结合Python的SimpleHTTPServer源码来解析socket通信

脚本专栏 2024/11/8 佚名

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何谓socket
计算机，顾名思义即是用来做计算。因而也需要输入和输出，输入需要计算的条件，输出计算结果。这些输入输出可以抽象为I/O（input output）。

Unix的计算机处理IO是通过文件的抽象。计算机不同的进程之间也有输入输出，也就是通信。因此这这个通信也是通过文件的抽象文件描述符来进行。

在同一台计算机，进程之间可以这样通信，如果是不同的计算机呢？网络上不同的计算机，也可以通信，那么就得使用网络套接字（socket）。socket就是在不同计算机之间进行通信的一个抽象。他工作于TCP/IP协议中应用层和传输层之间的一个抽象。如下图：

服务器通信
socket保证了不同计算机之间的通信，也就是网络通信。对于网站，通信模型是客户端服务器之间的通信。两个端都建立一个socket对象，然后通过socket对象对数据进行传输。通常服务器处于一个无线循环，等待客户端连接：

socket 通信实例
socket接口是操作系统提供的，调用操作系统的接口。当然高级语言一般也封装了好用的函数接口，下面用python代码写一个简单的socket服务端例子：

server.py

import socket

HOST = 'localhost'   # 服务器主机地址
PORT = 5000       # 服务器监听端口
BUFFER_SIZE = 2048   # 读取数据大小

# 创建一个套接字
sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) 
# 绑定主机和端口
sock.bind((HOST, PORT))
# 开启socket监听
sock.listen(5)


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


while True:
  # 建立连接，连接为建立的时候阻塞
  conn, addr = sock.accept()
  while True:
    # 读取数据，数据还没到来阻塞
    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

# 创建客户端套接字
sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
# 连接到服务器
sock.connect((HOST, PORT))

try:
  message = "Hello"
  # 发起数据给服务器
  sock.sendall(message)
  amount_received = 0
  amount_expected = len(message)
  while amount_received < amount_expected:
    # 接收服务器返回的数据
    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代码写套接字很简单。传说的TCP三次握手又是如何体现的呢？什么是三次握手呢"2016627162110796.png (416×209)" src="/UploadFiles/2021-04-08/2016627162110796.png">

上图也很清晰的表明了三次握手的socket具体过程。

客户端socket对象connect调用之后进行阻塞，此过程发送了一个syn。
服务器socket对象调用accept函数之后阻塞，直到客户端发送来的syn，然后发送syn和ack应答
客户端socket对象收到服务端发送的应答之后，再发送一个ack给服务器，并返回connect调用，建立连接。
服务器socket对象接受客户端最后一次握手确定ack返回accept函数，建立连接。

至此，客户端和服务器的socket通信连接建立完成，剩下的就是两个端的连接对象收发数据，从而完成网络通信。

SimpleHTTPServer
构建一个简单的HTTP服务，需要继承HTTPServer，同时requesthandler也需要继承BaseHTTPRequestHandler。python已经实现了一个例子，那就是SimpleHTTPServer。因此分析SimpleHTTPServer来查看如何使用前面的一些类构建http服务。

曾经为了表示python的简洁优雅，经常会举这样的例子，python可以一行代码开启一个服务器。

$ python -m SimpleHTTPServer

这里的SimpleHTTPServer就是实现了HTTPServer的模块。

SimpleHTTPServer通过调用BaseHTTPServer模块的test方法做为入口。

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

test方法做了两件事，第一件就是使用HTTPServer接受一个监听地址和requestClass参数，创建了一个实例对象，调用server_forever方法开启服务。

1.SimpleHTTPRequestHandler
根据之前的分析，使用httpserver的服务，我们只需要继续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 分别实现了http的get请求和head请求的处理。他们调用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 方法通过uri的path分析得到客户请求的网路路径。构造head的mime元信息并发送到客户端，然后返回一个打开path的文件句柄。

2.copyfile
do_GET的下一步就是通过 copyfile方法，将客户请求的path的文件数据写入到缓冲可写文件中，发送给客户端。

3.list_directory
SimpleHTTPServer模块还提供了list_directory方法，用于响应path是一个目录，而不是文件的情况。

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

由此可见，处理客户端的请求，只需要使用 send_reponse， send_header 和 end_headers ，就能向客户端发送reponse。

4.自定义http服务
定义一个CustomHTTPRequestHadnler继承自BaseHTTPRequestHandler。在其内实现do_GET 方法来处理get请求。

然后再定义一个CustomHTTPServer继承自HTTPServer，它接受CustomHTTPRequestHadnler作为自己的handler。简单的代码如下：

# -*- 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访问可以得到

"htmlcode">

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

从socket的建立，select的IO模式，再到Server和Handler的组合构建服务。我们已经熟悉了python的基本网络编程。python的web开发中，更多是使用WSGI协议。实现该协议的还有 uWSGI和gunicorn等库。相比那些库，python内部提供了一个wsgiref模块，实现了一个简单wsgi服务--simple_server。

接下来将会通过分析simple_server，更好的掌握WSGI协议。

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2024年11月08日

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