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Python Socket編程詳解

背景

關于Python Socket編程，首先需要了解幾個計算機網絡的知識，通過以下的幾個問題，有助于更好的理解Socket編程的意義，以及整個框架方面的知識：

TCP和UDP協議本質上的區別？

TCP協議，面向連接，可靠，基于字節流的傳輸層通信協議；UDP協議無連接，不可靠，基于數據包的傳輸層協議。

TCP協議在建立連接的過程需要經歷三次握手，斷開連接則需要經歷四次揮手，而這建立連接的過程增加了傳輸過程中的安全性。
而建立連接的過程則會消耗系統的資源，消耗更多的時間，而相比較UDP協議傳輸過程則不會出現這種問題。

總結來講，基于TCP協議傳輸，需要不斷的確認對方是否收到信息，從而建立連接（確認過程次數有限制，即三次握手），UDP協議傳輸則
不需要確認接收端是否收到信息，只需要將信息發給對方。

TCP/IP協議棧、HTTP協議、Socket之間的區別和聯系？

TCP/IP協議棧就是一系列網絡協議，可以分為四層模型來分析：應用層、傳輸層、網絡層、鏈路層；

HTTP協議（超文本傳輸協議）就是在這一協議棧中的應用層協議；HTTP協議簡單來說，它的作用就是規范數據的格式，讓程序能夠方便的識別，并且收發雙方都需要遵循同樣的協議格式進行數據傳輸。(應用層的協議也和HTTP協議的作用類似，不一樣的是定義不同的數據格式。)

Socket可以理解為TCP/IP協議棧提供的對外的操作接口，即應用層通過網絡協議進行通信的接口。Socket可以使用不同的網絡協議進行端對端的通信；

TCP Socket服務器的通信過程？

Server端：

建立連接（socket()函數創建socket描述符、bind()函數綁定特定的監聽地址（ip+port)、listen()函數監聽socket、accept()阻塞等待客戶端連接）

數據交互（read()函數阻塞等待客戶端發送數據、write()函數發送給客戶端數據）

Client端：

建立連接（socket()函數創建socket描述符、connect()函數向指定的監聽地址發送連接請求）

數據交互（wirte()函數發送服務端數據、read()函數足阻塞等待接受服務端發送的數據）

socket和websocket之間的聯系？

webosocket是一種通信協議，不同于HTTP請求，客戶端請求服務端資源，服務端響應的通信過程；websocket允許服務端主動
向客戶端推送消息，同時做到客戶端和服務端雙向通訊的協議。（具體底層原理有待后面實踐，暫時未接觸）

HTTP,WSGI協議的聯系和區別？

HTTP協議（超文本傳輸協議），屬于TCP/IP協議棧中應用層的協議。用于規范傳輸數據的格式，是一種客戶端和服務端傳輸的規則。

WSGI協議則是Python定義的Web服務器和框架程序通信的接口規則。兩者聯系不大，強行說的話，Python框架程序主要處理的是HTTP請求。

（后期可以實現一個WSGI協議的Python框架，用于處理HTTP請求的實驗。）

主流Web框架，異步Web框架？

主流Web框架：Django、Flask

異步Web框架：Tornado（內置異步模塊）、Snaic（Python自帶asyncio)、FastAPI（基于Starlette庫）、aiohttp（基于asyncio）

asyncio，aiohttp之間的聯系？（異步編程）

asyncio是一個異步IO庫，aiohttp就是基于asyncio的異步HTTP框架（支持客戶端/服務端）

代碼設計

Python提供了基本的socket模塊：

socket模塊；提供了標準的BSD Sockets API；
socketserver模塊：提供了服務器中心類，簡化服務器的開發；

TCP Socket服務端

socket模塊：

# -*- coding: utf-8 -*-
from socket import socket, AF_INET, SOCK_STREAM

def echo_handler(sock ,address):
	print("Get Connection from address:", address)

	while True:
		response = sock.recv(8192)
		if not response:
			break
		print(f"Got {response}")
		sock.sendall(response)

def echo_server(address, back_log=5):
	sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
	sock.bind(address)
	sock.listen(back_log)

	while True:
		sock_client, address = sock.accept()
		echo_handler(sock_client, address)

if __name__ == "__main__":
	echo_server(('localhost', 5000))

代碼詳解：

創建一個基于IPV4和TCP協議的Socket，這里AF_INET指的是使用IPV4協議，SOCK_STREAM指定使用面向流的TCP協議，綁定監聽端口，設置等待連接的最大數量
創建一個永久循環，獲取客戶端請求的連接，accept()會等待并返回一個客戶端的連接；
連接建立后，等待客戶端數據，接受完客戶端數據，然后返回數據給客戶端，最后關閉連接

存在的問題：當出現多個客戶端請求時，由于是單個線程會發生阻塞的情況，所以如果需要多線程處理多個客戶端請求，可以這樣改；

from threading import Thread

while True:
        client_sock, address = sock.accept()
        thread = Thread(target=echo_handler, args=(client_sock, address))
        thread.start()

這樣的話，就會在每個客戶端請求的時候，生成一個子線程然后處理請求；
（但是存在一個問題：當突然大量請求連接，消耗系統資源達到上限后，很可能造成程序無法處理后續請求。）

socketserver模塊：

from socketserver import BaseRequestHandler, TCPServer

class EchoHandler(BaseRequestHandler):
    def handle(self):
        print("Got Connection From: %s" % str(self.client_address))
        while True:
            msg = self.request.recv(8192)
            if not msg:
                break
            self.request.send(msg)

if __name__ == "__main__":
    server = TCPServer(("", 5000), EchoHandler)
    server.serve_forever()

from socketserver import StreamRequestHandler, TCPServer, ThreadingTCPServer
import time

class EchoHandler(StreamRequestHandler):
    def handle(self):
        print("Got Connection Address: %s" % str(self.client_address))
        for line in self.rfile:
            print(line)
            self.wfile.write(bytes("hello {}".format(line.decode('utf-8')).encode('utf-8')))

if __name__ == "__main__":
    serv = ThreadingTCPServer(("", 5000), EchoHandler)
    serv.serve_forever()

代碼詳解：

處理多個客戶端，初始化一個ThreadingTCPServer實例；
設置綁定的IP地址和端口，以及處理類；
使用StreamRequestHandler（使用流的請求處理程序類，類似file-like對象，提供標準文件接口簡化通信過程），重寫里面的handle方法，獲取請求數據，返回數據給客戶端；

TCP Socket客戶端

socket模塊：

# -*- coding: utf-8 -*-
from socket import socket, AF_INET, SOCK_STREAM
import time

def request_handler():
	start_time = time.time()
	sock_client = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
	sock_client.connect(('localhost', 5000))
	
	book_content = ""
	with open("send_books.txt", "r") as f:
		book_content = f.read()
	
	content_list = book_content.split("\n")
	for content in content_list:
		if content:
			sock_client.send((content).encode())
			time.sleep(2)
			response = sock_client.recv(8192)
			print(response)

	end_time = time.time()
	print("總共耗時:", end_time-start_time)

		

if __name__ == "__main__":
	request_handler()

UDP Socket

Socket模塊：

from socket import socket, AF_INET, SOCK_DGRAM
import time

def time_server(address):
    sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM)
    sock.bind(address)

    while True:
        msg, addr = sock.recvfrom(8192)
        print('Get message from', addr)
        resp = time.ctime()
        sock.sendto(resp.encode('ascii'), addr)

if __name__ == "__main__":
    time_server(('', 5000))

代碼不詳解，和之前的差不多，注意不同的協議就完事了

客戶端測試：

from socket import socket, AF_INET, SOCK_DGRAM

if __name__ == "__main__":
    s = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM)
    s.sendto(b'hello', ('localhost', 5000))
    text = s.recvfrom(8192)
    print(text)

socketserver模塊：

from socketserver import BaseRequestHandler, UDPServer
import time


class TimeHandler(BaseRequestHandler):
    def handle(self):
        print("Got Connection %s".format(str(self.client_address)))
        data = self.request[0]
        print(data)
        msg, sock = self.request
        print(msg)
        data = time.ctime()
        sock.sendto(data.encode('ascii'), self.client_address)

if __name__ == "__main__":
    u = UDPServer(("localhost", 9999), TimeHandler)
    u.serve_forever()

代碼不在贅述，如果需要多線程處理并發操作可以使用ThreadingUDPServer