Python（七）Socket编程、IO多路复用、SocketServer

2021-12-18 04:00:52

本章内容：

Socket
IO多路复用（select）
SocketServer 模块（ThreadingTCPServer源码剖析）

Socket

socket通常也称作"套接字"，用于描述IP地址和端口，是一个通信链的句柄，应用程序通常通过"套接字"向网络发出请求或者应答网络请求。

功能：

sk = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM,0)

参数一：地址簇

　　socket.AF_INET IPv4（默认）
　　socket.AF_INET6 IPv6

　　socket.AF_UNIX 只能够用于单一的Unix系统进程间通信

参数二：类型

　　socket.SOCK_STREAM　　流式socket , for TCP （默认）
　　socket.SOCK_DGRAM　　数据报式socket , for UDP

　　socket.SOCK_RAW 原始套接字，普通的套接字无法处理ICMP、IGMP等网络报文，而SOCK_RAW可以；其次，SOCK_RAW也可以处理特殊的IPv4报文；此外，利用原始套接字，可以通过IP_HDRINCL套接字选项由用户构造IP头。
　　socket.SOCK_RDM 是一种可靠的UDP形式，即保证交付数据报但不保证顺序。SOCK_RAM用来提供对原始协议的低级访问，在需要执行某些特殊操作时使用，如发送ICMP报文。SOCK_RAM通常仅限于高级用户或管理员运行的程序使用。
　　socket.SOCK_SEQPACKET 可靠的连续数据包服务

参数三：协议

　　0　　（默认）与特定的地址家族相关的协议,如果是 0 ，则系统就会根据地址格式和套接类别,自动选择一个合适的协议

UDP Demo

sk.bind(address)

　　s.bind(address) 将套接字绑定到地址。address地址的格式取决于地址族。在AF_INET下，以元组（host,port）的形式表示地址。

sk.listen(backlog)

　　开始监听传入连接。backlog指定在拒绝连接之前，可以挂起的最大连接数量。

backlog等于5，表示内核已经接到了连接请求，但服务器还没有调用accept进行处理的连接个数最大为5
这个值不能无限大，因为要在内核中维护连接队列

sk.setblocking(bool)

　　是否阻塞（默认True），如果设置False，那么accept和recv时一旦无数据，则报错。

sk.accept()

　　接受连接并返回（conn,address）,其中conn是新的套接字对象，可以用来接收和发送数据。address是连接客户端的地址。

　　接收TCP 客户的连接（阻塞式）等待连接的到来

sk.connect(address)

　　连接到address处的套接字。一般，address的格式为元组（hostname,port）,如果连接出错，返回socket.error错误。

sk.connect_ex(address)

　　同上，只不过会有返回值，连接成功时返回 0 ，连接失败时候返回编码，例如：10061

sk.close()

　　关闭套接字

sk.recv(bufsize[,flag])

　　接受套接字的数据。数据以字符串形式返回，bufsize指定最多可以接收的数量。flag提供有关消息的其他信息，通常可以忽略。

sk.recvfrom(bufsize[.flag])

　　与recv()类似，但返回值是（data,address）。其中data是包含接收数据的字符串，address是发送数据的套接字地址。

sk.send(string[,flag])

　　将string中的数据发送到连接的套接字。返回值是要发送的字节数量，该数量可能小于string的字节大小。即：可能未将指定内容全部发送。

sk.sendall(string[,flag])

　　将string中的数据发送到连接的套接字，但在返回之前会尝试发送所有数据。成功返回None，失败则抛出异常。

内部通过递归调用send，将所有内容发送出去。

sk.sendto(string[,flag],address)

　　将数据发送到套接字，address是形式为（ipaddr，port）的元组，指定远程地址。返回值是发送的字节数。该函数主要用于UDP协议。

sk.settimeout(timeout)

　　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。一般，超时期应该在刚创建套接字时设置，因为它们可能用于连接的操作（如 client 连接最多等待5s ）

sk.getpeername()

　　返回连接套接字的远程地址。返回值通常是元组（ipaddr,port）。

sk.getsockname()

　　返回套接字自己的地址。通常是一个元组(ipaddr,port)

sk.fileno()

　　套接字的文件描述符

IO 多路复用

I/O多路复用指：通过一种机制，可以监视多个描述符，一旦某个描述符就绪（一般是读就绪或者写就绪），能够通知程序进行相应的读写操作。

Linux中的 select，poll，epoll 都是IO多路复用的机制。

Python中有一个select模块，其中提供了：select、poll、epoll三个方法，分别调用系统的 select，poll，epoll 从而实现IO多路复用。

Windows Python：

    提供： select
Mac Python：

    提供： select
Linux Python：

    提供： select、poll、epoll

注意：网络操作、文件操作、终端操作等均属于IO操作，对于windows只支持Socket操作，其他系统支持其他IO操作，但是无法检测普通文件操作自动上次读取是否已经变化。

对于select方法：

句柄列表11, 句柄列表22, 句柄列表33 = select.select(句柄序列1, 句柄序列2, 句柄序列3, 超时时间)

参数： 可接受四个参数（前三个必须）
返回值：三个列表

select方法用来监视文件句柄，如果句柄发生变化，则获取该句柄。

1、当 参数1 序列中的句柄发生可读时（accetp和read），则获取发生变化的句柄并添加到 返回值1 序列中

2、当 参数2 序列中含有句柄时，则将该序列中所有的句柄添加到 返回值2 序列中

3、当 参数3 序列中的句柄发生错误时，则将该发生错误的句柄添加到 返回值3 序列中

4、当 超时时间 未设置，则select会一直阻塞，直到监听的句柄发生变化

   当 超时时间 ＝ 1时，那么如果监听的句柄均无任何变化，则select会阻塞 1 秒，之后返回三个空列表，如果监听的句柄有变化，则直接执行。

利用select监听终端操作实例

利用select实现伪同时处理多个Socket客户端请求：服务端

利用select实现伪同时处理多个Socket客户端请求：客户端

此处的Socket服务端相比与原生的Socket，他支持当某一个请求不再发送数据时，服务器端不会等待而是可以去处理其他请求的数据。但是，如果每个请求的耗时比较长时，select版本的服务器端也无法完成同时操作。

基于select实现socket服务端

SocketServer 模块

SocketServer内部使用 IO多路复用以及 “多线程” 和 “多进程” ，从而实现并发处理多个客户端请求的Socket服务端。

+------------+
| BaseServer |
+------------+
      |
      v
+-----------+        +------------------+
| TCPServer |------->| UnixStreamServer |
+-----------+        +------------------+
      |
      v
+-----------+        +--------------------+
| UDPServer |------->| UnixDatagramServer |
+-----------+        +--------------------+

SocketServer简化了网络服务器的编写。它有4个类：TCPServer，UDPServer，UnixStreamServer，UnixDatagramServer。
这4个类是同步进行处理的，另外通过ForkingMixIn和ThreadingMixIn类来支持异步。

ThreadingTCPServer

ThreadingTCPServer实现的Soket服务器内部会为每个client创建一个 “线程”，该线程用来和客户端进行交互。

1、ThreadingTCPServer基础

使用ThreadingTCPServer:

创建一个继承自 SocketServer.BaseRequestHandler 的类
类中必须定义一个名称为 handle 的方法
启动ThreadingTCPServer

#!/usr/bin/env python
# -*- coding:utf-8 -*-
import SocketServer

class MyServer(SocketServer.BaseRequestHandler):

    def handle(self):
        pass

if __name__ == '__main__':
    server = SocketServer.ThreadingTCPServer(('127.0.0.1',8766), MyServer)
    server.serve_forever()

2、ThreadingTCPServer源码剖析

ThreadingTCPServer的类图关系如下：

内部调用流程为：

启动服务端程序
执行 TCPServer.__init__ 方法，创建服务端Socket对象并绑定 IP 和端口
执行 BaseServer.__init__ 方法，将自定义的继承自SocketServer.BaseRequestHandler 的类 MyRequestHandle赋值给self.RequestHandlerClass
执行 BaseServer.server_forever 方法，While 循环一直监听是否有客户端请求到达 ...
当客户端连接到达服务器
执行 ThreadingMixIn.process_request 方法，创建一个 “线程” 用来处理请求
执行 ThreadingMixIn.process_request_thread 方法
执行 BaseServer.finish_request 方法，执行 self.RequestHandlerClass() 即：执行自定义 MyRequestHandler 的构造方法（自动调用基类BaseRequestHandler的构造方法，在该构造方法中又会调用 MyRequestHandler的handle方法）

ThreadingTCPServer相关源码：

BaseServer

TCPServer

ThreadingMixIn

ThreadingTCPServer

RequestHandler相关源码

SocketServer.BaseRequestHandler

SocketServer的ThreadingTCPServer之所以可以同时处理请求得益于 select 和 Threading 两个东西，其实本质上就是在服务器端为每一个客户端创建一个线程，当前线程用来处理对应客户端的请求，所以，可以支持同时n个客户端链接（长连接）。

ForkingTCPServer

ForkingTCPServer和ThreadingTCPServer的使用和执行流程基本一致，只不过在内部分别为请求者建立 “线程” 和 “进程”。

基本使用：

#!/usr/bin/env python
# -*- coding:utf-8 -*-
import SocketServer

class MyServer(SocketServer.BaseRequestHandler):

    def handle(self):
        pass

if __name__ == '__main__':
    server = SocketServer.ForkingTCPServer(('127.0.0.1',8009),MyServer)
    server.serve_forever()

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