套接字编程指南¶

套接字¶

我将只讨论关于 INET（比如：IPv4 地址族）的套接字，但是它将覆盖几乎 99% 的套接字使用场景。并且我将仅讨论 STREAM（比如：TCP）类型的套接字 - 除非你真的知道你在做什么（那么这篇 HOWTO 可能并不适合你），使用 STREAM 类型的套接字将会得到比其它类型更好的表现与性能。我将尝试揭开套接字的神秘面纱，也会讲到一些阻塞与非阻塞套接字的使用。但是我将以阻塞套接字为起点开始讨论。只有你了解它是如何工作的以后才能处理非阻塞套接字。

理解这些东西的难点之一在于「套接字」可以表示很多微妙差异的东西，这取决于上下文。所以首先，让我们先分清楚「客户端」套接字和「服务端」套接字之间的不同，客户端套接字表示对话的一端，服务端套接字更像是总机接线员。客户端程序只能（比如：你的浏览器）使用「客户端」套接字；网络服务器则可以使用「服务端」套接字和「客户端」套接字来会话

创建套接字¶

简略地说，当你点击带你来到这个页面的链接时，你的浏览器就已经做了下面这几件事情:

# create an INET, STREAMing socket
s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
# now connect to the web server on port 80 - the normal http port
s.connect(("www.python.org", 80))

当连接完成，套接字可以用来发送请求来接收页面上显示的文字。同样是这个套接字也会用来读取响应，最后再被销毁。是的，被销毁了。客户端套接字通常用来做一次交换（或者说一小组序列的交换）。

网络服务器发生了什么这个问题就有点复杂了。首页，服务器创建一个「服务端套接字」:

# create an INET, STREAMing socket
serversocket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
# bind the socket to a public host, and a well-known port
serversocket.bind((socket.gethostname(), 80))
# become a server socket
serversocket.listen(5)

有几件事需要注意：我们使用了 socket.gethostname()，所以套接字将外网可见。如果我们使用的是 s.bind(('localhost', 80)) 或者 s.bind(('127.0.0.1', 80))，也会得到一个「服务端」套接字，但是后者只在同一机器上可见。s.bind(('', 80)) 则指定套接字可以被机器上的任何地址碰巧连接

第二个需要注点是：低端口号通常被一些「常用的」服务（HTTP, SNMP 等）所保留。如果你想把程序跑起来，最好使用一个高位端口号（通常是4位的数字）。

最后，listen 方法的参数会告诉套接字库，我们希望在队列中累积多达 5 个（通常的最大值）连接请求后再拒绝外部连接。 如果所有其他代码都准确无误，这个队列长度应该是足够的。

现在我们已经有一个「服务端」套接字，监听了 80 端口，我们可以进入网络服务器的主循环了:

while True:
    # accept connections from outside
    (clientsocket, address) = serversocket.accept()
    # now do something with the clientsocket
    # in this case, we'll pretend this is a threaded server
    ct = client_thread(clientsocket)
    ct.run()

事际上，通常有 3 种方法可以让这个循环工作起来 - 调度一个线程来处理 客户端套接字，或者把这个应用改成使用非阻塞模式套接字，亦或是使用 select 库来实现「服务端」套接字与任意活动 客户端套接字 之间的多路复用。稍后会详细介绍。现在最重要的是理解：这就是一个 服务端 套接字做的 所有 事情。它并没有发送任何数据。也没有接收任何数据。它只创建「客户端」套接字。每个 客户端套接字 都是为了响应某些其它客户端套接字 connect() 到我们绑定的主机。一旦创建 客户端套接字 完成，就会返回并监听更多的连接请求。现个客户端可以随意通信 - 它们使用了一些动态分配的端口，会话结束时端口才会被回收

使用一个套接字¶

首先需要注意，浏览器的「客户端」套接字和网络服务器的「客户端」套接字是极为相似的。即这种会话是「点对点」的。或者也可以说 你作为设计师需要自行决定会话的规则和礼节 。通常情况下，连接 套接字通过发送一个请求或者信号来开始一次会话。但这属于设计决定，并不是套接字规则。

现在有两组用于通信的动词。你可以使用 send 和 recv ，或者你可以把客户端套接字改成文件类型的形式来使用 read 和 write 方法。后者是 Java 语言中表示套接字的方法，我将不会在这儿讨论这个，但是要提醒你需要调用套接字的 flush 方法。这些是“缓冲”的文件，一个经常出现的错误是 write 一些东西，然后就直接开始 read 一个响应。如果不调用 flush ，你可能会一直等待这个响应，因为请求可能还在你的输出缓冲中。

现在我来到了套接字的两个主要的绊脚石 - send 和 recv 操作网络缓冲区。它们并不一定可以处理所有你想要（期望）的字节，因为它们主要关注点是处理网络缓冲。通常，它们在关联的网络缓冲区 send 或者清空 recv 时返回。然后告诉你处理了多少个字节。你 的责任是一直调用它们直到你所有的消息处理完成。

当 recv 方法返回 0 字节时，就表示另一端已经关闭（或者它所在的进程关闭）了连接。你再也不能从这个连接上获取到任何数据了。你可以成功的发送数据；我将在后面讨论这一点。

像 HTTP 这样的协议只使用一个套接字进行一次传输。客户端发送一个请求，然后读取响应。就这么简单。套接字会被销毁。 表示客户端可以通过接收 0 字节序列表示检测到响应的结束。

但是如果你打算在随后来的传输中复用套接字的话，你需要明白 套接字里面是不存在 :abbr:`EOT (传输结束)` 的。重复一下：套接字 send 或者 recv 完 0 字节后返回，连接会中断。如果连接没有被断开，你可能会永远处于等待 recv 的状态，因为（就目前来说）套接字 不会 告诉你不用再读取了。现在如果你细心一点，你可能会意识到套接字基本事实：消息必须要么具有固定长度，要么可以界定，要么指定了长度（比较好的做法），要么以关闭连接为结束。选择完全由你而定（这比让别人定更合理）。

假定你不希望结束连接，那么最简单的解决方案就是使用定长消息:

class MySocket:
    """demonstration class only
      - coded for clarity, not efficiency
    """

    def __init__(self, sock=None):
        if sock is None:
            self.sock = socket.socket(
                            socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
        else:
            self.sock = sock

    def connect(self, host, port):
        self.sock.connect((host, port))

    def mysend(self, msg):
        totalsent = 0
        while totalsent < MSGLEN:
            sent = self.sock.send(msg[totalsent:])
            if sent == 0:
                raise RuntimeError("socket connection broken")
            totalsent = totalsent + sent

    def myreceive(self):
        chunks = []
        bytes_recd = 0
        while bytes_recd < MSGLEN:
            chunk = self.sock.recv(min(MSGLEN - bytes_recd, 2048))
            if chunk == b'':
                raise RuntimeError("socket connection broken")
            chunks.append(chunk)
            bytes_recd = bytes_recd + len(chunk)
        return b''.join(chunks)

发送分部代码几乎可用于任何消息传递方案 —— 在 Python 中你发送字符串，可以使用 len() 方法来确定它的长度（即使它嵌入了 \0 字符），主要是接收代码变得更复杂。（在 C 语言中，并没有更糟糕，除非消息嵌入了 \0 字符而且你又无法使用 strlen ）

最简单的改进是让消息的第一个字符表示消息类型，由类型决定长度。现在你需要两次 recv- 第一次取（至少）第一个字符来知晓长度，第二次在循环中获取剩余所有的消息。如果你决定到分界线，你将收到一些任意大小的块，（4096 或者 8192 通常是比较合适的网络缓冲区大小），扫描你接收到的分界符

一个需要意识到的复杂情况是：如果你的会话协议允许多个消息被发送回来（没有响应），调用 recv 传入任意大小的块，你可能会因为读到后续接收的消息而停止读取。你需要将它放在一边并保存，直到它需要为止。

以其长度（例如，作为5个数字字符）作为消息前缀时会变得更复杂，因为（信不信由你）你可能无法在一个 recv 中获得所有5个字符。在一般使用时，你会侥幸避免该状况；但是在高网络负载中，除非你使用两个 recv 循环，否则你的代码将很快中断 —— 第一个用于确定长度，第二个用于获取消息的数据部分。这很讨厌。当你发现 send 并不总是设法在支持搞定一切时，你也会有这种感觉。 尽管已经阅读过这篇文章，但最终还是会有所了解！

限于篇幅，建立你的角色，（保持与我的竞争位置），这些改进将留给读者做为练习。现在让我们继续。

断开连接¶

严格地讲，你应该在 close 它之前将套接字 shutdown 。 shutdown 是发送给套接字另一端的一种建议。调用时参数不同意义也不一样，它可能意味着「我不会再发送了，但我仍然会监听」，或者「我没有监听了，真棒！」。然而，大多数套接字库或者程序员都习惯了忽略使用这种礼节，因为通常情况下 close 与 shutdown(); close() 是一样的。所以在大多数情况下，不需要显式的 shutdown 。

高效使用 shutdown 的一种方法是在类似 HTTP 的交换中。客户端发送请求，然后执行 shutdown(1) 。 这告诉服务器“此客户端已完成发送，但仍可以接收”。服务器可以通过接收 0 字节来检测 “EOF” 。它可以假设它有完整的请求。服务器发送回复。如果 send 成功完成，那么客户端仍在接收。

Python 进一步自动关闭，并说当一个套接字被垃圾收集时，如果需要它会自动执行 close 。但依靠这个机制是一个非常坏的习惯。如果你的套接字在没有 close 的情况下就消失了，那么另一端的套接字可能会无限期地挂起，以为你只是慢了一步。完成后 请 close 你的套接字。

非阻塞的套接字¶

如果你已理解上述内容，那么你已经了解了使用套接字的机制所需了解的大部分内容。你仍将以相同的方式使用相同的函数调用。 只是，如果你做得对，你的应用程序几乎是由内到外的。

在 Python 中是使用 socket.setblocking(False) 来设置非阻塞。 在 C 中的做法更为复杂（例如，你需要在 BSD 风格的 O_NONBLOCK 和几乎无区别的 POSIX 风格的 O_NDELAY 之间作出选择，这与 TCP_NODELAY 完全不一样），但其思路实际上是相同的。 你要在创建套接字之后但在使用它之前执行此操作。 （实际上，如果你是疯子的话也可以反复进行切换。）

主要的机制差异是 send 、 recv 、 connect 和 accept 可以在没有做任何事情的情况下返回。 你（当然）有很多选择。你可以检查返回代码和错误代码，通常会让自己发疯。如果你不相信我，请尝试一下。你的应用程序将变得越来越大、越来越 Bug 、吸干 CPU。因此，让我们跳过脑死亡的解决方案并做正确的事。

使用 select 库

在 C 中，编码 select 相当复杂。 在 Python 中，它是很简单，但它与 C 版本足够接近，如果你在 Python 中理解 select ，那么在 C 中你会几乎不会遇到麻烦:

ready_to_read, ready_to_write, in_error = \
               select.select(
                  potential_readers,
                  potential_writers,
                  potential_errs,
                  timeout)

你传递给 select 三个列表：第一个包含你可能想要尝试读取的所有套接字；第二个是你可能想要尝试写入的所有套接字，以及要检查错误的最后一个（通常为空）。你应该注意，套接字可以进入多个列表。 select 调用是阻塞的，但你可以给它一个超时。这通常是一件明智的事情 —— 给它一个很长的超时（比如一分钟），除非你有充分的理由不这样做。

作为返回，你将获得三个列表。它们包含实际可读、可写和有错误的套接字。 这些列表中的每一个都是你传入的相应列表的子集（可能为空）。

如果一个套接字在输出可读列表中，那么你可以像我们一样接近这个业务，那个套接字上的 recv 将返回 一些内容 。可写列表的也相同，你将能够发送 一些内容 。 也许不是你想要的全部，但 有些东西 比没有东西更好。 （实际上，任何合理健康的套接字都将以可写方式返回 —— 它只是意味着出站网络缓冲区空间可用。）

如果你有一个“服务器”套接字，请将其放在 potential_readers 列表中。如果它出现在可读列表中，那么你的 accept （几乎肯定）会起作用。如果你已经创建了一个新的套接字 connect 其他人，请将它放在 potential_writers 列表中。如果它出现在可写列表中，那么它有可能已连接。

实际上，即使使用阻塞套接字， select 也很方便。这是确定是否阻塞的一种方法 —— 当缓冲区中存在某些内容时，套接字返回为可读。然而，这仍然无助于确定另一端是否完成或者只是忙于其他事情的问题。

可移植性警告 ：在 Unix 上， select 适用于套接字和文件。 不要在 Windows 上尝试。在 Windows 上， select 仅适用于套接字。另请注意，在 C 中，许多更高级的套接字选项在 Windows 上的执行方式不同。事实上，在 Windows 上我通常在使用我的套接字使用线程（非常非常好）。