python之TCP的网络应用程序开发

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python3编码转换

• 在网络传输数据的时候，数据需要先编码转化为二进制（bytes）数据类型
  

函数名	说明
encode	编码 将字符串转化为字节码
decode	解码 将字节码转化为字符串

• encoed()和decode()函数可以接受参数,encoding是指在编解码过程中使用的编码方案。

  bytes.decode(encoding=“utf-8”)
  str.encode(encoding=”utf-8”)
  

socket类的使用

• Python的 socket 类是Python标准库的一部分，用于提供对低级网络接口的访问。支持IPv4、IPv6、TCP、UDP等协议，允许创建基于网络的应用程序，如服务器和客户端。

创建Socket对象

• 要使用 socket 类，首先需要导入 socket 模块，然后创建一个 socket 对象。可以通过调用 socket.socket() 方法并传递相应的参数来创建一个socket。

  import socket
  # 创建一个socket对象，默认是IPv4和TCP协议
  # socket.socket(AddressFamily, Type)
  s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
  

Socket对象常用方法和参数

方法/参数	类型/描述	示例/默认值	说明
socket()	构造函数		用于创建socket对象
family	参数	socket.AF_INET	地址族，确定了socket的类型（IPv4或IPv6）
type	参数	socket.SOCK_STREAM	指定了socket的通信类型（TCP或UDP）
proto	参数	0	协议编号，默认为0，由系统选择合适的协议
fileno	参数	None	可以指定一个文件描述符
bind(address)	方法		绑定地址到socket
address	参数	('localhost', 12345)	一个包含主机名和端口号的元组
listen(backlog)	方法		开始监听传入连接
backlog	参数	5	定义了等待队列的大小
accept()	方法		接受一个连接，返回(conn, address)
connect(address)	方法		用于客户端连接服务器
send(bytes)	方法		发送数据，参数为字节数据
recv(bufsize)	方法		接收数据，指定最大数据量
bufsize	参数	1024	接收数据的缓冲区大小
close()	方法		关闭socket连接

使用示例

服务器端代码

import socket

# 创建socket对象
server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

# 绑定地址（host，port）
server_socket.bind(('localhost', 12345))

# 开始监听
server_socket.listen()

print("服务器启动，等待连接...")

# 接受连接
connection, address = server_socket.accept()
print(f"连接来自 {address}")

# 接收数据
data = connection.recv(1024)
print(f"接收到的数据: {data.decode()}")

# 发送数据
connection.send("Hello, client!".encode())

# 关闭连接
connection.close()

客户端代码

import socket

# 创建socket对象
client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

# 连接服务器
client_socket.connect(('localhost', 12345))

# 发送数据
client_socket.send("Hello, server!".encode())

# 接收数据
data = client_socket.recv(1024)
print(f"接收到的数据: {data.decode()}")

# 关闭连接
client_socket.close()

这仅仅是一个非常简单的例子，实际应用中还需要处理错误、多线程或多进程处理多个连接、非阻塞IO等复杂情况。

TCP客户端程序开发流程

• TCP网络应用程序开发分为:

  • TCP客户端程序开发，运行在服务器设备上的程序，专门为客户端提供数据服务。
  • TCP服务端程序开发，运行在用户设备上的程序

• TCP客户端程序开发流程

  1. 创建客户端套接字对象(买电话)
  2. 和服务端套接字建立连接(打电话)
  3. 发送数据(说话)
  4. 接收数据(接听)
  5. 关闭客户端套接字(挂电话)
     

• TCP客户端开发程序流程

  1. 创建客户端套接字对象
  2. 和服务端套接字建立连接
  3. 发送数据
  4. 接收数据
  5. 关闭客户端套接字

import socket

if __name__ == '__main__':
    # 1.创建客户端套接字对象
    tcp_client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    # 2.和服务端套接字建立连接
    tcp_client_socket.connect(("localhost", 8080))
    # 3.发送数据
    tcp_client_socket.send("hello".encode(encoding="utf-8"))
    # 4.接收数据 recv阻塞等待数据的到来
    recv_data = tcp_client_socket.recv(1024)
    print(recv_data.decode())
    # 5.关闭客户端套接字
    tcp_client_socket.close()

TCP服务端程序开发流程

1. 创建服务端端套接字对象
2. 绑定IP地址和端口号
3. 设置监听
4. 等待接受客户端的连接请求
5. 接收数据
6. 发送数据
7. 关闭套接字

import socket

if __name__ == '__main__':
    # 1.创建服务端套接字对象
    tcp_server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    # 2. 绑定IP地址和端口号
    # bind中的参数第一个ip地址元素设置为"",默认为本机ip地址
    tcp_server_socket.bind(("", 8080))
    # 3.设置监听 128:代表服务端等待排队连接的最大数量
    tcp_server_socket.listen(128)
    # 4.等待接受客户端的连接请求 accept阻塞等待 返回一个用以和客户端通socket,客户端的地址
    conn_socket, ip_port = tcp_server_socket.accept()
    print("客户端地址:", ip_port)
    # 5.接收数据
    recv_data = conn_socket.recv(1024)
    print("接收到的数据:", recv_data.decode())
    # 6.发送数据
    conn_socket.send("客户端你的数据我收到了".encode())
    # 7.关闭套接字
    conn_socket.close()
    tcp_server_socket.close()

TCP网络应用程序注意点

1. 当TCP客户端程序想要和TCP服务端程序进行通信的时候必须要先建立连接
2. TCP客户端程序一般不需要绑定端口号，因为客户端是主动发起建立连接的
3. TCP服务端程序必须绑定端口号，否则客户端找不到这个TCP服务端程序。
4. listen后的套接字是被动套接字，只负责接收新的客户端的连接请求，不能收发消息
5. 当TCP客户端程序和TCP服务端程序连接成功后，TCP服务器端程序会产生一个新的套接字，收发客户端消息使用该套接字.
6. 关闭accept返回的套接字意味着和客户端已经通信完毕 。 当客户端的套接字调用close后，服务器端的recv会解阻塞,返回的数据长度为0，服务端可以通过返回数据的长度来判断客户端是否已经下线，反之服务端关闭套接字，客户端的recv也会解阻塞，返回的数据长度也为0。

socket之send和recv原理剖析

• 当创建一个TCP socket对象的时候会有一个发送缓冲区和一个接收缓冲区，这个发送和接收缓冲区指的就是内存中的一片空间。

send原理剖析

• send发送数据给服务端：必须得通过网卡发送数据，应用程序是无法直接通过网卡发送数据的，它需要调用操作系统接口，也就是说，应用程序把发送的数据先写入到发送缓冲区(内存中的一片空间)，再由操作系统控制网卡把发送缓冲区的数据发送给服务端网卡。

recv原理剖析

• recv从客户端接收数据：应用软件是无法直接通过网卡接收数据的，它需要调用操作系统接口，由操作系统通过网卡接收数据，把接收的数据写入到接收缓冲区(内存中的一片空间），应用程序再从接收缓存区获取客户端发送的数据。

send和recv原理剖析图

• 不管是recv还是send都不是直接接收到对方的数据和发送数据到对方，发送数据会写入到发送缓冲区，接收数据是从接收缓冲区来读取，发送数据和接收数据最终是由操作系统控制网卡来完成。

多任务版TCP服务端程序开发

• 实现步骤分析:
  

1. 编写一个TCP服务端程序，循环等待接受客户端的连接请求

   while True:
     service_client_socket, ip_port = tcp_server_socket.accept()
   

2. 当客户端和服务端建立连接成功，创建子线程，使用子线程专门处理客户端的请求，防止主线程阻塞

while True:
  service_client_socket, ip_port = tcp_server_socket.accept()
  sub_thread = threading.Thread(target=handle_client_request, args=(service_client_socket, ip_port))
  sub_thread.start()

• 完整代码：

import socket
import threading


# 处理客户端函数
def handle_client(conn_socket):
    # 5.接收数据
    recv_data = conn_socket.recv(1024)
    print("接收到的数据:", recv_data.decode())
    # 6.发送数据
    conn_socket.send("收到客户端数据：".encode())
    # 7.关闭套接字
    conn_socket.close()


# 1 使用循环接收客户端的连接请求
if __name__ == '__main__':
    # 1.创建服务端套接字对象
    tcp_server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    # 设置端口号复用，让程序退出端口号立即释放
    tcp_server_socket.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, True)
    # 2. 绑定IP地址和端口号
    # 如果bind中的参数第一个ip地址元素设置为"",默认为本机ip地址
    tcp_server_socket.bind(("", 8888))
    # 3.设置监听 128:代表服务端等待排队连接的最大数量
    tcp_server_socket.listen(128)

    while True:
        # 4.等待接受客户端的连接请求 accept阻塞等待 返回一个用以和客户端通socket,客户端的地址
        conn_socket, ip_port = tcp_server_socket.accept()
        print("客户端地址:", ip_port)

        # 使用多线程去接收多个客户端的请求 设置守护主线程
        sub_thread = threading.Thread(target=handle_client, args=(conn_socket,), daemon=True)

        sub_thread.start()

    tcp_server_socket.close()