什么是 socket 编程？

不管是传统计算机软件，还是手机软件，还是物联网嵌入系统软件，这些都要和其他网络系统进行通讯。而当今网络世界 基本上 都是使用TCP/IP协议进行通讯的。任何应用，比如 web网页、微信、支付宝、抖音 或者我们开发的产品等等都是 通过TCP/IP协议进行通讯的。TCP/IP 协议 就是一种传输 数据的 方案。我们可以用 发快递 打比方。在上海的张涛 要寄一个 物品 给 在北京的李明。选择一个快递公司，就是选择了一种 传输物品的 规范。 因为不同的快递公司 传输物品的具体方案不同。张涛 作为一个 寄件人， 他​​不需要知道​​快递公司传输物品的方案的 ​​所有细节​​ 。他只要知道 如何把 物品 给快递公司上门的收件人，就行了。李明 作为一个收件人， 他也 不需要知道 快递公司 传输物品的方案的所有细节。他只要知道，如何从快递公司的收件人 收物品 就行了。

对应到 软件开发上，收发信息的 ​​程序进程​​ 就像 ​​发件人 和 收件人​​ ；收发的 ​​信息​​ 就像 快递传输的 ​​物品​​ ；

具体信息的传输路径（中间经过哪些路由器）和传输的方法（使用什么协议）就像 快递公司的运输流程；

同样的，我们编写 发出信息的程序和接收信息的程序，并不需要知道 信息传输的所有细节，比如 中间经过哪些路由器，路由器之间又是如何传输的。


我们作为程序员，只要知道，我们的程序如何把 所要发送的信息 交给 ‘收件人’， 如何从 ‘送件人’ 手中获取信息。

那么 和我们的 应用程序 直接打交道的 ‘收件人’ 和 ‘送件人’ 到底是谁？

其实就是操作系统 提供的 ​​socket 编程接口​​发送信息的应用程序，通过 ​​socket 编程接口​​ 把信息给操作系统的TCP/IP协议栈通讯模块；

通讯模块一层层传递给 其他通讯模块（网卡驱动等），最后再通过网卡等硬件设备发送到网络上去；

经过 网络上路由器的一次次转发，最终到了 目的程序 所在的 计算机（或者手机等设备） ， 再通过 其 操作系统的 TCP/IP协议栈通讯模块 一层层上传。

最后接收信息的程序，通过 ​​socket 编程接口​​ 接收到了 传输的信息。


Python 语言中socket编程

要进行socket编程，发送网络消息，我们可以使用 Python 内置的 socket 库 。


目前的socket编程，使用的最多的就是通过tcp协议进行网络通讯的。

tcp进行通讯的程序双方，分为服务端和客户端。

tcp 协议进行通讯的双方，是需要先建立一个虚拟连接的。然后双方程序才能发送业务数据信息。

建立tcp虚拟连接是通过著名的 ​​三次握手​​ 进行的。

具体三次握手的细节大家可以参考这篇文章


我们现在来看一个 tcp协议进行通讯的 socket 服务端程序和客户端程序。


下面是tcp 服务端程序 server.py


#  === TCP 服务端程序 server.py ===  # 导入socket 库 from socket import *  # 主机地址为空字符串，表示绑定本机所有网络接口ip地址 # 等待客户端来连接 IP = '' # 端口号 PORT = 50000 # 定义一次从socket缓冲区最多读入512个字节数据 BUFLEN = 512  # 实例化一个socket对象 # 参数 AF_INET 表示该socket网络层使用IP协议 # 参数 SOCK_STREAM 表示该socket传输层使用tcp协议 listenSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)  # socket绑定地址和端口 listenSocket.bind((IP, PORT))   # 使socket处于监听状态，等待客户端的连接请求 # 参数 8 表示 最多接受多少个等待连接的客户端 listenSocket.listen(8) print(f'服务端启动成功，在{PORT}端口等待客户端连接...')  dataSocket, addr = listenSocket.accept() print('接受一个客户端连接:', addr)  while True:     # 尝试读取对方发送的消息     # BUFLEN 指定从接收缓冲里最多读取多少字节     recved = dataSocket.recv(BUFLEN)      # 如果返回空bytes，表示对方关闭了连接     # 退出循环，结束消息收发     if not recved:         break      # 读取的字节数据是bytes类型，需要解码为字符串     info = recved.decode()     print(f'收到对方信息： {info}')      # 发送的数据类型必须是bytes，所以要编码     dataSocket.send(f'服务端接收到了信息 {info}'.encode())  # 服务端也调用close()关闭socket dataSocket.close() listenSocket.close()



下面是tcp 客户端程序 client.py


#  === TCP 客户端程序 client.py ===  from socket import *  IP = '127.0.0.1' SERVER_PORT = 50000 BUFLEN = 1024  # 实例化一个socket对象，指明协议 dataSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)  # 连接服务端socket dataSocket.connect((IP, SERVER_PORT))  while True:     # 从终端读入用户输入的字符串     toSend = input('>>> ')     if  toSend =='exit':         break     # 发送消息，也要编码为 bytes     dataSocket.send(toSend.encode())      # 等待接收服务端的消息     recved = dataSocket.recv(BUFLEN)     # 如果返回空bytes，表示对方关闭了连接     if not recved:         break     # 打印读取的信息     print(recved.decode())  dataSocket.close()


支持多个客户端

上面的服务端代码 只能和一个客户端进行通信。

如果我们同时运行多个客户端，就会发现 后面的客户端程序不能和服务端连接成功。为什么呢？

因为，服务端程序必须不停的对 监听 socket 对象调用 accept()方法，才能不断的接受 新的客户端连接请求。

而且 还需要运行额外的代码 对 多个客户端连接后，返回的多个数据传输socket对象 进行数据的收发。

显然，我们上面的程序没有这样的处理。

因为缺省情况创建的 socket 是 ​​阻塞式​​ 的，进行 accpet调用时，如果没有客户端连接，程序就阻塞在此处，不再执行后续代码。

同样的，调用recv方法，如果没有数据在本socket的接收缓冲，也会阻塞。

所以，通常一个线程里面，没法 不断地 调用 监听socket的 accept方法，同时还能 负责多个 数据传输socket消息的收发。

那么让一个服务端程序 和多个客户端同时连接 并 通信 呢？

聪明的你一定想到了，一个线程不行，就使用多个线程啊。

我们 修改服务端的代码，如下


#  === TCP 服务端程序 server.py ， 支持多客户端 ===  # 导入socket 库 from socket import * from threading import Thread  IP = '' PORT = 50000 BUFLEN = 512  # 这是新线程执行的函数，每个线程负责和一个客户端进行通信 def clientHandler(dataSocket,addr):     while True:         recved = dataSocket.recv(BUFLEN)         # 当对方关闭连接的时候，返回空字符串         if not recved:             print(f'客户端{addr} 关闭了连接' )             break          # 读取的字节数据是bytes类型，需要解码为字符串         info = recved.decode()         print(f'收到{addr}信息： {info}')          dataSocket.send(f'服务端接收到了信息 {info}'.encode())      dataSocket.close()  # 实例化一个socket对象 用来监听客户端连接请求 listenSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)  # socket绑定地址和端口 listenSocket.bind((IP, PORT))  listenSocket.listen(8) print(f'服务端启动成功，在{PORT}端口等待客户端连接...')  while True:    # 在循环中，一直接受新的连接请求    dataSocket, addr = listenSocket.accept()     # Establish connection with client.    addr = str(addr)    print(f'一个客户端 {addr} 连接成功' )     # 创建新线程处理和这个客户端的消息收发    th = Thread(target=clientHandler,args=(dataSocket,addr))    th.start()  listenSocket.close()



多线程方式有个缺点。

如果一个服务端要同时处理大量的客户端连接，比如10000个，需要创建10000个线程。

而操作系统通常不可能为一个进程分配这么多的线程。

实际上，我们的服务端程序，大部分时间都是空闲的，都在等待连接请求，等待接受消息，根本不需要这么多的线程来处理。

这种程序通常被称之为 IO bound 程序，也就是说程序的主要时间都是花费在 IO 上面。

这种程序，其实一个线程就足够了。

关键问题是，需要这一个线程 很好的分配 时间， 在有连接请求到来的时候，执行处理连接请求代码，有消息到达socket缓冲的时候，执行读取处理消息的代码。

这种处理方式称之为异步IO。

Python 3 新增了 asyncio 库， 我们可以使用该库来 实现 同时处理多个客户端数据收发。

示例代码如下：


#  === TCP 服务端程序 server.py 异步支持多客户端 === import asyncio, socket IP = '' PORT = 50000 BUFLEN = 512  # 定义处理数据收发的回调 async def handle_echo(reader, writer):     while True:         data = await reader.read(100)         if not data:             print(f'客户端{addr}关闭了连接')             writer.close()             break         message = data.decode()         addr = writer.get_extra_info('peername')         print(f'收到{addr}信息： {message}')          writer.write(data)  loop = asyncio.get_event_loop() coro = asyncio.start_server(handle_echo, IP, PORT, loop=loop) server = loop.run_until_complete(coro)  # Serve requests until Ctrl+C is pressed print('服务端启动成功，在{}端口等待客户端连接...'.format(server.sockets[0].getsockname())) try:     loop.run_forever() except KeyboardInterrupt:     pass  # Close the server server.close() loop.run_until_complete(server.wait_closed()) loop.close()