Python Socket编程入门教程

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.jb51.net 时,你会打开一个套接字,然后连接到 www.jb51.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:

复制代码 代码如下:

#Socket client example in python

import socket #for sockets

#create an AF_INET, STREAM socket (TCP)
s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

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:

复制代码 代码如下:

#handling errors in python socket programs

import socket #for sockets
import sys #for exit

try:
    #create an AF_INET, STREAM socket (TCP)
    s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
except socket.error, msg:
    print 'Failed to create socket. Error code: ' + str(msg[0]) + ' , Error message : ' + msg[1]
    sys.exit();

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.jb51.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:

复制代码 代码如下:

import socket #for sockets
import sys #for exit

try:
    #create an AF_INET, STREAM socket (TCP)
    s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
except socket.error, msg:
    print 'Failed to create socket. Error code: ' + str(msg[0]) + ' , Error message : ' + msg[1]
    sys.exit();

print 'Socket Created'

host = 'www.jb51.net'

try:
    remote_ip = socket.gethostbyname( host )

except socket.gaierror:
    #could not resolve
    print 'Hostname could not be resolved. Exiting'
    sys.exit()
   
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:

复制代码 代码如下:

import socket #for sockets
import sys #for exit

try:
    #create an AF_INET, STREAM socket (TCP)
    s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
except socket.error, msg:
    print 'Failed to create socket. Error code: ' + str(msg[0]) + ' , Error message : ' + msg[1]
    sys.exit();

print 'Socket Created'

host = 'www.jb51.net'
port = 80

try:
    remote_ip = socket.gethostbyname( host )

except socket.gaierror:
    #could not resolve
    print 'Hostname could not be resolved. Exiting'
    sys.exit()
   
print 'Ip address of ' + host + ' is ' + remote_ip

#Connect to remote server
s.connect((remote_ip , port))

print 'Socket Connected to ' + host + ' on ip ' + remote_ip

现在运行程序

复制代码 代码如下:

$ python client.py
Socket Created
Ip address of www.jb51.net is 61.145.122.155
Socket Connected to www.jb51.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。

友情提示

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:

复制代码 代码如下:

import socket #for sockets
import sys #for exit

try:
    #create an AF_INET, STREAM socket (TCP)
    s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
except socket.error, msg:
    print 'Failed to create socket. Error code: ' + str(msg[0]) + ' , Error message : ' + msg[1]
    sys.exit();

print 'Socket Created'

host = 'www.jb51.net'
port = 80

try:
    remote_ip = socket.gethostbyname( host )

except socket.gaierror:
    #could not resolve
    print 'Hostname could not be resolved. Exiting'
    sys.exit()
   
print 'Ip address of ' + host + ' is ' + remote_ip

#Connect to remote server
s.connect((remote_ip , port))

print 'Socket Connected to ' + host + ' on ip ' + remote_ip

#Send some data to remote server
message = "GET / HTTP/1.1\r\n\r\n"

try :
    #Set the whole string
    s.sendall(message)
except socket.error:
    #Send failed
    print 'Send failed'
    sys.exit()

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:

复制代码 代码如下:

#Socket client example in python

import socket #for sockets
import sys #for exit

#create an INET, STREAMing socket
try:
    s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
except socket.error:
    print 'Failed to create socket'
    sys.exit()
   
print 'Socket Created'

host = 'jb51.net';
port = 80;

try:
    remote_ip = socket.gethostbyname( host )

except socket.gaierror:
    #could not resolve
    print 'Hostname could not be resolved. Exiting'
    sys.exit()

#Connect to remote server
s.connect((remote_ip , port))

print 'Socket Connected to ' + host + ' on ip ' + remote_ip

#Send some data to remote server
message = "GET / HTTP/1.1\r\nHost: jb51.net\r\n\r\n"

try :
    #Set the whole string
    s.sendall(message)
except socket.error:
    #Send failed
    print 'Send failed'
    sys.exit()

print 'Message send successfully'

#Now receive data
reply = s.recv(4096)

print reply

下面是上述程序执行的结果:

复制代码 代码如下:

$ python client.py
Socket Created
Ip address of jb51.net is 61.145.122.
Socket Connected to jb51.net on ip 61.145.122.155
Message send successfully
HTTP/1.1 301 Moved Permanently
Server: nginx
Date: Wed, 24 Oct 2012 13:26:46 GMT
Content-Type: text/html
Content-Length: 178
Connection: keep-alive
Keep-Alive: timeout=20
Location: http://www.jb51.net/

jb51.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:

复制代码 代码如下:

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.jb51.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.jb51.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:

复制代码 代码如下:

import socket
import sys

HOST = '' # Symbolic name meaning all available interfaces
PORT = 8888 # Arbitrary non-privileged port

s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
print 'Socket created'

try:
    s.bind((HOST, PORT))
except socket.error , msg:
    print 'Bind failed. Error Code : ' + str(msg[0]) + ' Message ' + msg[1]
    sys.exit()
   
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:

复制代码 代码如下:

s.listen(10)
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:

复制代码 代码如下:

import socket
import sys

HOST = '' # Symbolic name meaning all available interfaces
PORT = 8888 # Arbitrary non-privileged port

s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
print 'Socket created'

try:
    s.bind((HOST, PORT))
except socket.error , msg:
    print 'Bind failed. Error Code : ' + str(msg[0]) + ' Message ' + msg[1]
    sys.exit()
   
print 'Socket bind complete'

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

#wait to accept a connection - blocking call
conn, addr = s.accept()

#display client information
print 'Connected with ' + addr[0] + ':' + str(addr[1])

输出
运行该程序将会显示:

复制代码 代码如下:

$ python server.py
Socket created
Socket bind complete
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:

复制代码 代码如下:

$ telnet localhost 8888

It will immediately show
$ telnet localhost 8888
Trying 127.0.0.1...
Connected to localhost.
Escape character is '^]'.
Connection closed by foreign host.

而服务器端窗口显示的是:

复制代码 代码如下:

$ python server.py
Socket created
Socket bind complete
Socket now listening
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:

复制代码 代码如下:

import socket
import sys

HOST = '' # Symbolic name meaning all available interfaces
PORT = 8888 # Arbitrary non-privileged port

s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
print 'Socket created'

try:
    s.bind((HOST, PORT))
except socket.error , msg:
    print 'Bind failed. Error Code : ' + str(msg[0]) + ' Message ' + msg[1]
    sys.exit()
   
print 'Socket bind complete'

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

#wait to accept a connection - blocking call
conn, addr = s.accept()

print 'Connected with ' + addr[0] + ':' + str(addr[1])

#now keep talking with the client
data = conn.recv(1024)
conn.sendall(data)

conn.close()
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:

复制代码 代码如下:

$ telnet localhost 8888
Trying 127.0.0.1...
Connected to localhost.
Escape character is '^]'.
happy
happy
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.jb51.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:

复制代码 代码如下:

import socket
import sys

HOST = '' # Symbolic name meaning all available interfaces
PORT = 8888 # Arbitrary non-privileged port

s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
print 'Socket created'

try:
    s.bind((HOST, PORT))
except socket.error , msg:
    print 'Bind failed. Error Code : ' + str(msg[0]) + ' Message ' + msg[1]
    sys.exit()
   
print 'Socket bind complete'

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

#now keep talking with the client
while 1:
    #wait to accept a connection - blocking call
    conn, addr = s.accept()
    print 'Connected with ' + addr[0] + ':' + str(addr[1])
   
    data = conn.recv(1024)
    reply = 'OK...' + data
    if not data:
        break
   
    conn.sendall(reply)

conn.close()
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:

复制代码 代码如下:

$ telnet localhost 5000
Trying 127.0.0.1...
Connected to localhost.
Escape character is '^]'.
happy
OK .. happy
Connection closed by foreign host.

服务器所在的终端窗口显示的是:

复制代码 代码如下:

$ python server.py
Socket created
Socket bind complete
Socket now listening
Connected with 127.0.0.1:60225
Connected with 127.0.0.1:60237
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:

复制代码 代码如下:

import socket
import sys
from thread import *

HOST = '' # Symbolic name meaning all available interfaces
PORT = 8888 # Arbitrary non-privileged port

s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
print 'Socket created'

#Bind socket to local host and port
try:
    s.bind((HOST, PORT))
except socket.error , msg:
    print 'Bind failed. Error Code : ' + str(msg[0]) + ' Message ' + msg[1]
    sys.exit()
   
print 'Socket bind complete'

#Start listening on socket
s.listen(10)
print 'Socket now listening'

#Function for handling connections. This will be used to create threads
def clientthread(conn):
    #Sending message to connected client
    conn.send('Welcome to the server. Type something and hit enter\n') #send only takes string
   
    #infinite loop so that function do not terminate and thread do not end.
    while True:
       
        #Receiving from client
        data = conn.recv(1024)
        reply = 'OK...' + data
        if not data:
            break
   
        conn.sendall(reply)
   
    #came out of loop
    conn.close()

#now keep talking with the client
while 1:
    #wait to accept a connection - blocking call
    conn, addr = s.accept()
    print 'Connected with ' + addr[0] + ':' + str(addr[1])
   
    #start new thread takes 1st argument as a function name to be run, second is the tuple of arguments to the function.
    start_new_thread(clientthread ,(conn,))

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:

复制代码 代码如下:

$ telnet localhost 8888
Trying 127.0.0.1...
Connected to localhost.
Escape character is '^]'.
Welcome to the server. Type something and hit enter
hi
OK...hi
asd
OK...asd
cv
OK...cv

服务器端所在终端窗口输出信息如下:

复制代码 代码如下:

$ python server.py
Socket created
Socket bind complete
Socket now listening
Connected with 127.0.0.1:60730
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。

时间: 2014-07-10

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