python语法之socket编程初探
引言
- 什么是socket?
套接字（socket）是一个抽象层，应用程序可以通过它发送或接收数据，可对其进行像对文件一样的打开、读写和关闭等操作。套接字允许应用程序将I/O插入到网络中，并与网络中的其他应用程序进行通信。网络套接字是IP地址与端口的组合。所以，我们无需深入理解tcp/udp协议，socket已经为我们封装好了，我们只需要遵循socket的规定去编程，写出的程序自然就是遵循tcp/udp标准的。
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socket能干嘛？
- 我们学习socket就是为了完成C/S架构的开发，那什么是C/S架构开发呢？传统意义上C/S架构分为硬件C/S架构与软件C/S架构。在这里C/S架构开发一般指的是软件C/S架构。在互联网上到处都是C/S架构，如CSDN网站是服务端，你的浏览器是客户端（B/S架构也是C/S架构的一种），腾讯作为服务端为你提供视频，你得下个腾讯视频客户端才能看它的视频）。
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为什么学习socket需要懂得互联网协议？
- socket编程就是为了开发一款软件C/S架构
- C/S架构的软件（软件属于应用层）是基于网络进行通信的
- 网络的核心即一堆协议，协议即标准，你想开发一款基于网络通信的软件，就必须遵循这些标准。
- 附上一张图
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在上图中，我们没有看到Socket的影子，那么它到底在哪里呢？请看下图：
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socket发展史及分类
套接字起源于 20 世纪 70 年代加利福尼亚大学伯克利分校版本的 Unix,即人们所说的 BSD Unix。
因此,有时人们也把套接字称为“伯克利套接字”或“BSD 套接字”。一开始,套接字被设计用在同
一台主机上多个应用程序之间的通讯。这也被称进程间通讯,或 IPC。套接字有两种（或者称为有两个种族）,分别是基于文件型的和基于网络型的。
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基于文件类型的套接字家族
套接字家族的名字：AF_UNIX，unix一切皆文件，基于文件的套接字调用的就是底层的文件系统来取数据，两个套接字进程运行在同一机器，可以通过访问同一个文件系统间接完成通信。
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基于网络类型的套接字家族
套接字家族的名字：AF_INET，还有AF_INET6被用于ipv6，还有一些其他的地址家族，不过，他们要么是只用于某个平台，要么就是已经被废弃，或者是很少被使用，或者是根本没有实现，所有地址家族中，AF_INET是使用最广泛的一个，python支持很多种地址家族，但是由于我们只关心网络编程，所以大部分时候我么只使用AF_INET。
socket之Python实现
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既然是C/S架构，那么socket编程就需要实现两部分，一个是服务端，另一个是客户端。先从服务器端说起。服务器端先初始化Socket，然后与端口绑定(bind)，对端口进行监听(listen)，调用accept阻塞，等待客户端连接。在这时如果有个客户端初始化一个Socket，然后连接服务器(connect)，如果连接成功，这时客户端与服务器端的连接就建立了。客户端发送数据请求，服务器端接收请求并处理请求，然后把回应数据发送给客户端，客户端读取数据，最后关闭连接，一次交互结束（注意，就是指的是基于TCP的套接字，UDP协议的套接字更简单一些。）可以参考下图：
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具体到python中代码实现socket编程，主要是通过 socket 这个模块，这里做一个简单介绍：
import socket
socket.socket(socket_family,socket_type,protocal=0)
socket_family 可以是 AF_UNIX 或 AF_INET。socket_type 可以是
SOCK_STREAM 或 SOCK_DGRAM。protocol 一般不填,默认值为 0。
获取tcp/ip套接字
tcpSock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
获取udp/ip套接字
udpSock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
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服务端套接字函数
s.bind() 绑定(主机,端口号)到套接字
s.listen() 开始TCP监听
s.accept() 被动接受TCP客户的连接,(阻塞式)等待连接的到来 -
客户端套接字函数
s.connect() 主动初始化TCP服务器连接
s.connect_ex() connect()函数的扩展版本,出错时返回出错码,而不是抛出异常 -
公共用途的套接字函数
s.recv() 接收TCP数据
s.send() 发送TCP数据(send在待发送数据量大于己端缓存区剩余空间时,数据丢失,不会发完)
s.sendall() 发送完整的TCP数据(本质就是循环调用send,sendall在待发送数据量大于己端缓存区剩余空间时,数据不丢失,循环调用send直到发完)
s.recvfrom() 接收UDP数据
s.sendto() 发送UDP数据
s.close() 关闭套接字
- 基于TCP套接字初始版：
服务端：
# author:dayin
import socket
# 第一个参数 表示 基于网络类型的套接字家族 第二个参数表示 基于流式的 可以简单理解为 基于TCP协议
ip_port = ('127.0.0.1', 8000)
back_log = 5
buffer_size=1024
server = socket.socket(family=socket.AF_INET, type=socket.SOCK_STREAM)
server.bind(ip_port)
server.listen(back_log)
print('>>>>等待客户端连接...')
# 阻塞 等待 客户端连接
conn, address = server.accept()
print(address)
# 收到 1024个字节信息
message = conn.recv(buffer_size)
print('>>>>接收到客户端发来的数据:{}'.format(message.decode()))
# 发送数据给客户端
conn.send(message.upper())
conn.close()
server.close()
客户端：
# author:dayin
import socket
ip_port = ('127.0.0.1', 8000)
buffer_size=1024
client = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
client.connect(ip_port)
message = input('>>>请输入发送给服务端消息:')
client.send(message.encode())
rev_msg = client.recv(buffer_size)
print('收到服务器消息:{}'.format(rev_msg.decode()))
client.close()
代码实现如下图：
启动TCP服务端：
可以看出，服务端程序，阻塞在 server.accept()，等待 着客户端连接。
启动TCP客户端：
可以看出，此时服务端程序，又阻塞在 conn.recv(buffer_size) 这里，等待着客户端向服务端发送数据。
当客户端发送数据给服务端后，服务端和客户端都终止运行了。此时，服务端收到客户端的数据"hello world"，并将其转化为大写字符"HELLO WORLD"并传送给客户端，这样，就是实现了 服务端和客户端的一次通信。
But，这很显然不符合C/S架构，C/S架构需要实现的是，服务端一直运行下去，不能因为客户端的断开，而服务端也要断开连接。此外，服务端和客户端只进行一次通信，这也是不合理的。这时，就需要加入 链接循环（为了使得服务器一直运行下去，等待着客户端的连接。） 与 消息循环（为了实现客户端和服务端的多次通信）。
- 基于TCP套接字进阶版：
服务端：
# author:dayin
import socket
ip_port = ('127.0.0.1', 8000)
buffer_size = 1024
backlog = 5
# 第一个参数 表示 基于网络类型的套接字家族 第二个参数表示 基于流式的 可以简单理解为 基于TCP协议
server = socket.socket(family=socket.AF_INET, type=socket.SOCK_STREAM)
server.bind(ip_port)
# listen(5) 表示 最多可以有5个客户接入，这里的接入应指的是等待
server.listen(backlog)
# 链接循环
while True:
print('>>>>等待客户端连接...')
# 阻塞 等待 客户端连接
conn, address = server.accept()
print('客户端>>>', address, '连接>>>>')
# 消息循环
while True:
message = conn.recv(buffer_size)
if not message: break
print('>>>>接收到客户端发来的数据:{}'.format(message.decode()))
# 发送数据给 客户端
conn.send(message.upper())
conn.close()
客户端：
# author:dayin
# Date:2019/7/26 0026
import socket
ip_port = ('127.0.0.1', 8000)
buffer_size = 1024
client = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
client.connect(ip_port)
while True:
message = input('>>>请输入发送给服务端消息(输入quit退出链接):')
if message == 'quit': break
client.send(message.encode())
rev_msg = client.recv(buffer_size)
print('收到服务器消息:{}'.format(rev_msg.decode()))
client.close()
结果如下图：
启动服务端：
启动客户端：
客户端正常退出：
服务端此时并未退出，而是继续监听，等待下一个客户端连接：
PS:
- 代码还有改进的地方，当客户端异常断开时，服务端将会抛出如下图的异常：（解决思路，在消息循环中加入 try except 捕捉异常即可）
- 未能实现并发，即当一个客户端和服务端连接上后，如果此时还有一个客户端连接到服务端，那么该客户端需要等待其它客户端断开连接后，才能够与服务端进行连接。解决思路：使用socketserver，我将在另一篇博客进行实现。
- 当客户端直接键入回车时，发现客户端和服务端都阻塞了，这是为什么呢？这里涉及到一些底层原理，这里我只简单解释一下，如需了解更深，请自行查询资料。客户端和服务端进行通信时，表面上似乎是客户端将信息传给服务端，内部的实现是不可见的。这里的内部实现，其实是客户端将需要传递的消息传递给缓存，缓存负责将消息传递给服务端的缓存，也就是说服务端获得消息是从服务端的缓存中获得的，So，当客户端向缓存发送空时，客户端的缓存并未收到任何消息，一直在阻塞着，而服务端的缓存也未收到客户端的缓存，也一直阻塞着，这就导致客户端和服务端互相阻塞。解决思路：在客户端中加上一个判断即可
if not messge: continue
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基于UDP套接字的简单示例（聊天室）
由于UDP是无连接的，所以可以同时多个客户端去跟服务端通信。也就不存在链接循环。
服务端：
# author:dayin
import socket
ip_port = ('192.168.1.2', 8080)
buffer_size = 1024
# UDP 是数据报格式
server = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM) # 数据报
# 绑定ip 和 端口
server.bind(ip_port)
print('等待客户端连接....')
# 服务端循环，等待客户端连接
while True:
msg, addr = server.recvfrom(buffer_size)
print('收到客户端 ip_port为{},收到消息为 {}'.format(addr, msg.decode()))
# 发送消息给客户端
server.sendto(msg.upper(), addr)
客户端：
# author:dayin
import socket
client = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
ip_port = ('192.168.1.2', 8080)
buffer_size = 1024
while True:
msg = input('>>>>').strip()
# 发送消息给服务端
client.sendto(msg.encode(), ip_port)
# 接收服务端的消息
data, addr = client.recvfrom(buffer_size)
print('收到服务端的消息为:', data.decode())
结果如下图：
启动服务端：
启动两个客户端：
PS：
- udp是无链接的，先启动哪一端都不会报错。
- udp服务端可以接入多个客户端
- udp客户端只输入回车时，服务端和客户端并不会像TCP一样阻塞，这是因为udp发送消息时，都带有数据报头信息，这样即使数据报内容是空的，发送给客户端缓存时，并不是空的！所以，客户端的缓存能够将数据报发送给服务端的缓存，服务端程序就能接收到客户端的消息，此时的消息为空。