結(jié)合Python的SimpleHTTPServer源碼來解析socket通信

更新時間：2016年06月27日 16:27:23 作者：人世間

SimpleHTTPServer是Python中一個現(xiàn)成的HTTP服務(wù)器例子,本文我們將結(jié)合Python的SimpleHTTPServer源碼來解析socket通信,我們先來看一下socket的基本概念:

何謂socket
計算機，顧名思義即是用來做計算。因而也需要輸入和輸出，輸入需要計算的條件，輸出計算結(jié)果。這些輸入輸出可以抽象為I/O（input output）。

Unix的計算機處理IO是通過文件的抽象。計算機不同的進程之間也有輸入輸出，也就是通信。因此這這個通信也是通過文件的抽象文件描述符來進行。

在同一臺計算機，進程之間可以這樣通信，如果是不同的計算機呢？網(wǎng)絡(luò)上不同的計算機，也可以通信，那么就得使用網(wǎng)絡(luò)套接字（socket）。socket就是在不同計算機之間進行通信的一個抽象。他工作于TCP/IP協(xié)議中應(yīng)用層和傳輸層之間的一個抽象。如下圖：

2016627161931394.jpg (542×476)

服務(wù)器通信
socket保證了不同計算機之間的通信，也就是網(wǎng)絡(luò)通信。對于網(wǎng)站，通信模型是客戶端服務(wù)器之間的通信。兩個端都建立一個socket對象，然后通過socket對象對數(shù)據(jù)進行傳輸。通常服務(wù)器處于一個無線循環(huán)，等待客戶端連接：

2016627162000798.jpg (478×491)

socket 通信實例
socket接口是操作系統(tǒng)提供的，調(diào)用操作系統(tǒng)的接口。當(dāng)然高級語言一般也封裝了好用的函數(shù)接口，下面用python代碼寫一個簡單的socket服務(wù)端例子：

server.py

import socket

HOST = 'localhost'   # 服務(wù)器主機地址
PORT = 5000       # 服務(wù)器監(jiān)聽端口
BUFFER_SIZE = 2048   # 讀取數(shù)據(jù)大小

# 創(chuàng)建一個套接字
sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) 
# 綁定主機和端口
sock.bind((HOST, PORT))
# 開啟socket監(jiān)聽
sock.listen(5)


print 'Server start, listening {}'.format(PORT)


while True:
  # 建立連接，連接為建立的時候阻塞
  conn, addr = sock.accept()
  while True:
    # 讀取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)還沒到來阻塞
    data = conn.recv(BUFFER_SIZE)
    if len(data):
      print 'Server Recv Data: {}'.format(data)
      conn.send(data)
      print 'Server Send Data: {}'.format(data)
    else:
      print 'Server Recv Over'
      break
  conn.close()
sock.close()

client.py

import socket

HOST = 'localhost'
PORT = 5000
BUFFER_SIZE = 1024

# 創(chuàng)建客戶端套接字
sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
# 連接到服務(wù)器
sock.connect((HOST, PORT))

try:
  message = "Hello"
  # 發(fā)起數(shù)據(jù)給服務(wù)器
  sock.sendall(message)
  amount_received = 0
  amount_expected = len(message)
  while amount_received < amount_expected:
    # 接收服務(wù)器返回的數(shù)據(jù)
    data = sock.recv(10)
    amount_received += len(data)
    print 'Client Received: {}'.format(data)

except socket.errno, e:
  print 'Socket error: {}'.format(e)
except Exception, e:
  print 'Other exception: %s'.format(e)
finally:
  print 'Closing connection to the server'
  sock.close()

TCP 三次握手
python代碼寫套接字很簡單。傳說的TCP三次握手又是如何體現(xiàn)的呢？什么是三次握手呢?

第一握：首先客戶端發(fā)送一個syn，請求連接，
第二握：服務(wù)器收到之后確認，并發(fā)送一個 syn ack應(yīng)答
第三握：客戶端接收到服務(wù)器發(fā)來的應(yīng)答之后再給服務(wù)器發(fā)送建立連接的確定。
用下面的比喻就是

C：約么？

S：約

C：好的

約會
這樣就建立了一個TCP連接會話。如果是要斷開連接，大致過程是：

2016627162110796.png (416×209)

上圖也很清晰的表明了三次握手的socket具體過程。

客戶端socket對象connect調(diào)用之后進行阻塞，此過程發(fā)送了一個syn。
服務(wù)器socket對象調(diào)用accept函數(shù)之后阻塞，直到客戶端發(fā)送來的syn，然后發(fā)送syn和ack應(yīng)答
客戶端socket對象收到服務(wù)端發(fā)送的應(yīng)答之后，再發(fā)送一個ack給服務(wù)器，并返回connect調(diào)用，建立連接。
服務(wù)器socket對象接受客戶端最后一次握手確定ack返回accept函數(shù)，建立連接。

至此，客戶端和服務(wù)器的socket通信連接建立完成，剩下的就是兩個端的連接對象收發(fā)數(shù)據(jù)，從而完成網(wǎng)絡(luò)通信。

SimpleHTTPServer
構(gòu)建一個簡單的HTTP服務(wù)，需要繼承HTTPServer，同時requesthandler也需要繼承BaseHTTPRequestHandler。python已經(jīng)實現(xiàn)了一個例子，那就是SimpleHTTPServer。因此分析SimpleHTTPServer來查看如何使用前面的一些類構(gòu)建http服務(wù)。

曾經(jīng)為了表示python的簡潔優(yōu)雅，經(jīng)常會舉這樣的例子，python可以一行代碼開啟一個服務(wù)器。

$ python -m SimpleHTTPServer

這里的SimpleHTTPServer就是實現(xiàn)了HTTPServer的模塊。

SimpleHTTPServer通過調(diào)用BaseHTTPServer模塊的test方法做為入口。

def test(HandlerClass = SimpleHTTPRequestHandler,
     ServerClass = BaseHTTPServer.HTTPServer):
  BaseHTTPServer.test(HandlerClass, ServerClass)

test方法做了兩件事，第一件就是使用HTTPServer接受一個監(jiān)聽地址和requestClass參數(shù)，創(chuàng)建了一個實例對象，調(diào)用server_forever方法開啟服務(wù)。

1.SimpleHTTPRequestHandler
根據(jù)之前的分析，使用httpserver的服務(wù)，我們只需要繼續(xù)BaseHTTPRequestHandler，并提供自省的method方法即可。

class SimpleHTTPRequestHandler(BaseHTTPServer.BaseHTTPRequestHandler):
  server_version = "SimpleHTTP/" + __version__

  def do_GET(self):
    f = self.send_head()
    if f:
      self.copyfile(f, self.wfile)
      f.close()

  def do_HEAD(self):
    f = self.send_head()
    if f:
      f.close()

do_GET 和 do_HEAD 分別實現(xiàn)了http的get請求和head請求的處理。他們調(diào)用send_head方法：

def send_head(self):

    path = self.translate_path(self.path)
    f = None
    if os.path.isdir(path):
      if not self.path.endswith('/'):
        self.send_response(301)
        self.send_header("Location", self.path + "/")
        self.end_headers()
        return None
      for index in "index.html", "index.htm":
        index = os.path.join(path, index)
        if os.path.exists(index):
          path = index
          break
      else:
        return self.list_directory(path)
    ctype = self.guess_type(path)
    try:
      f = open(path, 'rb')
    except IOError:
      self.send_error(404, "File not found")
      return None
    self.send_response(200)
    self.send_header("Content-type", ctype)
    fs = os.fstat(f.fileno())
    self.send_header("Content-Length", str(fs[6]))
    self.send_header("Last-Modified", self.date_time_string(fs.st_mtime))
    self.end_headers()
    return f

send_head 方法通過uri的path分析得到客戶請求的網(wǎng)路路徑。構(gòu)造head的mime元信息并發(fā)送到客戶端，然后返回一個打開path的文件句柄。

2.copyfile
do_GET的下一步就是通過 copyfile方法，將客戶請求的path的文件數(shù)據(jù)寫入到緩沖可寫文件中，發(fā)送給客戶端。

3.list_directory
SimpleHTTPServer模塊還提供了list_directory方法，用于響應(yīng)path是一個目錄，而不是文件的情況。

def list_directory(self, path):
  try:
    list = os.listdir(path)
  except os.error:
    self.send_error(404, "No permission to list directory")
    return None
  list.sort(key=lambda a: a.lower())
  f = StringIO()
  displaypath = cgi.escape(urllib.unquote(self.path))
  f.write('<!DOCTYPE html PUBLIC "-//W3C//DTD HTML 3.2 Final//EN">')
  f.write("<html>\n<title>Directory listing for %s</title>\n" % displaypath)
  f.write("<body>\n<h2>Directory listing for %s</h2>\n" % displaypath)
  f.write("<hr>\n<ul>\n")
  for name in list:
    fullname = os.path.join(path, name)
    displayname = linkname = name
    # Append / for directories or @ for symbolic links
    if os.path.isdir(fullname):
      displayname = name + "/"
      linkname = name + "/"
    if os.path.islink(fullname):
      displayname = name + "@"
      # Note: a link to a directory displays with @ and links with /
    f.write('<li><a href="%s">%s</a>\n'
        % (urllib.quote(linkname), cgi.escape(displayname)))
  f.write("</ul>\n<hr>\n</body>\n</html>\n")
  length = f.tell()
  f.seek(0)
  self.send_response(200)
  encoding = sys.getfilesystemencoding()
  self.send_header("Content-type", "text/html; charset=%s" % encoding)
  self.send_header("Content-Length", str(length))
  self.end_headers()
  return f

由此可見，處理客戶端的請求，只需要使用 send_reponse， send_header 和 end_headers ，就能向客戶端發(fā)送reponse。

4.自定義http服務(wù)
定義一個CustomHTTPRequestHadnler繼承自BaseHTTPRequestHandler。在其內(nèi)實現(xiàn)do_GET 方法來處理get請求。

然后再定義一個CustomHTTPServer繼承自HTTPServer，它接受CustomHTTPRequestHadnler作為自己的handler。簡單的代碼如下：

# -*- coding: utf-8 -*-

from BaseHTTPServer import BaseHTTPRequestHandler, HTTPServer


class CustomHTTPRequestHandler(BaseHTTPRequestHandler):
  def do_GET(self):
    self.send_response(200)
    self.send_header('Content-type', 'text/html')
    self.end_headers()
    self.wfile.write("hello world\r\n")


class CustomHTTPServer(HTTPServer):
  def __init__(self, host, port):
    HTTPServer.__init__(self, (host, port), CustomHTTPRequestHandler)


def main():
  server = CustomHTTPServer('127.0.0.1', 8000)
  server.serve_forever()


if __name__ == '__main__':
  main()

使用curl訪問可以得到

➜ ~ curl http://127.0.0.1:8000
hello world
➜ ~

控制臺會打出訪問的log。

127.0.0.1 - - [01/Jun/2015 11:42:33] "GET / HTTP/1.1" 200 -

從socket的建立，select的IO模式，再到Server和Handler的組合構(gòu)建服務(wù)。我們已經(jīng)熟悉了python的基本網(wǎng)絡(luò)編程。python的web開發(fā)中，更多是使用WSGI協(xié)議。實現(xiàn)該協(xié)議的還有 uWSGI和gunicorn等庫。相比那些庫，python內(nèi)部提供了一個wsgiref模塊，實現(xiàn)了一個簡單wsgi服務(wù)--simple_server。

接下來將會通過分析simple_server，更好的掌握WSGI協(xié)議。

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