socket编程
Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层，它是一组接口。在设计模式中，Socket其实就是一个门面模式，它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面，对用户来说，一组简单的接口就是全部，让Socket去组织数据，以符合指定的协议
将socket说成ip+port，ip是用来标识互联网中的一台主机的位置，而port是用来标识这台机器上的一个应用程序，ip地址是配置到网卡上的，而port是应用程序开启的，ip与port的绑定就标识了互联网中独一无二的一个应用程序
而程序的pid是同一台机器上不同进程或者线程的标识
a.套接字介绍
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
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
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)
套接字的工作流程：
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
socket()模块函数用法
import socket #导入socket模块
格式：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)
由于 socket 模块中有太多的属性。我们在这里破例使用了'from module import *'语句。使用 'from socket import *',我们就把 socket 模块里的所有属性都带到我们的命名空间里了,这样能 大幅减短我们的代码。
例如tcpSock =socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
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.getpeername() 连接到当前套接字的远端的地址s.getsockname() 当前套接字的地址s.getsockopt() 返回指定套接字的参数s.setsockopt() 设置指定套接字的参数s.close() 关闭套接字面向锁的套接字方法s.setblocking() 设置套接字的阻塞与非阻塞模式s.settimeout() 设置阻塞套接字操作的超时时间s.gettimeout() 得到阻塞套接字操作的超时时间面向文件的套接字的函数s.fileno() 套接字的文件描述符s.makefile() 创建一个与该套接字相关的文件
b.基于TCP的套接字
tcp是基于链接的，必须先启动服务端，然后再启动客户端去链接服务端
服务端：
ss = socket() #创建服务器套接字ss.bind() #把地址绑定到套接字ss.listen() #监听链接inf_loop: #服务器无限循环 cs = ss.accept() #接受客户端链接 comm_loop: #通讯循环 cs.recv()/cs.send() #对话(接收与发送) cs.close() #关闭客户端套接字ss.close() #关闭服务器套接字(可选)
客户端：
cs = socket() # 创建客户套接字cs.connect() #尝试连接服务器comm_loop: #通讯循环 cs.send()/cs.recv() # 对话(发送/接收)cs.close() #关闭客户套接字
练习：
服务端
import socketip_port=('127.0.0.1',8081) #电话卡BUFSIZE=1024s=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) #买手机s.bind(ip_port) #手机插卡s.listen(5) #手机待机while True: #链接循环，可以不停地接收链接 conn,addr=s.accept() #接电话 print('接到来自%s的电话' %addr[0]) while True: #通讯循环，可以不断的进行通信，收发消息 msg=conn.recv(BUFSIZE) #接收消息 if len(msg) == 0:break #如果不加，那么正在链接的客户端突然断开，recv便不再阻塞，死循环发生 conn.send(msg.upper()) #发送消息 conn.close() #挂电话s.close() #手机关机
客户端
import socketip_port=('127.0.0.1',8081) #电话卡BUFSIZE=1024s=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) #买手机s.connect_ex(ip_port) #拨电话while True: #通信循环，可以不断收发消息 msg=input('>>>:').strip() if len(msg) == 0 :continue s.send(msg.encode('utf-8')) #发送消息（只能发送字节类型） feedback=s.recv(BUFSIZE) #收消息 print(feedback.decode('utf-8'))s.close() #挂电话
有的同学在重启服务端时可能会遇到
这个是由于你的服务端仍然存在四次挥手的time_wait状态在占用地址（如果不懂，请深入研究1.tcp三次握手，四次挥手 2.syn洪水*** 3.服务器高并发情况下会有大量的time_wait状态的优化方法）
解决方法：
方法一：
#加入一条socket配置，重用ip和端口
phone=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)phone.setsockopt(SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,1) #就是它，在bind前加phone.bind(('127.0.0.1',8080)) 方法二：
发现系统存在大量TIME_WAIT状态的连接，通过调整linux内核参数解决，
vi /etc/sysctl.conf #编辑文件，加入以下内容：
net.ipv4.tcp_syncookies = 1
net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1
net.ipv4.tcp_tw_recycle = 1
net.ipv4.tcp_fin_timeout = 30
然后执行 /sbin/sysctl-p 让参数生效。
net.ipv4.tcp_syncookies = 1 表示开启SYN Cookies。当出现SYN等待队列溢出时，启用cookies来处理，可防范少量SYN***，默认为0，表示关闭；
net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1 表示开启重用。允许将TIME-WAIT sockets重新用于新的TCP连接，默认为0，表示关闭；
net.ipv4.tcp_tw_recycle = 1 表示开启TCP连接中TIME-WAIT sockets的快速回收，默认为0，表示关闭。
net.ipv4.tcp_fin_timeout 修改系統默认的 TIMEOUT 时间
c.基于UDP的套接字
udp是无链接的，先启动哪一端都不会报错
udp服务端
ss = socket() #创建一个服务器的套接字ss.bind() #绑定服务器套接字inf_loop: #服务器无限循环 cs = ss.recvfrom()/ss.sendto() # 对话(接收与发送)ss.close() # 关闭服务器套接字
udp客户端
cs = socket() # 创建客户套接字comm_loop: # 通讯循环 cs.sendto()/cs.recvfrom() # 对话(发送/接收)cs.close() # 关闭客户套接字
练习：
1.聊天工具
服务端
import socketip_port=('127.0.0.1',8081)udp_server_sock=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM) #买手机udp_server_sock.bind(ip_port)while True: qq_msg,addr=udp_server_sock.recvfrom(1024) print('来自[%s:%s]的一条消息:\033[1;44m%s\033[0m' %(addr[0],addr[1],qq_msg.decode('utf-8'))) back_msg=input('回复消息: ').strip() udp_server_sock.sendto(back_msg.encode('utf-8'),addr)
客户端
import socketBUFSIZE=1024udp_client_socket=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)qq_name_dic={ '狗哥alex':('127.0.0.1',8081), '瞎驴':('127.0.0.1',8081), '一棵树':('127.0.0.1',8081), '武大郎':('127.0.0.1',8081),}while True: qq_name=input('请选择聊天对象: ').strip() while True: msg=input('请输入消息,回车发送: ').strip() if msg == 'quit':break if not msg or not qq_name or qq_name not in qq_name_dic:continue udp_client_socket.sendto(msg.encode('utf-8'),qq_name_dic[qq_name]) back_msg,addr=udp_client_socket.recvfrom(BUFSIZE) print('来自[%s:%s]的一条消息:\033[1;44m%s\033[0m' %(addr[0],addr[1],back_msg.decode('utf-8')))udp_client_socket.close()
2.时间服务器
服务端
# _*_coding:utf-8_*___author__ = 'Linhaifeng'from socket import *from time import strftimeip_port = ('127.0.0.1', 9000)bufsize = 1024tcp_server = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM)tcp_server.bind(ip_port)while True: msg, addr = tcp_server.recvfrom(bufsize) print('===>', msg) if not msg: time_fmt = '%Y-%m-%d %X' else: time_fmt = msg.decode('utf-8') back_msg = strftime(time_fmt) tcp_server.sendto(back_msg.encode('utf-8'), addr)tcp_server.close()
客户端
#_*_coding:utf-8_*___author__ = 'Linhaifeng'from socket import *ip_port=('127.0.0.1',9000)bufsize=1024tcp_client=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)while True: msg=input('请输入时间格式(例%Y %m %d)>>: ').strip() tcp_client.sendto(msg.encode('utf-8'),ip_port) data=tcp_client.recv(bufsize) print(data.decode('utf-8'))tcp_client.close()
ssh远程执行命令
服务端
import socketimport subprocessphone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)phone.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1) #就是它，在bind前加phone.bind(('127.0.0.1',8080))phone.listen(5)print('server start...')while True: #链接循环 conn,client_addr=phone.accept() print(conn,client_addr) while True: #通讯循环 try: cmd=conn.recv(1024) if not cmd:break #执行命令，拿到结果 res=subprocess.Popen(cmd.decode('utf-8'), shell=True, stdout=subprocess.PIPE, stderr=subprocess.PIPE) stdout=res.stdout.read() stderr=res.stderr.read() conn.send(stdout+stderr) except Exception: #针对windwos break conn.close()phone.close()
客户端：
import socketphone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)phone.connect(('127.0.0.1',8080))while True: cmd=input('>>: ').strip() if not cmd:continue #发命令 phone.send(cmd.encode('utf-8')) #收命令的执行结果 cmd_res=phone.recv(1024) #打印结果 print(cmd_res.decode('gbk'))phone.close()
d.粘包现象
只有TCP有粘包现象，UDP永远不会粘包
Socket收发数据原理：
发送端可以是1K 1K地发送数据，而接收端的应用程序可以2K 2K地提走数据，当然也有可能一次提走3K或6K数据，或者一次只提走几个字节的数据，也就是说，应用程序所看到的数据是一个整体，或说是一个流（stream），一条消息有多少字节对应用程序是不可见的
TCP（transport control protocol，传输控制协议）是面向连接的，面向流的，提供高可靠性服务。这也是容易出现粘包问题的原因。收发两端（客户端和服务器端）都要有一一成对的socket，因此，发送端为了将多个发往接收端的包，更有效的发到对方，使用了优化方法（Nagle算法），将多次间隔较小且数据量小的数据，合并成一个大的数据块，然后进行封包。这样，接收端，就难于分辨出来了，必须提供科学的拆包机制。即面向流的通信是无消息保护边界的
例如基于tcp的套接字客户端往服务端上传文件，发送时文件内容是按照一段一段的字节流发送的，在接收方看了，根本不知道该文件的字节流从何处开始，在何处结束
所谓粘包问题主要还是因为接收方不知道消息之间的界限，不知道一次性提取多少字节的数据所造成的，发送方引起的粘包是由TCP协议本身造成的，TCP为提高传输效率，发送方往往要收集到足够多的数据后才发送一个TCP段。若连续几次需要send的数据都很少，通常TCP会根据优化把这些数据合成一个TCP段后一次发送出去，这样接收方就收到了粘包数据
UDP（user datagram protocol，用户数据报协议）是无连接的，面向消息的，提供高效率服务。不会使用块的合并优化算法，, 由于UDP支持的是一对多的模式，所以接收端的skbuff(套接字缓冲区）采用了链式结构来记录每一个到达的UDP包，在每个UDP包中就有了消息头（消息来源地址，端口等信息），这样，对于接收端来说，就容易进行区分处理了。 即面向消息的通信是有消息保护边界的，每个UDP段都是一条消息，应用程序必须以消息为单位提取数据，不能一次提取任意字节的数据，这一点和TCP是很不同的，怎样定义消息呢？可以认为对方一次性write/send的数据为一个消息，需要明白的是当对方send一条信息的时候，无论底层怎样分段分片，TCP协议层会把构成整条消息的数据段排序完成后才呈现在内核缓冲区
tcp是基于数据流的，于是收发的消息不能为空，这就需要在客户端和服务端都添加空消息的处理机制，防止程序卡住，而udp是基于数据报的，即便是你输入的是空内容（直接回车），那也不是空消息，udp协议会帮你封装上消息头
udp的recvfrom是阻塞的，一个recvfrom(x)必须对唯一一个sendinto(y),收完了x个字节的数据就算完成,若是y>x数据就丢失，这意味着udp根本不会粘包，但是会丢数据，不可靠
tcp的协议数据不会丢，没有收完包，下次接收，会继续上次继续接收，己端总是在收到ack时才会清除缓冲区内容。数据是可靠的，但是会粘包。
两种情况下会发生粘包：
1.发送端需要等缓冲区满才发送出去，造成粘包（发送数据时间间隔很短，数据量很小，会合到一起，产生粘包）
2. 接收方不及时接收缓冲区的包，造成多个包接收（客户端发送了一段数据，服务端只收了一小部分，服务端下次再收的时候还是从缓冲区拿上次遗留的数据，产生粘包）
粘包现象服务端：
from socket import *s=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)s.bind(('127.0.0.1',8080))s.listen(5)conn,addr=s.accept()#收发消息data1=conn.recv(5)print('data1:',data1)data2=conn.recv(5)print('data2',data2)conn.close()s.close()
粘包现象客户端
from socket import *import timec=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)c.connect(('127.0.0.1',8080))c.send('hello'.encode('utf-8'))# time.sleep(3)c.send('world'.encode('utf-8'))c.close()
拆包的发生情况
当发送端缓冲区的长度大于网卡的MTU时，tcp会将这次发送的数据拆成几个数据包发送出去。
补充问题一：为何tcp是可靠传输，udp是不可靠传输
tcp在数据传输时，发送端先把数据发送到自己的缓存中，然后协议控制将缓存中的数据发往对端，对端返回一个ack=1，发送端则清理缓存中的数据，对端返回ack=0，则重新发送数据，所以tcp是可靠的
udp发送数据，对端是不会返回确认信息的，因此不可靠
补充问题二：send(字节流)和recv(1024)及sendall
recv里指定的1024意思是从缓存里一次拿出1024个字节的数据
send的字节流是先放入己端缓存，然后由协议控制将缓存内容发往对端，如果待发送的字节流大小大于缓存剩余空间，那么数据丢失，用sendall就会循环调用send，数据不会丢失
解决粘包：（推荐第二种）
思路：让发送端在发送数据前，把自己将要发送的字节流总大小让接收端知晓，然后接收端来一个死循环接收完所有数据
方法1：
ssh远程执行命令（制作报头，然后把报头的长度发送给接收方）
服务端
import socketimport structimport subprocessphone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)phone.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1) #就是它，在bind前加phone.bind(('127.0.0.1',8080))phone.listen(5)print('server start...')while True: #链接循环 conn,client_addr=phone.accept() print(conn,client_addr) while True: #通讯循环 try: cmd=conn.recv(1024) if not cmd:break #执行命令，拿到结果 res=subprocess.Popen(cmd.decode('utf-8'), shell=True, stdout=subprocess.PIPE, stderr=subprocess.PIPE) stdout=res.stdout.read() stderr=res.stderr.read() #制作报头 header=struct.pack('i',len(stdout)+len(stderr)) #先发报头(固定长度) conn.send(header) #再发真实的数据 conn.send(stdout) conn.send(stderr) except Exception: #针对windwos break conn.close()phone.close()
客户端
import socketimport structphone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)phone.connect(('127.0.0.1',8080))while True: cmd=input('>>: ').strip() if not cmd:continue #发命令 phone.send(cmd.encode('utf-8')) #先收报头 header=phone.recv(4) total_size=struct.unpack('i',header)[0] #再收命令的执行结果 recv_size=0 data=b'' while recv_size < total_size: recv_data=phone.recv(1024) recv_size+=len(recv_data) data+=recv_data #打印结果 print(data.decode('gbk'))phone.close()
方法2：
ssh远程执行命令（制作报头，使用struct模块为字节流加上自定义固定长度报头，报头中包含字节流长度，然后一次send到对端，对端在接收时，先从缓存中取出定长的报头，然后再取真实数据）
把报头做成字典，字典里包含将要发送的真实数据的详细信息，然后json序列化，然后用struck将序列化后的数据长度打包成4个字节（4个自己足够用了）
发送时：
先发报头长度
再编码报头内容然后发送
最后发真实内容
接收时：
先手报头长度，用struct取出来
根据取出的长度收取报头内容，然后解码，反序列化
从反序列化的结果中取出待取数据的详细信息，然后去取真实的数据内容
struct模块可以把一个类型，如数字，转成固定长度的bytes
例如：struct.pack('i',1111111111111)
Struct模块的格式
服务端
import socketimport structimport subprocessimport jsonphone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)phone.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1) #就是它，在bind前加phone.bind(('127.0.0.1',8080))phone.listen(5)print('server start...')while True: #链接循环 conn,client_addr=phone.accept() print(conn,client_addr) while True: #通讯循环 try: cmd=conn.recv(1024) if not cmd:break #执行命令，拿到结果 res=subprocess.Popen(cmd.decode('utf-8'), shell=True, stdout=subprocess.PIPE, stderr=subprocess.PIPE) stdout=res.stdout.read() stderr=res.stderr.read() #制作报头 header_dic={'total_size':len(stdout)+len(stderr),'md5':None} header_json=json.dumps(header_dic) header_bytes=header_json.encode('utf-8') #1 先发报头的长度（固定4个bytes） conn.send(struct.pack('i',len(header_bytes))) #2 先发报头 conn.send(header_bytes) #3 再发真实的数据 conn.send(stdout) conn.send(stderr) except Exception: #针对windwos break conn.close()phone.close()
客户端
import socketimport structimport jsonphone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)phone.connect(('127.0.0.1',8080))while True: cmd=input('>>: ').strip() if not cmd:continue #发命令 phone.send(cmd.encode('utf-8')) #先收报头的长度 struct_res=phone.recv(4) header_size=struct.unpack('i',struct_res)[0] #再收报头 header_bytes=phone.recv(header_size) head_json=header_bytes.decode('utf-8') head_dic=json.loads(head_json) total_size=head_dic['total_size'] #再收命令的执行结果 recv_size=0 data=b'' while recv_size < total_size: recv_data=phone.recv(1024) recv_size+=len(recv_data) data+=recv_data #打印结果 print(data.decode('gbk'))phone.close() e.socketserver实现并发
基于tcp的套接字，关键就是两个循环，一个链接循环，一个通信循环
socketserver模块中分两大类：
1.server类（解决链接问题）
与链接有关的方法：
BaseServer TCPServer UDPServer UnixStreamServer UnixDatagramServer
基于多线程实现并发的方法：
ThreadingMixIn ThreadingTCPServer ThreadingUDPServer
基于多进程实现并发的方法：
ForkingMixIn ForkingTCPServer ForkingUDPServer
2.request类（解决通信问题）
BaseRequesHandler StreamRequestHandler DatagramRequestHandler
以下述代码为例，分析socketserver源码：
ftpserver=socketserver.ThreadingTCPServer(('127.0.0.1',8080),FtpServer)ftpserver.serve_forever()
查找属性的顺序：ThreadingTCPServer->ThreadingMixIn->TCPServer->BaseServer
实例化得到ftpserver，先找类ThreadingTCPServer的__init__,在TCPServer中找到，进而执行server_bind,server_active
找ftpserver下的serve_forever,在BaseServer中找到，进而执行self._handle_request_noblock()，该方法同样是在BaseServer中
执行self._handle_request_noblock()进而执行request, client_address = self.get_request()（就是TCPServer中的self.socket.accept()），然后执行self.process_request(request, client_address)
在ThreadingMixIn中找到process_request，开启多线程应对并发，进而执行process_request_thread，执行self.finish_request(request, client_address)
上述四部分完成了链接循环，本部分开始进入处理通讯部分，在BaseServer中找到finish_request,触发我们自己定义的类的实例化，去找__init__方法，而我们自己定义的类没有该方法，则去它的父类也就是BaseRequestHandler中找....
源码分析总结：
基于tcp的socketserver我们自己定义的类中的
self.server即套接字对象
self.request即一个链接
self.client_address即客户端地址
基于udp的socketserver我们自己定义的类中的
self.request是一个元组（第一个元素是客户端发来的数据，第二部分是服务端的udp套接字对象），如(b'adsf', <socket.socket fd=200,family=AddressFamily.AF_INET, type=SocketKind.SOCK_DGRAM, proto=0,laddr=('127.0.0.1', 8080)>)
self.client_address即客户端地址
练习：
基于socketserver实现并发的TCP套接字
服务端
import socketserverclass MyTcphandler(socketserver.BaseRequestHandler): def handle(self): while True: #通信循环 data=self.request.recv(1024) self.request.send(data.upper())if __name__ == '__main__': #取代链接循环 server=socketserver.ThreadingTCPServer(('127.0.0.1',8080),MyTcphandler) server.serve_forever()
客户端
import socketphone=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)phone.connect(('127.0.0.1',8080))while True: msg=input('>>: ').strip() if not msg:continue phone.send(msg.encode('utf-8')) server_data=phone.recv(1024) print(server_data.decode('utf-8'))phone.close()
基于socketserver实现并发的UDP套接字
服务端
import socketserverclass MyUDPhandler(socketserver.BaseRequestHandler): def handle(self): print(self.request) self.request[1].sendto(self.request[0].upper(),self.client_address)if __name__ == '__main__': s=socketserver.ThreadingUDPServer(('127.0.0.1',8080),MyUDPhandler) s.serve_forever()
客户端
from socket import *udp_client=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM)while True: msg=input('>>: ').strip() udp_client.sendto(msg.encode('utf-8'),('127.0.0.1',8080)) data,server_addr=udp_client.recvfrom(1024) print(data.decode('utf-8'))