Python socket 模块函数的应用
2021-04-145.0k 阅读
Python socket 模块简介
在计算机网络编程中，socket（套接字）是一个关键概念。它为应用程序提供了一种通过网络进行通信的方式。Python 中的 socket 模块提供了对底层 socket 接口的访问，使得开发者能够轻松地创建网络应用，无论是客户端还是服务器端。
socket 模块是基于 BSD（Berkeley Software Distribution）套接字接口的 Python 实现。它支持多种网络协议，如 TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）和 UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议），同时也适用于不同的网络地址族，比如 IPv4（AF_INET）和 IPv6（AF_INET6）。
socket 模块的安装
在大多数 Python 环境中，socket 模块是内置的，无需额外安装。Python 标准库自带了这个模块，只要你安装了 Python，就可以直接使用它。你可以在 Python 解释器中通过简单的导入操作来验证：
try:
import socket
print("socket 模块可用")
except ImportError:
print("socket 模块未找到")
socket 模块中的重要函数
socket.socket() 函数
- 作用：创建一个新的 socket 对象。这是使用
socket模块进行网络编程的第一步，通过该函数我们可以指定要使用的地址族和套接字类型。 - 语法：
socket.socket(family=AF_INET, type=SOCK_STREAM, proto=0, fileno=None)family：指定地址族。常见的值有AF_INET（用于 IPv4 地址）和AF_INET6（用于 IPv6 地址）。如果不指定，默认使用AF_INET。type：指定套接字类型。常见的类型有SOCK_STREAM（用于 TCP 协议，提供可靠的、面向连接的通信）和SOCK_DGRAM（用于 UDP 协议，提供不可靠的、无连接的通信）。默认值为SOCK_STREAM。proto：通常设为 0，用于指定协议类型。对于大多数情况，默认值就足够了。fileno：如果指定了fileno，则使用该文件描述符对应的 socket，而不是创建一个新的 socket。这个参数很少使用。
以下是创建不同类型 socket 的示例代码：
import socket
# 创建一个 IPv4 TCP socket
tcp_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
# 创建一个 IPv4 UDP socket
udp_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DUDP)
# 创建一个 IPv6 TCP socket
ipv6_tcp_socket = socket.socket(socket.AF_INET6, socket.SOCK_STREAM)
socket.bind() 函数
- 作用：将 socket 绑定到一个地址。在服务器端编程中，这一步至关重要，它告诉系统该 socket 要监听哪个网络接口和端口号。
- 语法：
socket.bind(address)address：对于 IPv4 地址族，address是一个包含 IP 地址和端口号的元组，例如('127.0.0.1', 8888)。对于 IPv6 地址族，address是一个包含 IPv6 地址、端口号、流信息和作用域 ID 的元组，例如('2001:db8::1', 8888, 0, 0)。
以下是服务器端绑定 socket 的示例代码：
import socket
server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
server_address = ('127.0.0.1', 8888)
server_socket.bind(server_address)
socket.listen() 函数
- 作用：使服务器 socket 进入监听状态，准备接受客户端的连接请求。它会在指定的地址和端口上监听传入的连接。
- 语法：
socket.listen(backlog)backlog：指定在拒绝连接之前，操作系统可以挂起的最大连接数量。通常设为一个合理的值，如 5 到 10。
以下是服务器端设置监听的示例代码：
import socket
server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
server_address = ('127.0.0.1', 8888)
server_socket.bind(server_address)
server_socket.listen(5)
print("服务器正在监听 127.0.0.1:8888")
socket.accept() 函数
- 作用：在服务器端，该函数用于接受客户端的连接请求。它是一个阻塞调用，即程序会在此处等待，直到有客户端连接进来。当有连接到达时，它会返回一个新的 socket 对象（用于与客户端通信）和客户端的地址。
- 语法：
socket.accept()- 返回值：一个包含两个元素的元组
(conn, address)，其中conn是新的 socket 对象，用于与客户端进行通信；address是客户端的地址。
- 返回值：一个包含两个元素的元组
以下是完整的服务器端接受客户端连接的示例代码：
import socket
server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
server_address = ('127.0.0.1', 8888)
server_socket.bind(server_address)
server_socket.listen(5)
print("服务器正在监听 127.0.0.1:8888")
while True:
conn, client_address = server_socket.accept()
print(f"接受来自 {client_address} 的连接")
conn.close()
socket.connect() 函数
- 作用：在客户端，该函数用于连接到服务器。它尝试与指定地址和端口的服务器建立连接。
- 语法：
socket.connect(address)address：与bind()函数中的address格式相同，对于 IPv4 是(ip_address, port)元组，对于 IPv6 是(ipv6_address, port, flowinfo, scopeid)元组。
以下是客户端连接服务器的示例代码：
import socket
client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
server_address = ('127.0.0.1', 8888)
client_socket.connect(server_address)
print("已连接到服务器 127.0.0.1:8888")
client_socket.close()
socket.connect_ex() 函数
- 作用：与
connect()函数类似，也是用于客户端连接服务器。但connect_ex()函数不会引发异常，而是返回错误码。这在需要更精细地控制连接错误时很有用。 - 语法：
socket.connect_ex(address)- 返回值：如果连接成功，返回 0；如果连接失败，返回相应的错误码。
以下是使用 connect_ex() 函数的示例代码：
import socket
client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
server_address = ('127.0.0.1', 8888)
result = client_socket.connect_ex(server_address)
if result == 0:
print("已连接到服务器 127.0.0.1:8888")
else:
print(f"连接失败，错误码: {result}")
client_socket.close()
socket.send() 函数
- 作用：用于通过 socket 发送数据。在 TCP 套接字中，它会将数据发送到连接的另一端。数据必须是字节类型（
bytes）。 - 语法：
socket.send(bytes)bytes：要发送的字节数据。
以下是服务器端向客户端发送数据的示例代码：
import socket
server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
server_address = ('127.0.0.1', 8888)
server_socket.bind(server_address)
server_socket.listen(5)
print("服务器正在监听 127.0.0.1:8888")
while True:
conn, client_address = server_socket.accept()
print(f"接受来自 {client_address} 的连接")
data_to_send = b"Hello, client!"
conn.send(data_to_send)
conn.close()
socket.sendall() 函数
- 作用：同样用于通过 socket 发送数据，但与
send()不同的是，sendall()会尝试发送所有数据，直到所有数据都被发送或者发生错误。在网络不稳定的情况下，sendall()比send()更可靠。 - 语法：
socket.sendall(bytes)bytes：要发送的字节数据。
以下是使用 sendall() 函数的示例代码：
import socket
server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
server_address = ('127.0.0.1', 8888)
server_socket.bind(server_address)
server_socket.listen(5)
print("服务器正在监听 127.0.0.1:8888")
while True:
conn, client_address = server_socket.accept()
print(f"接受来自 {client_address} 的连接")
data_to_send = b"Hello, client! This is a longer message."
conn.sendall(data_to_send)
conn.close()
socket.recv() 函数
- 作用：用于从 socket 接收数据。在 TCP 套接字中，它会从连接的另一端接收数据。
- 语法：
socket.recv(bufsize, flags=0)bufsize：指定一次最多接收多少字节的数据。通常设置为一个合理的大小，如 1024 字节。flags：通常设为 0，用于指定接收数据的方式。
以下是客户端接收服务器数据的示例代码：
import socket
client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
server_address = ('127.0.0.1', 8888)
client_socket.connect(server_address)
data = client_socket.recv(1024)
print(f"接收到的数据: {data.decode('utf - 8')}")
client_socket.close()
socket.sendto() 函数
- 作用：用于 UDP 套接字发送数据。与 TCP 不同，UDP 是无连接的，因此
sendto()函数需要指定目标地址。 - 语法：
socket.sendto(bytes, address)bytes：要发送的字节数据。address：目标地址，格式为(ip_address, port)元组。
以下是 UDP 客户端发送数据的示例代码：
import socket
udp_client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DUDP)
server_address = ('127.0.0.1', 9999)
data_to_send = b"Hello, UDP server!"
udp_client_socket.sendto(data_to_send, server_address)
udp_client_socket.close()
socket.recvfrom() 函数
- 作用：用于 UDP 套接字接收数据。它不仅会接收数据，还会返回发送方的地址。
- 语法：
socket.recvfrom(bufsize, flags=0)bufsize：指定一次最多接收多少字节的数据。flags：通常设为 0。
以下是 UDP 服务器接收数据的示例代码：
import socket
udp_server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DUDP)
server_address = ('127.0.0.1', 9999)
udp_server_socket.bind(server_address)
data, client_address = udp_server_socket.recvfrom(1024)
print(f"从 {client_address} 接收到的数据: {data.decode('utf - 8')}")
udp_server_socket.close()
socket.close() 函数
- 作用：关闭 socket，释放相关资源。在完成网络通信后，无论是客户端还是服务器端，都应该调用该函数关闭 socket。
- 语法：
socket.close()
以下是关闭 socket 的示例代码：
import socket
server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
# 进行一些操作，如绑定、监听、接受连接等
server_socket.close()
client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
client_socket.connect(('127.0.0.1', 8888))
# 进行一些操作，如发送和接收数据
client_socket.close()
socket 模块在实际应用中的案例
简单的 TCP 聊天程序
- 服务器端代码
import socket
def start_server():
server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
server_address = ('127.0.0.1', 8888)
server_socket.bind(server_address)
server_socket.listen(5)
print("服务器正在监听 127.0.0.1:8888")
while True:
conn, client_address = server_socket.accept()
print(f"接受来自 {client_address} 的连接")
while True:
try:
data = conn.recv(1024)
if not data:
break
print(f"客户端说: {data.decode('utf - 8')}")
response = input("请输入回复内容: ").encode('utf - 8')
conn.send(response)
except Exception as e:
print(f"发生错误: {e}")
break
conn.close()
if __name__ == "__main__":
start_server()
- 客户端代码
import socket
def start_client():
client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
server_address = ('127.0.0.1', 8888)
client_socket.connect(server_address)
while True:
message = input("请输入要发送的消息: ").encode('utf - 8')
client_socket.send(message)
data = client_socket.recv(1024)
if not data:
break
print(f"服务器回复: {data.decode('utf - 8')}")
client_socket.close()
if __name__ == "__main__":
start_client()
UDP 文件传输模拟
- 发送端代码
import socket
import os
def send_file_udp():
udp_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DUDP)
server_address = ('127.0.0.1', 9999)
file_path = "example.txt"
if not os.path.exists(file_path):
print(f"文件 {file_path} 不存在")
return
with open(file_path, 'rb') as file:
while True:
data = file.read(1024)
if not data:
break
udp_socket.sendto(data, server_address)
# 发送结束标志
end_marker = b"END_OF_FILE"
udp_socket.sendto(end_marker, server_address)
udp_socket.close()
if __name__ == "__main__":
send_file_udp()
- 接收端代码
import socket
import os
def receive_file_udp():
udp_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DUDP)
server_address = ('127.0.0.1', 9999)
udp_socket.bind(server_address)
received_data = b""
while True:
data, client_address = udp_socket.recvfrom(1024)
if data == b"END_OF_FILE":
break
received_data += data
with open("received_example.txt", 'wb') as file:
file.write(received_data)
udp_socket.close()
if __name__ == "__main__":
receive_file_udp()
socket 模块使用中的注意事项
- 错误处理：在使用
socket模块的函数时，可能会发生各种错误，如连接超时、地址被占用等。应该始终使用适当的异常处理机制来捕获和处理这些错误，以提高程序的稳定性。例如，在使用connect()函数时，可以捕获ConnectionRefusedError异常来处理服务器拒绝连接的情况。
import socket
client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
server_address = ('127.0.0.1', 8888)
try:
client_socket.connect(server_address)
except ConnectionRefusedError:
print("连接被拒绝，服务器可能未运行或端口不正确")
client_socket.close()
- 字节编码：在发送和接收数据时，要注意数据的编码和解码。
send()和sendto()函数要求数据是字节类型（bytes），而recv()和recvfrom()函数返回的也是字节类型数据。如果要处理文本数据，需要在发送前进行编码（如str.encode('utf - 8')），在接收后进行解码（如bytes.decode('utf - 8')）。 - 资源管理：确保在完成网络通信后，及时关闭 socket。未关闭的 socket 可能会导致资源泄漏，影响系统性能。使用
try - finally语句可以确保即使在发生异常时，socket 也能被正确关闭。
import socket
server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
try:
server_address = ('127.0.0.1', 8888)
server_socket.bind(server_address)
server_socket.listen(5)
# 进行一些操作
finally:
server_socket.close()
- 网络延迟和丢包：在实际网络环境中，网络延迟和丢包是不可避免的。对于 TCP 协议，它本身提供了可靠性机制来处理这些问题，但对于 UDP 协议，开发者需要自己实现一些机制来处理丢包和重传等问题。例如，可以使用定时器来检测数据包是否丢失，并进行重传。
通过深入理解和熟练运用 socket 模块中的函数，开发者可以创建出各种功能强大的网络应用程序，无论是简单的客户端 - 服务器通信，还是复杂的分布式系统。同时，注意使用过程中的各种细节和注意事项，能够使网络应用更加稳定和可靠。