一大段数据看做字节流，一段段持续发送这些字节。
UDP协议是数据报协议，每一份数据封在一个单独的数据报中，一份一份发送数据。

socket 常用方法

socket类创建出socket对象，这个对象常用的方法如下

TCP

C/S编程

Socket 编程是一种完成一端和另一端通信的编程方式，通常这两端分别处在不同的进程中，实现网络通信。在 Socket 编程中，每个 socket 对象表示了通信的一端。

从业务角度来看，通信的两端分别具有不同的角色：

• 客户端（Client）：主动发送请求的一端，负责向服务端发起通信请求。
• 服务端（Server）：被动接受请求并回应的一端，负责监听客户端的连接并处理请求。

这种编程模式通常被称为 C/S 编程（Client/Server Programming），在网络应用中被广泛应用。

服务器端编程步骤

1. 创建 Socket 对象：

   • 创建用于网络通信的 Socket 对象。

2. 绑定 IP 地址和端口：

   • 使用 bind() 方法将 IP 地址和端口绑定到 Socket 对象。
   • IPv4 地址表示为一个二元组，包含 IP 地址字符串和端口号。

3. 开始监听：

   • 使用 listen() 方法在指定的 IP 地址和端口上开始监听连接请求。

4. 接受客户端连接：

   • 使用 accept() 方法阻塞等待客户端建立连接。
   • accept() 方法返回一个新的 Socket 对象和客户端地址的二元组。
   • 客户端地址通常表示为远程客户端的 IP 地址和端口号。

5. 接收数据：

   • 使用新建立的 Socket 对象的 recv(bufsize, flags) 方法接收数据。
   • 可以指定缓冲区大小来接收数据。

6. 发送数据：

   • 使用新建立的 Socket 对象的 send(bytes) 方法发送数据。

import socket
import sys 
server = socket.socket()
addr = '127.0.0.1', 9999
server.bind(addr) # 没有端口
server.listen() # netstat ss -l # 队列长度
print(server,file=sys.stderr)
newsock,raddr = server.accept() # 阻塞方法

print(newsock.getpeername())
print(newsock.getsockname())
newsock.send(b'hello')
data = newsock.recv(1024) # 也是一个新的阻塞方法
print(type(data),data)
msg = "data message is {}".format(data)
newsock.send(msg.encode())

s1, radd1 = server.accept() # 允许一个连接
data = s1.recv(1024)
print(data, '~~~~~~~~~~~~~~~')

server.close()

# 可以使用telnet 连接本地的9999端口进行测试

• socket 示例,实现多人群聊的后端服务

# 实现一个群聊工具server端

import socket
import threading
import logging
import time 

FORMAT = '%(asctime)s %(threadName)s %(thread)d %(message)s'
logging.basicConfig(level=logging.INFO, format=FORMAT)

# 暂时实现了一个echo server
class ChatServer:
    def __init__(self,ip='127.0.0.1',port=9999):
        self.addr = ip, port # 服务器的地址
        self.sock = socket.socket() # 创建一个socket对象
        self.event = threading.Event() # 事件对象
        self.clients = {} # 用于存储客户端的连接
        self.lock = threading.Lock() # 锁对象

    def start(self):
        self.sock.bind(self.addr) # 绑定地址
        self.sock.listen() # 监听

        threading.Thread(target=self.accept, name='accept').start() # 启动一个线程，用于接收客户端的连接

    def accept(self): # 接收客户端的连接
        count = 1 # 用于记录客户端的数量
        while not self.event.is_set(): # 事件对象没有被设置
            try: 
                newsock, raddr = self.sock.accept() # 接收客户端的连接
            except ConnectionAbortedError: # 客户端连接被中断
                logging.error('client is closed')
                continue
            self.clients[raddr] = newsock # 存储客户端的连接
            logging.info(newsock) # 打印客户端的连接
            threading.Thread(target=self.recv, name=f'recv-{count}',args=(newsock, raddr)).start() # 启动一个线程，用于接收客户端的消息
            count += 1 # 客户端的数量加1


    def recv(self,sock,raddr):
        while not self.event.is_set(): # 事件对象没有被设置 
            try:
                data = sock.recv(1024) # 接收客户端的消息
            except Exception as e:
                logging.error(e)
                data = b''
            if data.strip().rstrip() == b'' or data.strip().rstrip() == b'quit': # 客户端发送了空消息或者quit 
                with self.lock: # 锁住
                    self.clients.pop(raddr) # 删除客户端的连接
                logging.info("{} bye.".format(raddr)) # 打印客户端的地址
                sock.close() # 关闭客户端的连接
                break
            msg = "from {}: {}. data = {}".format(*raddr, data) # 消息

            logging.info(msg) # 打印消息
            with self.lock: # 锁住
                for s in self.clients.values(): # 遍历客户端的连接
                    s.send(msg.encode()) # 发送消息

    def stop(self):
        self.event.set()  # 设置事件对象，停止接收新连接
        with self.lock:  # 锁住,以确保线程的安全
            for s in self.clients.values():  # 遍历客户端的连接
                s.close()  # 关闭连接
            self.clients.clear()  # 清空客户端连接字典
        self.sock.close()  # 关闭服务器的连接


if __name__ == '__main__':  
    cs = ChatServer() # 创建ChatServer对象
    cs.start() # 启动服务
    while True:
        cmd = input('>>').strip()
        if cmd == 'quit':
            cs.stop()
            threading.Event().wait(3)
            break
        logging.info(threading.enumerate()) # 打印线程的信息
        logging.info(cs.clients) # 打印客户端的连接
# 使用telnet 可以连接到服务器进行测试

MakeFile

# 实现一个群聊工具server端

import socket
import threading
import logging
import time 

FORMAT = '%(asctime)s %(threadName)s %(thread)d %(message)s'
logging.basicConfig(level=logging.INFO, format=FORMAT)

# 暂时实现了一个echo server
class ChatServer:
    def __init__(self,ip='127.0.0.1',port=9999):
        self.addr = ip, port # 服务器的地址
        self.sock = socket.socket() # 创建一个socket对象
        self.event = threading.Event() # 事件对象
        self.clients = {} # 用于存储客户端的连接
        self.lock = threading.Lock() # 锁对象

    def start(self):
        self.sock.bind(self.addr) # 绑定地址
        self.sock.listen() # 监听

        threading.Thread(target=self.accept, name='accept').start() # 启动一个线程，用于接收客户端的连接

    def accept(self): # 接收客户端的连接
        count = 1 # 用于记录客户端的数量
        while not self.event.is_set(): # 事件对象没有被设置
            try: 
                newsock, raddr = self.sock.accept() # 接收客户端的连接
                f = newsock.makefile('rw') # 读写都使用文本
            except ConnectionAbortedError: # 客户端连接被中断
                logging.error('client is closed')
                continue
            with self.lock:
                self.clients[raddr] = f,newsock # 存储客户端的连接
            logging.info(newsock) # 打印客户端的连接
            threading.Thread(target=self.recv, name=f'recv-{count}',args=(f, raddr)).start() # 启动一个线程，用于接收客户端的消息
            count += 1 # 客户端的数量加1


    def recv(self,f,raddr):
        while not self.event.is_set(): # 事件对象没有被设置 
            try:
                #data = sock.recv(1024) # 接收客户端的消息
                data = f.readline().strip() # 读取一行 \n 带有换行符
            except Exception as e:
                logging.error(e)
                data = ''
            if data == '' or data == 'quit': # 客户端发送了空消息或者quit 
                with self.lock: # 锁住
                    _, sock = self.clients.pop(raddr) # 弹出客户端的连接
                    sock.close()
                    f.close()
                break
            msg = "from {}: {}. data = {}".format(*raddr, data) # 消息

            logging.info(msg) # 打印消息
            with self.lock: # 锁住
                for ff, _ in self.clients.values(): # 遍历客户端的连接
                    # s.send(msg.encode()) # 发送消息
                    ff.write(msg)
                    ff.flush()

    def stop(self):
        self.event.set()  # 设置事件对象，停止接收新连接
        with self.lock:  # 锁住,以确保线程的安全
            for s in self.clients.values():  # 遍历客户端的连接
                s.close()  # 关闭连接
            self.clients.clear()  # 清空客户端连接字典
        self.sock.close()  # 关闭服务器的连接


if __name__ == '__main__':  
    cs = ChatServer() # 创建ChatServer对象
    cs.start() # 启动服务
    while True:
        cmd = input('>>').strip()
        if cmd == 'quit':
            cs.stop()
            threading.Event().wait(3)
            break
        logging.info(threading.enumerate()) # 打印线程的信息
        logging.info(cs.clients) # 打印客户端的连接
# 使用telnet 可以连接到服务器进行测试

客户端的实现

import socket
import threading
import logging
import termcolor

FORMAT = '%(asctime)s %(threadName)s %(thread)d %(message)s'
logging.basicConfig(level=logging.INFO, format=FORMAT)

# 实现一个群聊工具客户端

class ChatClient:
    def __init__(self, rip='127.0.0.1', rport=9999): # 初始化, 默认连接服务器的地址
        self.raddr = rip, rport # 服务器的地址
        self.sock = socket.socket() # 创建一个socket对象
        self.event = threading.Event() # 事件对象

    def start(self):
        try: 
            self.sock.connect(self.raddr) # 连接服务器
            self.sock.send(b'hello\r\n') # 发送消息
            logging.info(self.sock) # 打印连接
            threading.Thread(target=self.recv, name='recv').start()# 启动一个线程，用于接收服务器的消息
        except Exception as e:
            logging.error(e) # 打印错误
    def recv(self):
        while not self.event.is_set():
            try:
                data = self.sock.recv(1024) # 接收服务器的消息
                msg = 'data={}'.format(data) # 消息
                self.sock.send(data) # 发送消息
                logging.info(termcolor.colored(msg, 'blue')) #打印消息   
            except Exception as e:
                logging.error(e) # 打印错误
    def send(self, msg:str):
        data = "{}\n".format(msg).encode() # 发送的消息
        print(data) # 打印消息
        self.sock.send(data)
    def stop(self):
        self.event.set()
        self.sock.close()

def inter(client:ChatClient):
    while not client.event.is_set(): # 事件对象没有被设置
        cmd = input(termcolor.colored('>>>', 'green')).strip() # 输入命令
        if cmd == 'quit': 
            client.stop() # 停止客户端
            break
        client.send(cmd) # 发送退出消息q

def main():
    cs = ChatClient()
    try:
        cs.start()
        threading.Thread(target=inter, name='inter', args=(cs,)).start()
    except Exception as e:
        logging.error(e)

if __name__ == '__main__':
    main()
# 可以python 在多个控制台启动测试

SocketServer

• socket编程过于底层，编程虽然有套路，但是想要写出健壮的代码还是比较困难的，所以很多语言都对socket底层API进行封装，Python的封装就是socketserver模块。它是网络服务编程框架，便于企业级快速开发;

类的继承关系

+------------+        
| BaseServer |    
+------------+
      |                       
      V                        
+------------+             +-------------------+
| TCPServer  | --------->  |  UnixStreamServer |
+------------+             +-------------------+
      |                           |
      V                           V
+------------+             +---------------------+
| UDPServer  | --------->  | unixDatagramServer  |
+------------+             +---------------------+

• SocketServer简化了网络服务器的编写

• SocketServer 提供了简化网络服务器编写的工具，包括以下同步类和 mixin 类：

同步类：

1. TCPServer：TCP 协议的服务器类。
2. UDPServer：UDP 协议的服务器类。
3. UnixStreamServer：基于 Unix 套接字的流式服务器类。
4. UnixDatagramServer：基于 Unix 套接字的数据报服务器类。

Mixin 类：

1. ForkingMixIn：用于支持基于多进程的并发。
2. ThreadingMixIn：用于支持基于多线程的并发。

混合类：

• 通过组合同步类和 mixin 类，可以得到不同类型的服务器：
  • ForkingUDPServer(ForkingMixIn, UDPServer)
  • ForkingTCPServer(ForkingMixIn, TCPServer)
  • ThreadingUDPServer(ThreadingMixIn, UDPServer)
  • ThreadingTCPServer(ThreadingMixIn, TCPServer)

说明：

• ForkingMixIn 用于创建多进程服务器，而 ThreadingMixIn 用于创建多线程服务器。
• 需要注意，fork 操作需要操作系统的支持，而 Windows 平台不支持 fork.

import socketserver

class MyHandler(socketserver.BaseRequestHandler):
    def handle(self):
        print("=" * 30)
        print(self.request) # 与客户端通信的socket对象
        print(self.client_address)
        print(id(self.server), self.server)
        print("=" * 30)

server = socketserver.TCPServer(('127.0.0.1',9999),MyHandler)
print(id(server))
server.handle_request()

# 4298556464
# ==============================
# <socket.socket fd=4, family=AddressFamily.AF_INET, type=SocketKind.SOCK_STREAM, proto=0, laddr=('127.0.0.1', 9999), raddr=('127.0.0.1', 56343)>
# ('127.0.0.1', 56343)
# 4298556464 <socketserver.TCPServer object at 0x10036c430>
# ==============================

BaseRequestHandler类

BaseRequestHandler 类是用于处理用户连接和请求的基类，定义如下：

BaseRequesthandler (request, client_address, server)
当服务端 Server 实例接收到用户请求时，会实例化这个类。它被初始化时，会传入三个构造参数：request、client_address、server。

在 BaseRequestHandler 类的实例上，可以使用以下属性：

• self.request：与客户端的连接的 socket 对象。
• self.server：TCPServer 实例本身。
• self.client_address：客户端地址。
  这个类在初始化时，会依次调用三个方法。子类可以覆盖这些方法。

创建服务器的步骤总结

创建服务器的过程通常包括以下几个步骤：

1. 创建请求处理程序类：

   • 从 BaseRequestHandler 类派生出子类，并重写其 handle() 方法，用于处理传入的请求。

2. 实例化服务器类：

   • 实例化一个服务器类，通常是 TCPServer、UDPServer 或其衍生类。
   • 传入服务器的地址和请求处理程序类作为参数。

3. 启动服务器：

   • 调用服务器实例的 handle_request() 方法，或者使用 serve_forever() 方法启动服务器并持续监听请求。
   • 服务器会开始接受并处理传入的请求。

4. 关闭服务器：

   • 在适当的时候，调用 server_close() 方法关闭服务器的套接字，释放相关资源。

通过以上步骤，可以创建一个简单的服务器，用于处理客户端的请求。

总结

在使用 socketserver 模块创建服务器时，通常会遵循以下步骤和原则：

1. 为每个连接提供 RequestHandlerClass 实例：

   • 为每个连接创建一个请求处理程序类的实例，该类通常是从 BaseRequestHandler 类派生而来的。
   • 该实例会依次调用 setup()、handle()、finish() 方法，以处理连接的请求。
   • 使用 try..finally 结构确保 finish() 方法一定被调用，即使出现异常情况。

2. 循环处理连接：

   • 如果想要保持与客户端的通信，需要在 handle() 方法中使用循环，持续处理来自客户端的请求。

3. 简化编程接口：

   • socketserver 模块提供了多种类，如 TCPServer、UDPServer 以及多进程、多线程的类等。
   • 尽管类别不同，但编程接口是一致的，这大大简化了编程的复杂度。
   • 程序员只需专注于实现请求处理程序类（Handler 类），而不必担心底层的网络通信细节。

通过以上步骤和原则，可以有效地利用 socketserver 模块来创建服务器，并简化网络编程的过程，使程序员能够更专注于业务逻辑的实现。

import socketserver
import time 
import threading   

class MyHandler(socketserver.BaseRequestHandler):
    def handle(self):
        print("=" * 30)
        print(self.request) # 与客户端通信的socket对象
        print(self.client_address)
        print(id(self.server), self.server)
        print("=" * 30)
        while True:
            data = self.request.recv(1024)
            msg = "from {}: {}. data = {}".format(*self.client_address, data)
            self.request.send(msg.encode())

server = socketserver.ThreadingTCPServer(('127.0.0.1',9999),MyHandler)
print(id(server))
server.serve_forever()

threading.Thread(target=server.serve_forever,name='serve').start()

while True:
    cmd = input('>>')
    if cmd == 'quit':
        server.server_close()
    print(threading.enumerate())

• 使用socketserver 改写服务端

# 用socketserver 改写ChatServer

import socketserver
import threading
from socketserver import BaseRequestHandler, StreamRequestHandler
import termcolor
import logging

FORMAT = '%(asctime)s %(threadName)s %(thread)d %(message)s'

logging.basicConfig(level=logging.INFO, format=FORMAT)


class ChatHandler(StreamRequestHandler): # 继承StreamRequestHandler,重写handle方法,用于处理客户端的连接,读写数据
    clients = {} # 用于存储客户端的连接
    def setup(self) -> None:
        super().setup()
        self.event = threading.Event() 
        self.clients[self.client_address] = self.wfile # 存储客户端的连接
        self.clock = threading.Lock() # 锁对象
    def handle(self) -> None:
        super().handle()
        while not self.event.is_set():
            data = self.rfile.readline().strip() # 读取一行 \n 带有换行符
            if data == b'' or data == b'quit':
                with self.clock: # 锁住
                    self.wfile.close()   # 关闭文件
                    self.clients.pop(self.client_address) # 弹出客户端的连接
                break
            msg = "from {}: {}. message = {}".format(*self.client_address, data)
            logging.info(termcolor.colored(msg, 'blue'))
            with self.clock:
                for c in self.clients.values():
                    c.write(msg.encode())
                    c.flush()

    def finish(self) -> None:
        super().finish()
        self.event.set()
        with self.clock:
            if self.client_address in self.clients:
                self.clients.pop(self.client_address)
                self.wfile.close()



class ChatServer:
    def __init__(self, ip='127.0.0.1',port=9999,HanderClass=ChatHandler):
        self.addr = ip, port
        self.server = socketserver.ThreadingTCPServer(self.addr, HanderClass)
        self.stop_event = threading.Event() 
    def start(self):
        threading.Thread(target=self.server.serve_forever, name='forever').start()

    def stop(self):
        if self.server:
            self.server.server_close()
            self.server.shutdown()
        self.stop_event.set()


if __name__ == '__main__':
    cs = ChatServer()
    cs.start()
    while True:
        cmd = input(termcolor.colored('>>', 'green')).strip()
        if cmd == 'quit':
            cs.stop()
            break
    print(threading.enumerate())