Python如何做网络编程?Socket通信教程

爱谁谁
发布: 2025-08-17 15:18:01
原创
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python网络编程核心是socket模块,通过它可直接操作tcp/udp协议实现服务器与客户端通信。1. tcp服务器端流程:创建socket对象→绑定ip和端口→监听连接→接受客户端连接→接收/发送数据→关闭连接。2. tcp客户端流程:创建socket对象→连接服务器→发送/接收数据→关闭连接。3. 数据传输需注意:sendall()确保完整发送;recv()需处理粘包问题,应用层可通过“长度+数据”协议解决。4. 编码解码需统一使用encode()/decode()。5. 并发处理可通过多线程、多进程或i/o多路复用(如selectors模块)实现。6. 常见问题及解决:地址被占用可设置so_reuseaddr;连接被拒绝需检查服务状态和防火墙;数据接收不完整需设计协议;broken pipe需检测连接状态;阻塞问题可设超时或使用非阻塞+i/o复用。

Python如何做网络编程?Socket通信教程

Python的网络编程,说到底,核心就是

socket
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模块。它提供了一个相对底层的接口,让你能直接和网络协议打交道,无论是TCP还是UDP,都能通过它构建出服务器或者客户端应用。它抽象了操作系统底层的网络通信机制,让开发者可以用Python语言来发送和接收数据,实现各种网络服务。

Python如何做网络编程?Socket通信教程

解决方案

要用Python进行网络编程,特别是基于TCP的Socket通信,基本流程其实挺清晰的,虽然初次接触可能会觉得有点绕。简单来说,就是服务器端和客户端各司其职。

TCP服务器端:

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Python如何做网络编程?Socket通信教程
  1. 创建Socket对象: 就像你要打电话,得先有个电话机。
    socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
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    ,这里
    AF_INET
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    表示使用IPv4地址,
    SOCK_STREAM
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    表示使用TCP协议(流式套接字)。
  2. 绑定地址和端口: 电话机有了,得插上电话线,并告诉大家你的电话号码。
    s.bind(('127.0.0.1', 8888))
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    ,把你的服务绑定到一个IP地址和端口上。
    127.0.0.1
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    是本地回环地址,
    8888
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    是个常用端口。
  3. 开始监听: 电话号码公布了,就等着电话响。
    s.listen(5)
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    ,设置最大连接排队数,这里是5个。
  4. 接受连接: 电话响了,接起来。
    conn, addr = s.accept()
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    ,这会阻塞直到有客户端连接进来。
    conn
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    是新的连接套接字,专门用来和这个客户端通信,
    addr
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    是客户端的地址。
  5. 数据交互: 电话接通了,开始聊天。
    conn.recv(1024)
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    接收数据,
    conn.sendall(data)
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    发送数据。记住,网络传输的都是字节流,所以发送前要
    encode()
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    ,接收后要
    decode()
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  6. 关闭连接: 聊完了,挂电话。
    conn.close()
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    关闭与客户端的连接,
    s.close()
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    关闭服务器自身的监听套接字(通常在服务停止时才做)。

TCP客户端:

  1. 创建Socket对象: 同样,先有个电话机。
    socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
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  2. 连接服务器: 知道对方号码,拨过去。
    s.connect(('127.0.0.1', 8888))
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    ,尝试连接服务器的IP和端口。
  3. 数据交互: 连接成功,开始聊天。
    s.sendall(data)
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    发送数据,
    s.recv(1024)
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    接收数据。
  4. 关闭连接: 聊完了,挂电话。
    s.close()
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这是一个简单的Echo服务器和客户端的例子,你可以感受一下:

Python如何做网络编程?Socket通信教程

服务器端 (server.py):

import socket

HOST = '127.0.0.1'  # 标准回环接口地址
PORT = 65432        # 非特权端口 > 1023

with socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) as s:
    s.bind((HOST, PORT))
    s.listen()
    print(f"服务器正在监听 {HOST}:{PORT}...")
    conn, addr = s.accept() # 阻塞,直到有客户端连接
    with conn:
        print(f"连接自: {addr}")
        while True:
            data = conn.recv(1024) # 接收数据,缓冲区大小1024字节
            if not data: # 如果没有数据,说明客户端断开连接
                print(f"客户端 {addr} 已断开。")
                break
            print(f"收到来自 {addr} 的消息: {data.decode()}")
            conn.sendall(data) # 把收到的数据原样发回去
            print(f"已回发给 {addr}")
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客户端 (client.py):

import socket

HOST = '127.0.0.1'  # 服务器的IP地址
PORT = 65432        # 服务器的端口

with socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) as s:
    s.connect((HOST, PORT)) # 连接服务器
    message = "Hello, server! This is client."
    s.sendall(message.encode()) # 发送编码后的数据
    print(f"已发送: '{message}'")
    data = s.recv(1024) # 接收服务器回传的数据
    print(f"收到回显: {data.decode()}")
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运行的时候,先启动

server.py
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,再启动
client.py
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,你就能看到数据在两端之间来回跑了。

Python Socket通信:客户端与服务器端数据流动的那些事儿

在Socket通信中,数据流动远不止

send
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recv
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那么简单,这里面藏着不少细节。我个人觉得,理解这些细节,才能真正写出健壮的网络应用。

首先,

send()
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sendall()
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区别就挺有意思的。
send()
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可能不会一次性发送所有数据,它返回的是实际发送的字节数,如果数据量大或者网络繁忙,你可能需要循环调用
send()
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直到所有数据都发出去。而
sendall()
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则会尽力确保所有数据都发送出去,直到数据全部发送完毕或者发生错误。在实际应用中,为了省心,我通常会选择
sendall()
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,它处理了内部的循环发送逻辑,减少了出错的可能性。

再来说说接收数据,也就是

recv(bufsize)
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。这里的
bufsize
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是个缓冲区大小,比如你设置1024字节。这不代表你一次
recv
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调用就一定能收到1024字节的数据,或者说,你发了100字节,它就一定一次性收100字节。网络传输是流式的,数据可能会分包传输,也可能会粘包(多个小包数据被一起收到)。这就引出了一个非常重要的概念——“粘包问题”。

举个例子,客户端连续发送两条消息“Hello”和“World”,服务器端一次

recv
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可能收到“HelloWorld”,也可能只收到“Hell”,下次再收到“oWorld”。这可不是Socket模块的“bug”,而是它设计上的特性。为了解决这个问题,你需要在应用层设计自己的协议。比如,可以在每条消息前面加上一个固定长度的头部,用来表示消息的长度。服务器端先读取头部,知道后面有多少字节的数据,然后再循环读取完整的数据包。这听起来有点麻烦,但却是构建可靠网络应用的关键一步。

数据的编码和解码也是个常被忽略但又很重要的点。Python 3里字符串是Unicode,但网络传输的是字节流。所以,发送前必须调用

.encode('utf-8')
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将其转换为字节,接收后则需要
.decode('utf-8')
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将其还原为字符串。如果编码不一致,你收到的可能就是乱码,甚至直接报错。

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当一个不够用:Python Socket如何应对海量并发连接的挑战?

上面那个简单的Echo服务器,它一次只能处理一个客户端连接。当一个客户端连接上来后,服务器就会被“卡住”,直到这个客户端断开,才能接受下一个连接。这显然无法满足现代网络应用的需求,想想微信、淘宝,那得同时处理多少用户啊!

要让服务器能同时服务多个客户端,我们通常会考虑几种并发策略。

一种比较直观的方式是多线程(threading)多进程(multiprocessing)。当服务器接受到一个新的客户端连接时,它可以创建一个新的线程或进程来专门处理这个客户端的通信。这样,主线程(或主进程)就可以继续监听新的连接请求了。

  • 多线程模型: 每个客户端连接都分配一个线程去处理。优点是线程创建和切换的开销相对较小,线程间共享内存,数据交换方便。缺点是Python的GIL(全局解释器锁)会限制CPU密集型任务的并行执行,但在I/O密集型任务(网络通信就是典型的I/O密集型)中,GIL的影响没那么大,因为线程在等待I/O时会释放GIL。
  • 多进程模型: 每个客户端连接都分配一个进程去处理。优点是进程之间内存独立,互不影响,安全性高,可以充分利用多核CPU。缺点是进程创建和切换的开销较大,进程间数据共享需要特殊的IPC(进程间通信)机制。

这两种方式,代码实现起来都相对直接,你只需要在

s.accept()
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之后,把
conn
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addr
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传给一个新线程或新进程的函数去处理就行。

# 多线程服务器伪代码
import socket
import threading

def handle_client(conn, addr):
    print(f"新线程处理连接自: {addr}")
    with conn:
        while True:
            data = conn.recv(1024)
            if not data:
                break
            print(f"收到来自 {addr} 的消息: {data.decode()}")
            conn.sendall(data)
    print(f"线程 {addr} 已结束。")

# ... (服务器初始化代码) ...
# s.listen()
while True:
    conn, addr = s.accept()
    client_thread = threading.Thread(target=handle_client, args=(conn, addr))
    client_thread.start()
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另一种更高级、更高效的方式是I/O多路复用(I/O Multiplexing)。这不是为每个连接创建一个线程或进程,而是用一个(或少数几个)线程来同时监控多个Socket连接的状态。当某个Socket准备好读写时,操作系统会通知你。Python的

select
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模块和更现代、更推荐的
selectors
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模块就是干这个的。
asyncio
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框架也大量基于这种机制。

I/O多路复用避免了创建大量线程/进程的开销,尤其适用于连接数非常多但每个连接的I/O操作并不频繁的场景(比如聊天服务器)。它让单个线程能够“同时”管理成千上万个连接,效率非常高。理解

select
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epoll
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(Linux下)的工作原理,你会发现它真的非常精妙,它将等待I/O就绪的阻塞操作转移到了内核,而应用程序只需要等待内核的通知。

踩坑不慌:Python Socket编程中常见的疑难杂症与解法

网络编程这东西,说不准什么时候就给你来个“惊喜”。我自己在写Socket应用的时候,也遇到过不少让人头疼的问题。提前知道这些坑,至少能让你在遇到的时候不那么慌乱。

  1. Address already in use
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    (地址已被占用):这是个非常常见的错误,尤其是在你调试服务器端程序时。当你停止一个服务器程序,但它没有完全释放端口,或者上次异常退出导致端口被操作系统暂时占用时,你再次启动服务器就会报这个错。

    • 解法: 等待一段时间让操作系统释放端口(通常几十秒)。更直接的办法是在
      s.bind()
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      之前,设置
      s.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)
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      。这告诉操作系统,即使端口还在TIME_WAIT状态,也可以立即重用。这个选项在开发调试时特别有用,在生产环境也经常使用。
  2. Connection refused
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    (连接被拒绝):客户端尝试连接服务器时遇到这个错误,通常意味着:

    • 服务器程序没有运行。
    • 客户端连接的IP地址或端口号是错的。
    • 服务器的防火墙阻止了连接。
    • 解法: 检查服务器是否已启动并监听正确地址端口,核对客户端配置,检查服务器和客户端机器的防火墙设置。
  3. 数据接收不完整或粘包:前面提过,

    recv()
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    不保证一次性收到完整消息。

    • 解法: 应用层协议是唯一的解决方案。最常见的就是“长度+数据”的模式。发送方先发送一个固定长度的头部(比如4个字节),表示后面数据的总长度,然后发送实际数据。接收方先读取4个字节的头部,解析出数据长度,然后循环读取直到收到完整的数据包。
  4. Broken pipe
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    Connection reset by peer
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    :这通常发生在一方关闭了连接,而另一方还在尝试发送数据时。比如,客户端断开了,服务器还在往这个已关闭的连接上发送数据。

    • 解法: 在发送数据前,最好能检查一下连接是否仍然有效。更重要的是,在你的通信循环中,要正确处理
      recv()
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      返回空字节串的情况(表示对方已关闭连接),并及时关闭自己的连接。
  5. 阻塞I/O导致程序卡死:默认情况下,

    socket.accept()
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    socket.recv()
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    等都是阻塞的。这意味着如果长时间没有数据,你的程序就会一直等待。

    • 解法:
      • 多线程/多进程: 将阻塞操作放到单独的线程/进程中。
      • 设置超时:
        s.settimeout(timeout_seconds)
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        可以为Socket操作设置一个超时时间,超时后会抛出
        socket.timeout
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        异常。
      • 非阻塞模式:
        s.setblocking(False)
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        可以将Socket设置为非阻塞模式,此时
        accept()
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        recv()
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        如果没有数据会立即返回一个
        BlockingIOError
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        WouldBlockError
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        。这通常需要配合I/O多路复用(如
        select
        登录后复制
        selectors
        登录后复制
        )来使用,因为你需要知道哪个Socket在什么时候准备好了。

调试Socket程序时,除了常规的打印日志和断点调试,我发现网络抓包工具(比如Wireshark)简直是神器。它能让你看到网络上实际传输的每一个数据包,包括TCP握手、数据内容、各种标志位,这对于理解网络行为和定位问题非常有帮助。很多时候,代码看起来没问题,但网络层面的一个小细节就可能导致意想不到的行为。

以上就是Python如何做网络编程?Socket通信教程的详细内容,更多请关注php中文网其它相关文章!

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