Python的socket模块源码中的一些实现要点分析

脚本专栏 2024/11/8 佚名

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BaseServer 和 BaseRequestHandler
Python为网络编程提高了更高级的封装。SocketServer.py 提供了不少网络服务的类。它们的设计很优雅。Python把网络服务抽象成两个主要的类，一个是Server类，用于处理连接相关的网络操作，另外一个则是RequestHandler类，用于处理数据相关的操作。并且提供两个MixIn 类，用于扩展 Server，实现多进程或多线程。在构建网络服务的时候，Server 和 RequestHandler 并不是分开的，RequestHandler的实例对象在Server 内配合 Server工作。

改模块的主要几个Server关系如下：

    +------------+
    | BaseServer |
    +------------+
       |
       v
    +-----------+    +------------------+
    | TCPServer |------->| UnixStreamServer |
    +-----------+    +------------------+
       |
       v
    +-----------+    +--------------------+
    | UDPServer |------->| UnixDatagramServer |
    +-----------+    +--------------------+

BaseServer 分析
BaseServer 通过__init__初始化，对外提供serve_forever和 handler_request方法。

init 初始化：

  def __init__(self, server_address, RequestHandlerClass):
    """Constructor. May be extended, do not override."""
    self.server_address = server_address
    self.RequestHandlerClass = RequestHandlerClass
    self.__is_shut_down = threading.Event()
    self.__shutdown_request = False

__init__源码很简单。主要作用是创建server对象，并初始化server地址和处理请求的class。熟悉socket编程应该很清楚，server_address是一个包含主机和端口的元组。

serve_forever
创建了server对象之后，就需要使用server对象开启一个无限循环，下面来分析serve_forever的源码。

  def serve_forever(self, poll_interval=0.5):
    self.__is_shut_down.clear()
    try:
      while not self.__shutdown_request:
        r, w, e = _eintr_retry(select.select, [self], [], [],
                    poll_interval)
        if self in r:
          self._handle_request_noblock()
    finally:
      self.__shutdown_request = False
      self.__is_shut_down.set()

serve_forever接受一个参数poll_interval，用于表示select轮询的时间。然后进入一个无限循环，调用select方式进行网络IO的监听。

如果select函数返回，表示有IO连接或数据，那么将会调用_handle_request_noblock方法。

_handle_request_noblock
  def _handle_request_noblock(self):
    try:
      request, client_address = self.get_request()
    except socket.error:
      return
    if self.verify_request(request, client_address):
      try:
        self.process_request(request, client_address)
      except:
        self.handle_error(request, client_address)
        self.shutdown_request(request)

_handle_request_noblock方法即开始处理一个请求，并且是非阻塞。该方法通过get_request方法获取连接，具体的实现在其子类。一旦得到了连接，调用verify_request方法验证请求。验证通过，即调用process_request处理请求。如果中途出现错误，则调用handle_error处理错误，以及shutdown_request结束连接。

verify_request
  def verify_request(self, request, client_address):
    return True

该方法对request进行验证，通常会被子类重写。简单的返回True即可，然后进入process_request方法处理请求。

process_request
  def process_request(self, request, client_address):
    self.finish_request(request, client_address)
    self.shutdown_request(request)

process_request方法是mixin的入口，MixIn子类通过重写该方法，进行多线程或多进程的配置。调用finish_request完成请求的处理，同时调用shutdown_request结束请求。

finish_request
  def finish_request(self, request, client_address):
    self.RequestHandlerClass(request, client_address, self)

finish_request方法将会处理完毕请求。创建requestHandler对象，并通过requestHandler做具体的处理。

BaseRequestHandler 分析
所有requestHandler都继承BaseRequestHandler基类。

  def __init__(self, request, client_address, server):
    self.request = request
    self.client_address = client_address
    self.server = server
    self.setup()
    try:
      self.handle()
    finally:
      self.finish()

该类会处理每一个请求。初始化对象的时候，设置请求request对象。然后调用setup方法，子类会重写该方法，用于处理socket连接。接下来的将是handler和finish方法。所有对请求的处理，都可以重写handler方法。

至此，整个Python提供的Server方式即介绍完毕。总结一下，构建一个网络服务，需要一个BaseServer用于处理网络IO，同时在内部创建requestHandler对象，对所有具体的请求做处理。

BaseServer - BaseRequestHandler

__init__(server_address, RequestHandlerClass): 
  BaseServer.server_address
  BaseServer.RequestHandlerClass

serve_forever(): 

  select() 

  BaseServer._handle_request_noblock()

    BaseServer.get_request() -> request, client_addres

    BaseServer.verify_request()

      BaseServer.process_request()

        BaseServer.process_request()

          BaseServer.finish_request()

            BaseServer.RequestHandlerClass()

              BaseRequestHandler.__init__(request)

                BaseRequestHandler.request
                BaseRequestHandler.client_address = client_address

                BaseRequestHandler.setup()

                BaseRequestHandler.handle()

          BaseServer.shutdown_request()

            BaseServer.close_request()

      BaseServer.shutdown_request()

        BaseServer.close_request()

BaseServer 和 BaseRequestHandler是网络处理的两个基类。实际应用中，网络操作更多是使用 TCP 或 HTTP 协议。SocketServer.py 也提供了更高级的TCP、UDP封装。下面就来看下关于TCP方面的网络模块（UDP和TCP的在代码组织上差别不是特别大，暂且忽略）。

TCPServer
TCPServer 继承了BaseServer，初始化的时候，进行了socket套接字的创建。

def __init__(self, server_address, RequestHandlerClass, bind_and_activate=True):
  BaseServer.__init__(self, server_address, RequestHandlerClass)
  self.socket = socket.socket(self.address_family,
                self.socket_type)
  if bind_and_activate:
    self.server_bind()
    self.server_activate()

__init__ 方法通过 socket模块创建了socket对象，然后进行调用server_bind和server_activate。

server_bind
def server_bind(self):
  if self.allow_reuse_address:
    self.socket.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)
  self.socket.bind(self.server_address)
  self.server_address = self.socket.getsockname()

server_bind 方法进行socket对象的bind操作，以及设置socket相关属性，如网络地址的复用。

server_activate
def server_activate(self):
  self.socket.listen(self.request_queue_size)

server_activate 方法也比较简单，添加socket对象的listen。

get_request
该类最重要的方法就是 get_request。该方法进行返回socket对象的请求连接。

  def get_request(self):
  """Get the request and client address from the socket.
  """
  return self.socket.accept()

get_request方法是在BaseServer基类中的_handle_request_noblock中调用，从那里里传入套接字对象获取的连接信息。如果是UDPServer，这里获取的就是UDP连接。

此外，TCPServer还提供了一个 fileno 方法，提供给基类的select调用返回文件描述符。

StreamRequestHandler
TCPServer实现了使用tcp套接字的网络服务，Handler方面则是对应的StreamRequestHandler。它继承了BaseRequestHandler。基类的setup方法和finish方法被它重写，用于通过连接实现缓存文件的读写操作。

setup方法：

def setup(self):
  self.connection = self.request
  if self.timeout is not None:
    self.connection.settimeout(self.timeout)
  if self.disable_nagle_algorithm:
    self.connection.setsockopt(socket.IPPROTO_TCP,
                  socket.TCP_NODELAY, True)
  self.rfile = self.connection.makefile('rb', self.rbufsize)
  self.wfile = self.connection.makefile('wb', self.wbufsize)

setup判断了是否使用nagle算法。然后设置对应的连接属性。最重要的就是创建了一个可读（rfile）和一个可写（wfile）的“文件”对象，他们实际上并不是创建了文件，而是封装了读取数据和发送数据的操作，抽象成为对文件的操作。可以理解为 self.rfile 就是读取客户端数据的对象，它有一些方法可以读取数据。self.wfile则是用来发送数据给客户端的对象。后面的操作，客户端数据到来会被写入缓冲区可读，需要向客户端发送数据的时候，只需要向可写的文件中write数据即可。

实现TCP服务需要使用TCPServer和StreamRequestHandler共同协作。大致函数调用流程如下，函数调用用括号表示，赋值不带括号，没有类前缀的表示系统调用：

TCPServer - StreamRequestHandler

__init__(server_address, RequestHandlerClass): 
  BaseServer.server_address
  BaseServer.RequestHandlerClass

  TCPServer.socket = socket.socket(self.address_family, self.socket_type)
  TCPServer.server_bind()
  TCPServer.server_activate()

serve_forever(): 

  select() 

  BaseServer._handle_request_noblock()

    TCPServer.get_request() -> request, client_addres
      socket.accept()

    BaseServer.verify_request()

      BaseServer.process_request()

        BaseServer.process_request()

          BaseServer.finish_request(request, client_address)

            BaseServer.RequestHandlerClass()

              BaseRequestHandler.__init__(request)

                BaseRequestHandler.request
                BaseRequestHandler.client_address = client_address

                StreamRequestHandler.setup()

                  StreamRequestHandler.connection = StreamRequestHandler.request
                  StreamRequestHandler.rfile
                  StreamRequestHandler.wfile

                BaseRequestHandler.handle()

                StreamRequestHandler.finsih()
                  StreamRequestHandler.wfile.close()
                  StreamRequestHandler.rfile.close()

          BaseServer.shutdown_request(request)
            TCPServer.shutdown()
              request.shutdown()
            TCPServer.close_request(request)
              request.close()

      TCPServer.shutdown_request(request)
        TCPServer.shutdown(request)
          request.shutdown()
        TCPServer.close_request(request)
          request.close()

最早关于介绍BaseServer的时候，我们知道python对BaseServer设计的时候，预留了可用于Mixin扩展多线程或多进程的接口。mixin通过复写父类的parse_request方法实现。

ThreadingMixIn
ThreadingMixIn 类实现了多线程的方式，它只有两个方法，分别是process_request和 process_request_thread方法。多进程的方式是ForkingMixIn，暂且略过。

process_request
def process_request(self, request, client_address):
  t = threading.Thread(target = self.process_request_thread,
             args = (request, client_address))
  t.daemon = self.daemon_threads
  t.start()

process_request方法复写了父类的此方法。以此为接口入口，对每一个请求，调用Thread开启一个新的线程。每一个线程都绑定process_request_thread方法。

process_request_thread
  def process_request_thread(self, request, client_address):
    try:
      self.finish_request(request, client_address)
      self.shutdown_request(request)
    except:
      self.handle_error(request, client_address)
      self.shutdown_request(request)

process_request_thread方法和BaseServer里的parse_request几乎一样。只不过是多线程的方式调用。

使用的时候，通过多继承调用接口，例如：

class ThreadingTCPServer(ThreadingMixIn, TCPServer): 
  pass

具体的调用过程如下：

ThreadingMixIn -- TCPServer - StreamRequestHandler

__init__(server_address, RequestHandlerClass): 
  BaseServer.server_address
  BaseServer.RequestHandlerClass

  TCPServer.socket = socket.socket(self.address_family, self.socket_type)
  TCPServer.server_bind()
  TCPServer.server_activate()

serve_forever(): 

  select() 

  BaseServer._handle_request_noblock()

    TCPServer.get_request() -> request, client_addres
      socket.accept()

    BaseServer.verify_request()

      BaseServer.process_request()

        ThreadingMixIn.process_request()
          t = threading.Thread(target = ThreadingMixIn.process_request_thread)

          ThreadingMixIn.process_request_thread

            BaseServer.finish_request(request, client_address)

              BaseServer.RequestHandlerClass()

                BaseRequestHandler.__init__(request)

                  BaseRequestHandler.request
                  BaseRequestHandler.client_address = client_address

                  StreamRequestHandler.setup()

                    StreamRequestHandler.connection = StreamRequestHandler.request
                    StreamRequestHandler.rfile
                    StreamRequestHandler.wfile

                  BaseRequestHandler.handle()

                  StreamRequestHandler.finsih()
                    StreamRequestHandler.wfile.close()
                    StreamRequestHandler.rfile.close()

            BaseServer.shutdown_request(request)
              TCPServer.shutdown()
                request.shutdown()
              TCPServer.close_request(request)
                request.close()

      TCPServer.shutdown_request(request)
        TCPServer.shutdown(request)
          request.shutdown()
        TCPServer.close_request(request)
          request.close()

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