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  • Python 的 Socket 编程教程

    这是用来快速学习 Python Socket 套接字编程的指南和教程。Python 的 Socket 编程跟 C 语言很像。

    Python 官方关于 Socket 的函数请看 http://docs.python.org/library/socket.html

    基本上，Socket 是任何一种计算机网络通讯中最基础的内容。例如当你在浏览器地址栏中输入 www.oschina.net 时，你会打开一个套接字，然后连接到 www.oschina.net 并读取响应的页面然后然后显示出来。而其他一些聊天客户端如 gtalk 和 skype 也是类似。任何网络通讯都是通过 Socket 来完成的。

    写在开头

    本教程假设你已经有一些基本的 Python 编程的知识。

    让我们开始 Socket 编程吧。

    创建 Socket

    首先要做的就是创建一个 Socket，socket 的 socket 函数可以实现，代码如下：

    1 #Socket client example in python
    2  
    3 import socket   #for sockets
    4  
    5 #create an AF_INET, STREAM socket (TCP)
    6 s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    7  
    8 print 'Socket Created'

    函数 socket.socket 创建了一个 Socket，并返回 Socket 的描述符可用于其他 Socket 相关的函数。

    上述代码使用了下面两个属性来创建 Socket：

    地址簇 : AF_INET (IPv4)
    类型: SOCK_STREAM (使用 TCP 传输控制协议)

    错误处理

    如果 socket 函数失败了，python 将抛出一个名为 socket.error 的异常，这个异常必须予以处理：

    01 #handling errors in python socket programs
    02  
    03 import socket   #for sockets
    04 import sys  #for exit
    05  
    06 try:
    07     #create an AF_INET, STREAM socket (TCP)
    08     s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    09 except socket.error, msg:
    10     print 'Failed to create socket. Error code: ' + str(msg[0]) + ' , Error message : ' + msg[1]
    11     sys.exit();
    12  
    13 print 'Socket Created'

    好了，假设你已经成功创建了 Socket，下一步该做什么呢？接下来我们将使用这个 Socket 来连接到服务器。

    注意

    与 SOCK_STREAM 相对应的其他类型是 SOCK_DGRAM 用于 UDP 通讯协议，UDP 通讯是非连接 Socket，在这篇文章中我们只讨论 SOCK_STREAM ，或者叫 TCP 。

    连接到服务器

    连接到服务器需要服务器地址和端口号，这里使用的是 www.oschina.net 和 80 端口。

    首先获取远程主机的 IP 地址

    连接到远程主机之前，我们需要知道它的 IP 地址，在 Python 中，获取 IP 地址是很简单的：

    01 import socket   #for sockets
    02 import sys  #for exit
    03  
    04 try:
    05     #create an AF_INET, STREAM socket (TCP)
    06     s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    07 except socket.error, msg:
    08     print 'Failed to create socket. Error code: ' + str(msg[0]) + ' , Error message : ' + msg[1]
    09     sys.exit();
    10  
    11 print 'Socket Created'
    12  
    13 host = 'www.oschina.net'
    14  
    15 try:
    16     remote_ip = socket.gethostbyname( host )
    17  
    18 except socket.gaierror:
    19     #could not resolve
    20     print 'Hostname could not be resolved. Exiting'
    21     sys.exit()
    22      
    23 print 'Ip address of ' + host + ' is ' + remote_ip

    我们已经有 IP 地址了，接下来需要指定要连接的端口。

    代码：

    01 import socket   #for sockets
    02 import sys  #for exit
    03  
    04 try:
    05     #create an AF_INET, STREAM socket (TCP)
    06     s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    07 except socket.error, msg:
    08     print 'Failed to create socket. Error code: ' + str(msg[0]) + ' , Error message : ' + msg[1]
    09     sys.exit();
    10  
    11 print 'Socket Created'
    12  
    13 host = 'www.oschina.net'
    14 port = 80
    15  
    16 try:
    17     remote_ip = socket.gethostbyname( host )
    18  
    19 except socket.gaierror:
    20     #could not resolve
    21     print 'Hostname could not be resolved. Exiting'
    22     sys.exit()
    23      
    24 print 'Ip address of ' + host + ' is ' + remote_ip
    25  
    26 #Connect to remote server
    27 s.connect((remote_ip , port))
    28  
    29 print 'Socket Connected to ' + host + ' on ip ' + remote_ip

    现在运行程序

    1 $ python client.py
    2 Socket Created
    3 Ip address of www.oschina.net is 61.145.122.155
    4 Socket Connected to www.oschina.net on ip 61.145.122.155

    这段程序创建了一个 Socket 并进行连接，试试使用其他一些不存在的端口（如81）会是怎样？这个逻辑相当于构建了一个端口扫描器。

    已经连接上了，接下来就是往服务器上发送数据。

    免费提示

    使用 SOCK_STREAM/TCP 套接字才有“连接”的概念。连接意味着可靠的数据流通讯机制，可以同时有多个数据流。可以想象成一个数据互不干扰的管道。另外一个重要的提示是：数据包的发送和接收是有顺序的。

    其他一些 Socket 如 UDP、ICMP 和 ARP 没有“连接”的概念，它们是无连接通讯，意味着你可从任何人或者给任何人发送和接收数据包。

    发送数据

    sendall 函数用于简单的发送数据，我们来向 oschina 发送一些数据：

    01 import socket   #for sockets
    02 import sys  #for exit
    03  
    04 try:
    05     #create an AF_INET, STREAM socket (TCP)
    06     s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    07 except socket.error, msg:
    08     print 'Failed to create socket. Error code: ' + str(msg[0]) + ' , Error message : ' + msg[1]
    09     sys.exit();
    10  
    11 print 'Socket Created'
    12  
    13 host = 'www.oschina.net'
    14 port = 80
    15  
    16 try:
    17     remote_ip = socket.gethostbyname( host )
    18  
    19 except socket.gaierror:
    20     #could not resolve
    21     print 'Hostname could not be resolved. Exiting'
    22     sys.exit()
    23      
    24 print 'Ip address of ' + host + ' is ' + remote_ip
    25  
    26 #Connect to remote server
    27 s.connect((remote_ip , port))
    28  
    29 print 'Socket Connected to ' + host + ' on ip ' + remote_ip
    30  
    31 #Send some data to remote server
    32 message = "GET / HTTP/1.1\r\n\r\n"
    33  
    34 try :
    35     #Set the whole string
    36     s.sendall(message)
    37 except socket.error:
    38     #Send failed
    39     print 'Send failed'
    40     sys.exit()
    41  
    42 print 'Message send successfully'

    上述例子中，首先连接到目标服务器，然后发送字符串数据 "GET / HTTP/1.1\r\n\r\n" ，这是一个 HTTP 协议的命令，用来获取网站首页的内容。

    接下来需要读取服务器返回的数据。

    接收数据

    recv 函数用于从 socket 接收数据：

    01 #Socket client example in python
    02  
    03 import socket   #for sockets
    04 import sys  #for exit
    05  
    06 #create an INET, STREAMing socket
    07 try:
    08     s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    09 except socket.error:
    10     print 'Failed to create socket'
    11     sys.exit()
    12      
    13 print 'Socket Created'
    14  
    15 host = 'oschina.net';
    16 port = 80;
    17  
    18 try:
    19     remote_ip = socket.gethostbyname( host )
    20  
    21 except socket.gaierror:
    22     #could not resolve
    23     print 'Hostname could not be resolved. Exiting'
    24     sys.exit()
    25  
    26 #Connect to remote server
    27 s.connect((remote_ip , port))
    28  
    29 print 'Socket Connected to ' + host + ' on ip ' + remote_ip
    30  
    31 #Send some data to remote server
    32 message = "GET / HTTP/1.1\r\nHost: oschina.net\r\n\r\n"
    33  
    34 try :
    35     #Set the whole string
    36     s.sendall(message)
    37 except socket.error:
    38     #Send failed
    39     print 'Send failed'
    40     sys.exit()
    41  
    42 print 'Message send successfully'
    43  
    44 #Now receive data
    45 reply = s.recv(4096)
    46  
    47 print reply

    下面是上述程序执行的结果：

    01 $ python client.py
    02 Socket Created
    03 Ip address of oschina.net is 61.145.122.
    04 Socket Connected to oschina.net on ip 61.145.122.155
    05 Message send successfully
    06 HTTP/1.1 301 Moved Permanently
    07 Server: nginx
    08 Date: Wed, 24 Oct 2012 13:26:46 GMT
    09 Content-Type: text/html
    10 Content-Length: 178
    11 Connection: keep-alive
    12 Keep-Alive: timeout=20
    13 Location: http://www.oschina.net/

    oschina.net 回应了我们所请求的 URL 的内容，很简单。数据接收完了，可以关闭 Socket 了。

    关闭 socket

    close 函数用于关闭 Socket：

    1 s.close()

    这就是了。

    让我们回顾一下

    上述的示例中我们学到了如何：

    1. 创建 Socket
    2. 连接到远程服务器
    3. 发送数据
    4. 接收回应

    当你用浏览器打开 www.oschina.net 时，其过程也是一样。包含两种类型，分别是客户端和服务器，客户端连接到服务器并读取数据，服务器使用 Socket 接收进入的连接并提供数据。因此在这里 www.oschina.net 是服务器端，而你的浏览器是客户端。

    接下来我们开始在服务器端做点编码。

    服务器端编程

    服务器端编程主要包括下面几步：

    1. 打开 socket
    2. 绑定到一个地址和端口
    3. 侦听进来的连接
    4. 接受连接
    5. 读写数据

    我们已经学习过如何打开 Socket 了，下面是绑定到指定的地址和端口上。

    绑定 Socket

    bind 函数用于将 Socket 绑定到一个特定的地址和端口，它需要一个类似 connect 函数所需的 sockaddr_in 结构体。

    示例代码：

    01 import socket
    02 import sys
    03  
    04 HOST = ''   # Symbolic name meaning all available interfaces
    05 PORT = 8888 # Arbitrary non-privileged port
    06  
    07 s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    08 print 'Socket created'
    09  
    10 try:
    11     s.bind((HOST, PORT))
    12 except socket.error , msg:
    13     print 'Bind failed. Error Code : ' + str(msg[0]) + ' Message ' + msg[1]
    14     sys.exit()
    15      
    16 print 'Socket bind complete'

    绑定完成后，就需要让 Socket 开始侦听连接。很显然，你不能将两个不同的 Socket 绑定到同一个端口之上。

    连接侦听

    绑定 Socket 之后就可以开始侦听连接，我们需要将 Socket 变成侦听模式。socket 的 listen 函数用于实现侦听模式：

    1 s.listen(10)
    2 print 'Socket now listening'

    listen 函数所需的参数成为 backlog，用来控制程序忙时可保持等待状态的连接数。这里我们传递的是 10，意味着如果已经有 10 个连接在等待处理，那么第 11 个连接将会被拒绝。当检查了 socket_accept 后这个会更加清晰。

    接受连接

    示例代码：

    01 import socket
    02 import sys
    03  
    04 HOST = ''   # Symbolic name meaning all available interfaces
    05 PORT = 8888 # Arbitrary non-privileged port
    06  
    07 s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    08 print 'Socket created'
    09  
    10 try:
    11     s.bind((HOST, PORT))
    12 except socket.error , msg:
    13     print 'Bind failed. Error Code : ' + str(msg[0]) + ' Message ' + msg[1]
    14     sys.exit()
    15      
    16 print 'Socket bind complete'
    17  
    18 s.listen(10)
    19 print 'Socket now listening'
    20  
    21 #wait to accept a connection - blocking call
    22 conn, addr = s.accept()
    23  
    24 #display client information
    25 print 'Connected with ' + addr[0] + ':' + str(addr[1])

    输出

    运行该程序将会显示：

    1 $ python server.py
    2 Socket created
    3 Socket bind complete
    4 Socket now listening

    现在这个程序开始等待连接进入，端口是 8888，请不要关闭这个程序，我们来通过 telnet 程序来进行测试。

    打开命令行窗口并输入：

    1 $ telnet localhost 8888
    2  
    3 It will immediately show
    4 $ telnet localhost 8888
    5 Trying 127.0.0.1...
    6 Connected to localhost.
    7 Escape character is '^]'.
    8 Connection closed by foreign host.

    而服务器端窗口显示的是：

    1 $ python server.py
    2 Socket created
    3 Socket bind complete
    4 Socket now listening
    5 Connected with 127.0.0.1:59954

    我们可看到客户端已经成功连接到服务器。

    上面例子我们接收到连接并立即关闭，这样的程序没什么实际的价值，连接建立后一般会有大量的事情需要处理，因此让我们来给客户端做出点回应吧。

    sendall 函数可通过 Socket 给客户端发送数据：

    01 import socket
    02 import sys
    03  
    04 HOST = ''   # Symbolic name meaning all available interfaces
    05 PORT = 8888 # Arbitrary non-privileged port
    06  
    07 s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    08 print 'Socket created'
    09  
    10 try:
    11     s.bind((HOST, PORT))
    12 except socket.error , msg:
    13     print 'Bind failed. Error Code : ' + str(msg[0]) + ' Message ' + msg[1]
    14     sys.exit()
    15      
    16 print 'Socket bind complete'
    17  
    18 s.listen(10)
    19 print 'Socket now listening'
    20  
    21 #wait to accept a connection - blocking call
    22 conn, addr = s.accept()
    23  
    24 print 'Connected with ' + addr[0] + ':' + str(addr[1])
    25  
    26 #now keep talking with the client
    27 data = conn.recv(1024)
    28 conn.sendall(data)
    29  
    30 conn.close()
    31 s.close()

    继续运行上述代码，然后打开另外一个命令行窗口输入下面命令：

    1 $ telnet localhost 8888
    2 Trying 127.0.0.1...
    3 Connected to localhost.
    4 Escape character is '^]'.
    5 happy
    6 happy
    7 Connection closed by foreign host.

    可看到客户端接收到来自服务器端的回应内容。

    上面的例子还是一样，服务器端回应后就立即退出了。而一些真正的服务器像 www.oschina.net 是一直在运行的，时刻接受连接请求。

    也就是说服务器端应该一直处于运行状态，否则就不能成为“服务”，因此我们要让服务器端一直运行，最简单的方法就是把 accept 方法放在一个循环内。

    一直在运行的服务器

    对上述代码稍作改动：

    01 import socket
    02 import sys
    03  
    04 HOST = ''   # Symbolic name meaning all available interfaces
    05 PORT = 8888 # Arbitrary non-privileged port
    06  
    07 s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    08 print 'Socket created'
    09  
    10 try:
    11     s.bind((HOST, PORT))
    12 except socket.error , msg:
    13     print 'Bind failed. Error Code : ' + str(msg[0]) + ' Message ' + msg[1]
    14     sys.exit()
    15      
    16 print 'Socket bind complete'
    17  
    18 s.listen(10)
    19 print 'Socket now listening'
    20  
    21 #now keep talking with the client
    22 while 1:
    23     #wait to accept a connection - blocking call
    24     conn, addr = s.accept()
    25     print 'Connected with ' + addr[0] + ':' + str(addr[1])
    26      
    27     data = conn.recv(1024)
    28     reply = 'OK...' + data
    29     if not data:
    30         break
    31      
    32     conn.sendall(reply)
    33  
    34 conn.close()
    35 s.close()

    很简单只是加多一个 while 1 语句而已。

    继续运行服务器，然后打开另外三个命令行窗口。每个窗口都使用 telnet 命令连接到服务器：

    1 $ telnet localhost 5000
    2 Trying 127.0.0.1...
    3 Connected to localhost.
    4 Escape character is '^]'.
    5 happy
    6 OK .. happy
    7 Connection closed by foreign host.


    服务器所在的终端窗口显示的是：

    1 $ python server.py
    2 Socket created
    3 Socket bind complete
    4 Socket now listening
    5 Connected with 127.0.0.1:60225
    6 Connected with 127.0.0.1:60237
    7 Connected with 127.0.0.1:60239


    你看服务器再也不退出了，好吧，用 Ctrl+C 关闭服务器，所有的 telnet 终端将会显示 "Connection closed by foreign host."

    已经很不错了，但是这样的通讯效率太低了，服务器程序使用循环来接受连接并发送回应，这相当于是一次最多处理一个客户端的请求，而我们要求服务器可同时处理多个请求。

    处理多个连接

    为了处理多个连接，我们需要一个独立的处理代码在主服务器接收到连接时运行。一种方法是使用线程，服务器接收到连接然后创建一个线程来处理连接收发数据，然后主服务器程序返回去接收新的连接。

    下面是我们使用线程来处理连接请求：

    01 import socket
    02 import sys
    03 from thread import *
    04  
    05 HOST = ''   # Symbolic name meaning all available interfaces
    06 PORT = 8888 # Arbitrary non-privileged port
    07  
    08 s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    09 print 'Socket created'
    10  
    11 #Bind socket to local host and port
    12 try:
    13     s.bind((HOST, PORT))
    14 except socket.error , msg:
    15     print 'Bind failed. Error Code : ' + str(msg[0]) + ' Message ' + msg[1]
    16     sys.exit()
    17      
    18 print 'Socket bind complete'
    19  
    20 #Start listening on socket
    21 s.listen(10)
    22 print 'Socket now listening'
    23  
    24 #Function for handling connections. This will be used to create threads
    25 def clientthread(conn):
    26     #Sending message to connected client
    27     conn.send('Welcome to the server. Type something and hit enter\n') #send only takes string
    28      
    29     #infinite loop so that function do not terminate and thread do not end.
    30     while True:
    31          
    32         #Receiving from client
    33         data = conn.recv(1024)
    34         reply = 'OK...' + data
    35         if not data:
    36             break
    37      
    38         conn.sendall(reply)
    39      
    40     #came out of loop
    41     conn.close()
    42  
    43 #now keep talking with the client
    44 while 1:
    45     #wait to accept a connection - blocking call
    46     conn, addr = s.accept()
    47     print 'Connected with ' + addr[0] + ':' + str(addr[1])
    48      
    49     #start new thread takes 1st argument as a function name to be run, second is the tuple of arguments to the function.
    50     start_new_thread(clientthread ,(conn,))
    51  
    52 s.close()

    运行上述服务端程序，然后像之前一样打开三个终端窗口并执行 telent 命令：

    01 $ telnet localhost 8888
    02 Trying 127.0.0.1...
    03 Connected to localhost.
    04 Escape character is '^]'.
    05 Welcome to the server. Type something and hit enter
    06 hi
    07 OK...hi
    08 asd
    09 OK...asd
    10 cv
    11 OK...cv

    服务器端所在终端窗口输出信息如下：

    1 $ python server.py
    2 Socket created
    3 Socket bind complete
    4 Socket now listening
    5 Connected with 127.0.0.1:60730
    6 Connected with 127.0.0.1:60731


    线程接管了连接并返回相应数据给客户端。

    这便是我们所要介绍的服务器端编程。

    结论

    到这里为止，你已经学习了 Python 的 Socket 基本编程，你可自己动手编写一些例子来强化这些知识。

    你可能会遇见一些问题：Bind failed. Error Code : 98 Message Address already in use，碰见这种问题只需要简单更改服务器端口即可。

    英文原文，OSCHINA 原创翻译

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