如何在Asyncio中使用Socket

楔子

本次我们来聊一聊 Socket，以及它如何与 asyncio 搭配使用。

阻塞 Socket

Socket 是对 TCP/IP 协议的一个封装，可以让我们更方便地使用 TCP/IP 协议，而不用关注背后的原理。并且我们经常使用的 Web 框架，本质上也是一个 Socket。

所以 Socket 是操作系统对 TCP/IP 网络协议栈的封装，并提供了一系列的接口，我们通过这些接口可以实现网络通信，而不用关注网络协议的具体细节。

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按照现有的网络模型，Socket 并不属于其中的任何一层，但我们可以简单地将 Socket 理解为传输层之上的抽象层，负责连接应用层和传输层。Socket 提供了大量的 API，基于这些 API 我们可以非常方便地使用网络协议栈，在不同主机间进行网络通信。

Linux 一切皆文件，Socket 也不例外，它被称为套接字文件，在使用上和普通文件是类似的。

Socket 是什么我们已经知道了，下面来看看如何使用 Socket 进行编程。

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整个过程如下：

  • 服务端初始化 socket，此时会得到「主动套接字」；
  • 服务端调用 bind 方法，将套接字绑定在某个 IP 和端口上；
  • 服务端调用 listen 进行监听，此时「主动套接字」会变成「监听套接字」；
  • 服务端调用 accept，等待客户端连接，此时服务端会阻塞在这里（调用的是阻塞的 API）；
  • 客户端同样初始化 socket，得到主动套接字；
  • 客户端调用主动套接字的 connect，向服务器端发起连接请求，如果连接成功，后续客户端就用这个主动套接字进行数据的传输；
  • 当客户端来连接时，那么服务端的 accept 将不再阻塞，并返回「已连接套接字」，后续服务端便用这个已连接套接字和客户端进行数据传输；
  • 当客户端来连接时，那么服务端的 accept 将不再阻塞，并返回「已连接套接字」，后续服务端便用这个已连接套接字和客户端进行数据传输；

我们使用来编写代码演示一下这个过程，首先是服务端：

import socket

# socket.socket() 会返回一个「主动套接字」
server = socket.socket(
    # 表示使用 IPv4，如果是 socket.AF_INET6
    # 则表示使用 IPv6
    socket.AF_INET,
    # 表示建立 TCP 连接，如果是 socket.SOCK_DGRAM
    # 则表示建立 UDP 连接
    socket.SOCK_STREAM
)
# 当然这两个参数也可以不传，因为默认就是它

# 设置套接字属性，这里让端口释放后立刻就能再次使用
server.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,
                  socket.SO_REUSEADDR, True)

# 将「主动套接字」绑定在某个 IP 和端口上
server.bind(("localhost", 12345))
# 监听，此时「主动套接字」会变成「监听套接字」
server.listen(5)

# 调用 accept，等待客户端连接，此时会阻塞在这里
# 如果客户端连接到来，那么会返回「已连接套接字」，也就是这里的 conn
# 至于 addr 则是一个元组，保存了客户端连接的信息（IP 和端口）
conn, addr = server.accept()

# 下面我们通过「已连接套接字」conn 和客户端进行消息的收发
# 收消息使用 recv、发消息使用 send，和 read、write 本质是一样的
while True:
    msg = conn.recv(1024)
    # 当客户端断开连接时，msg 会收到一个空字节串
    if not msg:
        print("客户端已经断开连接")
        conn.close()
        break
    print("客户端发来消息:", msg.decode("utf-8"))
    # 然后我们加点内容之后，再给客户端发过去
    conn.send("服务端收到, 你发的消息是: ".encode("utf-8") + msg)

接下来编写客户端：

import socket

# 返回主动套接字
client = socket.socket(socket.AF_INET,
                       socket.SOCK_STREAM)
# 连接服务端
client.connect(("localhost", 12345))
while True:
    # 发送消息
    data = input("请输入内容: ")
    if data.strip().lower() in ("q", "quit", "exit"):
        client.close()
        print("Bye~~~")
        break
    client.send(data.encode("utf-8"))
    print(client.recv(1024).decode("utf-8"))

启动服务端和客户端进行测试：

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还是比较简单的，当然我们这里的服务端每次只能和一个客户端通信，如果想服务多个客户端的话，那么需要为已连接套接字单独开一个线程和客户端进行通信，然后主线程继续调用 accept 方法等待下一个客户端。

下面来编写一下多线程的版本，这里只需要编写服务端即可，客户端代码不变。

import socket
import threading

server = socket.socket()
server.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,
                  socket.SO_REUSEADDR, True)
server.bind(("localhost", 12345))
server.listen(5)


def handle_message(conn, addr):
    while True:
        msg = conn.recv(1024)
        if not msg:
            print(f"客户端(ip: {addr[0]}, port: {addr[1]}) 已经断开连接")
            conn.close()
            break
        print(f"客户端(ip: {addr[0]}, port: {addr[1]}) 发来消息:",
              msg.decode("utf-8"))
        conn.send("服务端收到, 你发的消息是: ".encode("utf-8") + msg)


while True:
    conn, addr = server.accept()
    threading.Thread(
        target=handle_message,
        args=(conn, addr)
    ).start()

代码很简单，就是把已连接套接字和客户端的通信逻辑写在了单独的函数中，每来一个客户端，服务端都会启动一个新的线程去执行该函数，然后继续监听，等待下一个客户端连接到来。

然后客户端代码不变，我们启动三个客户端去和服务端通信，看看结果如何。

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结果一切正常，当然我们这里的代码比较简单，就是普通的消息收发。你也可以实现一个更复杂的功能，比如文件下载器，把服务端当成网盘，支持客户端上传和下载文件，并不难。

非阻塞 Socket

先回顾一下 socket 模型：

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但是注意：我们说在 listen() 这一步，会将主动套接字转化为监听套接字，但此时的监听套接字的类型是阻塞的。阻塞类型的监听套接字在调用 accept() 方法时，如果没有客户端来连接的话，就会一直处于阻塞状态，那么此时主线程就没法干其它事情了。

所以要设置为非阻塞，而非阻塞的监听套接字在调用 accept() 时，如果没有客户端来连接，那么主线程不会傻傻地等待，而是会直接返回，然后去做其它的事情。

类似的，我们在创建已连接套接字的时候默认也是阻塞的，阻塞类型的已连接套接字在调用 send() 和 recv() 的时候也会处于阻塞状态。比如当客户端一直不发数据的时候，已连接套接字就会一直阻塞在 recv() 这一步。如果是非阻塞类型的已连接套接字，那么当调用 recv() 但却收不到数据时，也不用处于阻塞状态，同样可以直接返回去做其它事情。

import socket

server = socket.socket()
server.bind(("localhost", 12345))
# 调用 setblocking 方法，传入 False
# 表示将监听套接字和已连接套接字的类型设置为非阻塞
server.setblocking(False)
server.listen(5)

while True:
    try:
        # 非阻塞的监听套接字调用 accept() 时
        # 如果发现没有客户端连接，则会立刻抛出 BlockingIOError
        # 因此这里写了个死循环
        conn, addr = server.accept()
    except BlockingIOError:
        pass
    else:
        break

while True:
    try:
        # 同理，非阻塞的已连接套接字在调用 recv() 时
        # 如果发现客户端没有发数据，那么同样会报错
        msg = conn.recv(1024)
    except BlockingIOError:
        pass
    else:
        print(msg.decode("utf-8"))
        conn.send(b"data from server")

很明显，虽然上面的代码在运行的时候正常，但存在两个问题：

1）虽然 accept() 不阻塞了，在没有客户端连接时主线程可以去做其它事情，但如果后续有客户端连接，主线程要如何得知呢？因此必须要有一种机制，能够继续在监听套接字上等待后续连接请求，并在请求到来时通知主线程。我们上面的做法是写了一个死循环，但很明显这是没有意义的，这种做法还不如使用阻塞的套接字。

2）send() / recv() 不阻塞了，相当于 I/O 读写流程不再是阻塞的，读写方法都会瞬间完成并返回，也就是说它会采用能读多少就读多少、能写多少就写多少的策略来执行 I/O 操作，这显然更符合我们对性能的追求。

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显然对于非阻塞套接字而言，会面临一个问题，那就是当我们执行读取操作时，有可能只读了一部分数据，剩余的数据客户端还没发过来，那么这些数据何时可读呢？同理写数据也是这种情况，当缓冲区满了，而我们的数据还没有写完，那么剩下的数据又何时可写呢？因此同样要有一种机制，能够在主线程做别的事情的时候继续监听已连接套接字，并且在有数据可读写的时候通知主线程。

这样才能保证主线程既不会像基本 IO 模型一样，一直在阻塞点等待，也不会无法处理实际到达的客户端连接请求和可读写的数据，而上面所提到的机制便是 I/O 多路复用。

早期的所有框架都是非阻塞 + 回调 + 基于 IO 多路复用的事件循环，这种模式的性能也非常高，Redis 和 Nginx 都是基于这种方式实现了高并发。只是这种编码方式非常痛苦，它将好端端的自上而下的逻辑分割的四分五裂，而且也不好维护，它使得开发人员在编写业务逻辑的同时，还要关注并发细节。

因此使用多路复用 + 回调的方式编写异步化代码，虽然并发量能上去，但是对开发者很不友好；而使用同步的方式编写同步代码，虽然很容易理解，可并发量却又上不去。那么问题来了，有没有一种办法，能够让我们在享受异步化带来的高并发的同时，又能以同步的方式去编写代码呢？也就是我们能不能以同步的方式去编写异步化的代码呢？

答案是可以的，使用「协程」便可以办到。协程在这种模式的基础之上又批了一层外衣，兼顾了开发效率与运行效率。

在 asyncio 中使用 Socket

asyncio 的事件循环提供了处理套接字的一些方法，我们主要会用到三个：

  • sock_accept()
  • sock_recv()
  • sock_sendall()

这些方法类似于前面使用的套接字方法，但不同之处在于，它们需要接收非阻塞套接字作为参数，然后返回协程。我们可以等待协程，直到有数据可供操作。

先来看一下 sock_accept()，它类似于 server.accept()。

conn，add = await loop.sock_accept(sock)

然后 sock_recv 和 sock_sendall 的调用方式与 sock_accept 类似，它们接收一个套接字，然后返回协程对象。通过 await 表达式，sock_recv 将会阻塞，直到套接字有可以处理的字节；sock_sendall 接收一个套接字和要发送的数据，同样会陷入阻塞，直到要发送给套接字的所有数据都发送完毕，成功时返回 None。

data = await loop.sock_recv(sock)
await loop.sock_sendall(sock, data)

下面我们就基于 asyncio 设计一个回显服务器。

import asyncio
import socket

async def echo(conn: socket.socket):
    loop = asyncio.get_running_loop()
    # 无限循环等待来自客户端连接的数据
    try:
        while data := await loop.sock_recv(conn, 1024):
            # 收到数据之后再将其发送给客户端
            # 为了区分，我们发送的时候在结尾加一个 b"~"
            await loop.sock_sendall(conn, data + b"~")
    except Exception as e:
        print(f"服务出错: {e}")
    finally:
        conn.close()

async def listen_for_conn(server: socket.socket):
    loop = asyncio.get_running_loop()
    while True:
        conn, addr = await loop.sock_accept(server)
        conn.setblocking(False)
        print(f"收到客户端 {addr} 的连接")
        # 每次连接时，都创建一个任务来监听客户端的数据
        asyncio.create_task(echo(conn))

async def main():
    server = socket.socket()
    server.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, True)
    server.setblocking(False)
    server.bind(("localhost", 12345))
    server.listen()

    await listen_for_conn(server)

asyncio.run(main())

运行这个应用程序可以同时服务多个客户端，它里面同样使用了 IO 多路复用，只不过事件循环将它封装起来了，我们不需要直接面对。所以这种编程模式就简单多了。

小结

如果使用阻塞套接字创建应用程序，那么阻塞套接字将在等待数据时停止整个线程。这阻止了我们实现并发，因为一次只能从一个客户端获取数据。

使用非阻塞套接字构建应用程序，这些套接字总是会立即返回，而结果有两种：要么已经准备好了数据，要么因为没有数据而出现异常。

使用 asyncio 的事件循环方法来构建具有非阻塞套接字的应用程序，这些方法接收一个套接字并返回一个协程，然后可在 await 表达式中使用它。这将暂停父协程，直到套接字带有数据。事件循环就是基于 IO 多路复用做的一个封装，而 IO 多路复用能够实现的前提之一就是：套接字必须是非阻塞的。

当前题目：如何在Asyncio中使用Socket
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