Python 套接字对象内置方法的使用

一、Python 套接字简介

在计算机网络编程中，套接字（Socket）是一种用于进程间通信（IPC）的机制，它允许不同主机或同一主机上的不同进程进行数据交换。Python 通过 socket 模块提供了对套接字编程的支持。套接字对象拥有一系列内置方法，这些方法是实现网络通信的关键，它们涵盖了创建连接、发送和接收数据以及管理套接字状态等多个方面。

（一）套接字家族

在 Python 的 socket 模块中，主要有两种套接字家族：

1. AF_INET：用于 IPv4 网络。这是目前最常用的套接字家族，大多数互联网应用都基于 IPv4 进行通信。例如，当我们要与一个网站服务器建立连接时，通常会使用 AF_INET 家族的套接字。
2. AF_INET6：用于 IPv6 网络。随着 IPv4 地址的逐渐耗尽，IPv6 变得越来越重要。AF_INET6 套接字家族为支持 IPv6 网络通信提供了必要的接口。

（二）套接字类型

除了套接字家族，还有不同的套接字类型，常见的有：

1. SOCK_STREAM：基于 TCP（传输控制协议）的流套接字。TCP 是一种可靠的、面向连接的协议，它保证数据的有序传输和完整性。常用于需要可靠数据传输的应用，如文件传输、网页浏览等。
2. SOCK_DGRAM：基于 UDP（用户数据报协议）的数据报套接字。UDP 是一种不可靠的、无连接的协议，它不保证数据的有序到达和完整性，但具有传输速度快、开销小的特点。常用于实时性要求较高但对数据准确性要求相对较低的应用，如音频和视频流传输。

二、创建套接字对象

在使用套接字对象的内置方法之前，首先需要创建一个套接字对象。这通过 socket.socket() 函数来实现，该函数接受两个参数：套接字家族和套接字类型。

（一）创建 IPv4 TCP 套接字

import socket

# 创建一个 IPv4 TCP 套接字
sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

在上述代码中，我们使用 socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) 创建了一个 IPv4 TCP 套接字对象 sock。

（二）创建 IPv4 UDP 套接字

import socket

# 创建一个 IPv4 UDP 套接字
sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DUDP)

这里通过 socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DUDP) 创建了一个 IPv4 UDP 套接字对象。

（三）创建 IPv6 TCP 套接字

import socket

# 创建一个 IPv6 TCP 套接字
sock = socket.socket(socket.AF_INET6, socket.SOCK_STREAM)

使用 socket.socket(socket.AF_INET6, socket.SOCK_STREAM) 则创建了一个 IPv6 TCP 套接字。

三、服务器端套接字方法

（一）bind() 方法

1. 功能：bind() 方法用于将套接字绑定到一个地址。在服务器端编程中，这一步是必不可少的，它告诉操作系统该套接字将在哪个 IP 地址和端口上监听连接。
2. 语法：socket.bind(address)，其中 address 是一个元组，对于 IPv4 套接字，格式为 (host, port)，host 是主机名或 IP 地址，port 是端口号；对于 IPv6 套接字，格式为 (host, port, flowinfo, scopeid)，不过在大多数常见情况下，后两个参数可以省略。
3. 示例：

import socket

# 创建一个 IPv4 TCP 套接字
sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
# 绑定到本地地址 127.0.0.1 的 8888 端口
server_address = ('127.0.0.1', 8888)
sock.bind(server_address)

在这个例子中，我们将 IPv4 TCP 套接字绑定到本地回环地址 127.0.0.1 的 8888 端口。如果绑定成功，该套接字就准备好监听这个地址和端口上的连接了。

（二）listen() 方法

1. 功能：listen() 方法使套接字处于监听状态，准备接受客户端的连接请求。它设置了等待连接队列的最大长度。
2. 语法：socket.listen(backlog)，backlog 是等待连接队列的最大长度。当有多个客户端同时尝试连接服务器时，未被立即处理的连接请求会被放入这个队列中。
3. 示例：

import socket

# 创建一个 IPv4 TCP 套接字
sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
server_address = ('127.0.0.1', 8888)
sock.bind(server_address)
# 设置监听，最大等待连接数为 5
sock.listen(5)

这里我们将等待连接队列的最大长度设置为 5，表示最多可以有 5 个未处理的连接请求在队列中等待。

（三）accept() 方法

1. 功能：accept() 方法用于接受客户端的连接。它是一个阻塞方法，即当没有客户端连接时，程序会在此处暂停，直到有客户端连接到来。当有连接到达时，它返回一个新的套接字对象，用于与客户端进行通信，同时返回客户端的地址。
2. 语法：client_socket, client_address = socket.accept()，client_socket 是新的套接字对象，用于与客户端通信；client_address 是客户端的地址。
3. 示例：

import socket

# 创建一个 IPv4 TCP 套接字
sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
server_address = ('127.0.0.1', 8888)
sock.bind(server_address)
sock.listen(5)

print('等待客户端连接...')
# 接受客户端连接
client_socket, client_address = sock.accept()
print(f'客户端 {client_address} 已连接')

# 关闭与客户端的连接
client_socket.close()
# 关闭服务器套接字
sock.close()

在这个示例中，服务器套接字在接受客户端连接后，打印出客户端的地址，然后关闭与客户端的连接以及服务器套接字。

四、客户端套接字方法

（一）connect() 方法

1. 功能：connect() 方法用于客户端连接到服务器。客户端通过指定服务器的地址和端口，使用这个方法尝试与服务器建立连接。
2. 语法：socket.connect(address)，address 是服务器的地址，格式与服务器端 bind() 方法中的地址格式相同。
3. 示例：

import socket

# 创建一个 IPv4 TCP 套接字
sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
server_address = ('127.0.0.1', 8888)
# 连接到服务器
sock.connect(server_address)
print('已连接到服务器')

# 关闭套接字
sock.close()

此代码中，客户端套接字尝试连接到本地服务器的 127.0.0.1:8888 地址，如果连接成功则打印提示信息，最后关闭套接字。

（二）connect_ex() 方法

1. 功能：connect_ex() 方法与 connect() 方法类似，也是用于客户端连接到服务器，但它在连接失败时不会引发异常，而是返回一个错误码。这使得客户端可以更灵活地处理连接失败的情况。
2. 语法：err_code = socket.connect_ex(address)，err_code 是连接操作的错误码，如果连接成功，err_code 为 0。
3. 示例：

import socket

# 创建一个 IPv4 TCP 套接字
sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
server_address = ('127.0.0.1', 8888)
# 尝试连接到服务器并获取错误码
err_code = sock.connect_ex(server_address)
if err_code == 0:
    print('已连接到服务器')
else:
    print(f'连接失败，错误码: {err_code}')

# 关闭套接字
sock.close()

在这个示例中，客户端通过 connect_ex() 方法尝试连接服务器，并根据返回的错误码判断连接是否成功。

五、数据发送与接收方法

（一）send() 方法

1. 功能：send() 方法用于通过套接字发送数据。它通常用于面向连接的套接字（如 TCP 套接字），将数据发送到已连接的对方。
2. 语法：bytes_sent = socket.send(data)，data 是要发送的数据，必须是字节类型（bytes）；bytes_sent 是实际发送的字节数。
3. 示例：

import socket

# 创建一个 IPv4 TCP 套接字
sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
server_address = ('127.0.0.1', 8888)
sock.connect(server_address)

message = 'Hello, Server!'.encode('utf - 8')
# 发送数据
bytes_sent = sock.send(message)
print(f'发送了 {bytes_sent} 字节数据')

# 关闭套接字
sock.close()

在这段代码中，客户端将字符串 Hello, Server! 编码为字节类型后，通过 send() 方法发送给服务器，并打印实际发送的字节数。

（二）sendall() 方法

1. 功能：sendall() 方法也用于发送数据，但它会尝试发送所有的数据，直到所有数据都被成功发送或者出现错误。这对于确保数据完整发送非常有用，特别是在发送较大数据量时。
2. 语法：socket.sendall(data)，data 同样是字节类型的数据。
3. 示例：

import socket

# 创建一个 IPv4 TCP 套接字
sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
server_address = ('127.0.0.1', 8888)
sock.connect(server_address)

message = 'This is a large amount of data to be sent'.encode('utf - 8')
# 发送所有数据
sock.sendall(message)
print('数据已全部发送')

# 关闭套接字
sock.close()

此示例中，客户端使用 sendall() 方法发送一段较长的数据，并在发送完成后打印提示信息。

（三）recv() 方法

1. 功能：recv() 方法用于从套接字接收数据。它是一个阻塞方法，会等待直到有数据到达或者连接关闭。
2. 语法：data = socket.recv(bufsize)，bufsize 是指定接收缓冲区的大小，以字节为单位；data 是接收到的数据，为字节类型。
3. 示例：

import socket

# 创建一个 IPv4 TCP 套接字
sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
server_address = ('127.0.0.1', 8888)
sock.bind(server_address)
sock.listen(5)

print('等待客户端连接...')
client_socket, client_address = sock.accept()
print(f'客户端 {client_address} 已连接')

# 接收数据，缓冲区大小为 1024 字节
data = client_socket.recv(1024)
print(f'接收到数据: {data.decode("utf - 8")}')

# 关闭与客户端的连接
client_socket.close()
# 关闭服务器套接字
sock.close()

在这个服务器端代码示例中，服务器在接受客户端连接后，使用 recv() 方法接收客户端发送的数据，并将其解码后打印出来。

（四）sendto() 方法

1. 功能：sendto() 方法主要用于无连接的套接字（如 UDP 套接字），它将数据发送到指定的地址。
2. 语法：bytes_sent = socket.sendto(data, address)，data 是要发送的字节类型数据，address 是目标地址。
3. 示例：

import socket

# 创建一个 IPv4 UDP 套接字
sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DUDP)
server_address = ('127.0.0.1', 9999)
message = 'Hello, UDP Server!'.encode('utf - 8')
# 发送数据到指定地址
bytes_sent = sock.sendto(message, server_address)
print(f'发送了 {bytes_sent} 字节数据')

# 关闭套接字
sock.close()

这里客户端通过 UDP 套接字使用 sendto() 方法向指定的服务器地址发送数据。

（五）recvfrom() 方法

1. 功能：recvfrom() 方法用于从无连接的套接字（如 UDP 套接字）接收数据，并返回发送方的地址。
2. 语法：data, address = socket.recvfrom(bufsize)，bufsize 是接收缓冲区大小，data 是接收到的字节类型数据，address 是发送方的地址。
3. 示例：

import socket

# 创建一个 IPv4 UDP 套接字
sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DUDP)
server_address = ('127.0.0.1', 9999)
sock.bind(server_address)

print('等待接收数据...')
# 接收数据，缓冲区大小为 1024 字节
data, client_address = sock.recvfrom(1024)
print(f'从 {client_address} 接收到数据: {data.decode("utf - 8")}')

# 关闭套接字
sock.close()

此服务器端代码使用 UDP 套接字通过 recvfrom() 方法接收客户端发送的数据，并打印出发送方的地址和数据。

六、套接字选项设置方法

（一）setsockopt() 方法

1. 功能：setsockopt() 方法用于设置套接字选项。通过这个方法，可以调整套接字的各种行为，如重用地址、设置超时等。
2. 语法：socket.setsockopt(level, optname, value)，level 表示选项的级别，常见的有 SOL_SOCKET（通用套接字选项）、IPPROTO_TCP（TCP 特定选项）、IPPROTO_IP（IP 特定选项）等；optname 是具体的选项名称；value 是选项的值。
3. 示例：
   • 重用地址：

import socket

# 创建一个 IPv4 TCP 套接字
sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
# 设置重用地址选项
sock.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)
server_address = ('127.0.0.1', 8888)
sock.bind(server_address)
sock.listen(5)

在这个示例中，通过 setsockopt() 方法设置了 SO_REUSEADDR 选项，使得套接字在程序关闭后可以立即重用地址，避免了 Address already in use 的错误。 - 设置超时：

import socket

# 创建一个 IPv4 TCP 套接字
sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
# 设置接收超时为 5 秒
sock.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_RCVTIMEO, 5)
server_address = ('127.0.0.1', 8888)
sock.connect(server_address)

try:
    data = sock.recv(1024)
    print(f'接收到数据: {data.decode("utf - 8")}')
except socket.timeout:
    print('接收超时')

# 关闭套接字
sock.close()

这里设置了接收超时选项 SO_RCVTIMEO，如果在 5 秒内没有接收到数据，recv() 方法将引发 socket.timeout 异常。

（二）getsockopt() 方法

1. 功能：getsockopt() 方法用于获取套接字选项的值。通过这个方法，可以查询当前套接字的各种设置。
2. 语法：value = socket.getsockopt(level, optname)，level 和 optname 与 setsockopt() 方法中的含义相同，value 是获取到的选项值。
3. 示例：

import socket

# 创建一个 IPv4 TCP 套接字
sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
# 设置重用地址选项
sock.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)

# 获取重用地址选项的值
reuse_addr_value = sock.getsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR)
print(f'重用地址选项的值: {reuse_addr_value}')

# 关闭套接字
sock.close()

在这个示例中，先设置了重用地址选项，然后通过 getsockopt() 方法获取该选项的值并打印出来。

七、其他常用方法

（一）fileno() 方法

1. 功能：fileno() 方法返回套接字的文件描述符。文件描述符是操作系统用于标识打开文件或套接字的整数。在某些情况下，如与其他需要文件描述符的系统调用或库函数集成时，这个方法很有用。
2. 语法：fd = socket.fileno()，fd 是返回的文件描述符。
3. 示例：

import socket

# 创建一个 IPv4 TCP 套接字
sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
server_address = ('127.0.0.1', 8888)
sock.bind(server_address)
sock.listen(5)

# 获取套接字的文件描述符
fd = sock.fileno()
print(f'套接字的文件描述符: {fd}')

# 关闭套接字
sock.close()

此代码创建一个服务器套接字后，获取并打印其文件描述符。

（二）close() 方法

1. 功能：close() 方法用于关闭套接字。当不再需要使用套接字时，应调用此方法释放资源，关闭连接。
2. 语法：socket.close()
3. 示例：

import socket

# 创建一个 IPv4 TCP 套接字
sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
server_address = ('127.0.0.1', 8888)
sock.bind(server_address)
sock.listen(5)

print('等待客户端连接...')
client_socket, client_address = sock.accept()
print(f'客户端 {client_address} 已连接')

# 关闭与客户端的连接
client_socket.close()
# 关闭服务器套接字
sock.close()

在这个服务器端代码示例中，在与客户端通信完成后，分别关闭与客户端的连接套接字和服务器套接字。

（三）shutdown() 方法

1. 功能：shutdown() 方法用于关闭套接字的某个方向上的通信。它可以选择关闭发送、接收或者双向通信。这在需要优雅地关闭连接，确保所有数据都被发送或接收完毕时很有用。
2. 语法：socket.shutdown(how)，how 取值可以是 socket.SHUT_RD（关闭接收）、socket.SHUT_WR（关闭发送）、socket.SHUT_RDWR（关闭发送和接收）。
3. 示例：

import socket

# 创建一个 IPv4 TCP 套接字
sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
server_address = ('127.0.0.1', 8888)
sock.bind(server_address)
sock.listen(5)

print('等待客户端连接...')
client_socket, client_address = sock.accept()
print(f'客户端 {client_address} 已连接')

# 关闭发送方向，允许继续接收数据
client_socket.shutdown(socket.SHUT_WR)

# 接收数据，缓冲区大小为 1024 字节
data = client_socket.recv(1024)
print(f'接收到数据: {data.decode("utf - 8")}')

# 关闭与客户端的连接
client_socket.close()
# 关闭服务器套接字
sock.close()

在这个示例中，服务器在接受客户端连接后，关闭了向客户端发送数据的通道，但仍可以接收客户端发送的数据。

通过深入理解和熟练运用这些 Python 套接字对象的内置方法，开发者能够实现各种复杂的网络应用，从简单的客户端 - 服务器通信到大规模的分布式系统。不同的方法在不同的场景下发挥着关键作用，掌握它们是进行高效网络编程的基础。无论是开发 Web 应用、网络爬虫还是实时通信系统，套接字编程都是必不可少的技能。