Python之socketserver源码分析

一、socketserver简介

　　socketserver是一个创建服务器的框架，封装了许多功能用来处理来自客户端的请求，简化了自己写服务端代码。比如说对于基本的套接字服务器(socket-based servers),里面就定义了地址族(AF_INET,AF_UNIX等)、套接字类型(SOCK_STREAM,SOCK_DGRAM)等，此外对于基于请求的服务器(request-based servers)，里面就详细叙述了如何处理客户端认证，多重请求，以及如何实现多线程多进程等。　

二、server种类

　　在serketserver里有5种类型的server，他们的继承关系如下图，下面的4个类都是同步处理请求的，不支持异步处理，同步处理意思是下一个请求必须等待上一个请求被处理完才能开始。如果要让他们支持异步处理，需要继承ForkingMixIn or ThreadingMixIn，使他们支持继承多进程和多线程。比如说定义一个多线程UDPserver需要这样写 class ThreadingUDPServer(ThreadingMixIn, UDPServer): pass

　　

　　如果要自己写一个server类，首先要继承基本请求处理类baseRequestHandler，然后重写他的 handle()方法来实现你自己的请求处理，需要注意的是要区分开StreamRequestHandler or DatagramRequestHandler(TCp or UDP)

1.BaseServer

　　BaseServer是其他几种server类的基类，类中定义的方法有下面这些：

Methods for the caller:

    - __init__(server_address, RequestHandlerClass) 　　　　　　　　#初始化 可扩长
    - serve_forever(poll_interval=0.5)　　　　　　　　　　　　　　　　#被构造函数调用激活服务器
    - shutdown()　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　#关闭server_forever循环
    - handle_request()  # if you do not use serve_forever()   　　#请求处理函数，可能会被阻塞
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　#get_request->verify_request->process_request
    - fileno() -> int   # for selector                        　　#返回一个整型文件操作符供服务器监听，

Methods that may be overridden:

    - server_bind()　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　#绑定到要监听的地址上
    - server_activate()　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　#被构造函数调用激活服务器，
    - get_request() -> request, client_address　　　　　　　　　　　#获取请求
    - handle_timeout()　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　#处理超时
    - verify_request(request, client_address)　　　　　　　　　 　　#验证请求
    - server_close()　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　#关闭服务器
    - process_request(request, client_address)　　　　　　　　　　　#进程处理，调用finish_request 完成请求
    - shutdown_request(request)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　#被shutdown调用，关闭一个单独的请求
    - close_request(request)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　#关闭请求
    - service_actions()　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　#被serve_forever 调用
    - handle_error()　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　#处理错误　

2、TCPServer

　　TCPServer是一种基本的套接字服务器类，采用TCP协议，继承自BaseServer，这里我会着重讲下TCPServer，然后自己写一个TCPserver，首先我们来看下在Socketserver源码中看下代码实现，

class TCPServer(BaseServer):

    address_family = socket.AF_INET             　　　　　　　　　　　# 定义地址族，ipv4
    socket_type = socket.SOCK_STREAM　　　　　　　　　　　　　　　　　　# 定义套接字类型，流式套接字（TCP)
　　request_queue_size = 5　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　  #定义监听的数量
    allow_reuse_address = False　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　# 定义是否要设置套接口的选项

    def __init__(self, server_address, RequestHandlerClass, bind_and_activate=True):
        BaseServer.__init__(self, server_address, RequestHandlerClass) 　　　  　　#调用BaseServer的初始化
        self.socket = socket.socket(self.address_family,self.socket_type)  　 　　 #创建一个套接字
        if bind_and_activate:
            try:
                self.server_bind()
                self.server_activate()            　　 　　　　　　　　　　　　　　　　#调用bind（）和activate（）
            except:　　
                self.server_close()　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　#关闭server
                raise

    def server_bind(self):　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　#绑定监听地址

        if self.allow_reuse_address:
            self.socket.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)   　　#设定socket
        self.socket.bind(self.server_address)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　#绑定地址
        self.server_address = self.socket.getsockname()        　　　　　　　　　　　　#获取待连接客户端的地址

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

    def server_close(self):
        self.socket.close()　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　  　　#关闭

    def fileno(self):
        return self.socket.fileno()　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　#文件描述符

    def get_request(self):
        return self.socket.accept()　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　#接受客户端的连接

    def shutdown_request(self, request):
        try:
            request.shutdown(socket.SHUT_WR)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 #关闭之前先调用shutdown保证通信双方数据不丢失
        except OSError:
            pass 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 #之后再调用close
        self.close_request(request)

    def close_request(self, request):　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　#释放套接字的描述符，直接调用可能丢弃传输队列中的数据
        request.close()

3、BaseRequestHandler和StreamRequestHandler　　

　　如果自己要实现TCPServer,我们还要自己定义一个请求处理类，而且要继承BaseRequestHandler或者StreamRequestHandler，并且覆盖他的handle()处理函数，用来处理请求。下面看一下他们的定义：

class BaseRequestHandler
    def __init__(self, request, client_address, server):   　　　　　　#初始化request,client_addres server
        self.request = request
        self.client_address = client_address
        self.server = server
        self.setup()　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　#在handle()方法前调用，初始化所有需要的
        try:
            self.handle()
        finally:
            self.finish()

    def setup(self):
        pass

    def handle(self):　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　#具体的处理请求函数，需要被覆盖
        pass

    def finish(self):　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　#在handle()方法好后调用，清理工作
        pass

class StreamRequestHandler(BaseRequestHandler):

    rbufsize = -1                                          　　　　　　 #为流式套接字定义rfile和wfile
    wbufsize = 0

    timeout = None

    disable_nagle_algorithm = False                　　　　　　　　　　  #当wbufsize !=0才会用到，避免太小的包 

    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)    #一个类似文件的对象，可以用来接收客户端的数据
        self.wfile = self.connection.makefile('wb', self.wbufsize)　　 #一个类似文件的对象，可以向客户端返回数据

    def finish(self):
        if not self.wfile.closed:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　   #wfile关闭之前需要刷新
            try:
                self.wfile.flush()
            except socket.error:
                pass
        self.wfile.close()
        self.rfile.close()

　　到这里我们就可以自己编写一个单线程server类来，按照自己的要求来处理请求了，下面写了一个最简单的客户端与服务端通信的例子，主要是为了方便大家好理解。代码实例如下，打开两个命令行工具，首先运行server.py，在另外一个命令行运行client.py，会看到服务端收到的数据为'hello,server'，客户端收到的数据为'你好'。

#server.py
import socketserver
class myTCPHandle(socketserver.StreamRequestHandler):　　　　　　　　　
    def handle(self):　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　#定义自己的请求处理函数　
        print("connet from %s:%s" % self.client_address)　　　　　　　　 #打印客户端的地址
        self.data=self.rfile.readline()　　　　　　　　　　　　　　　　　　 #读取客户端的传过来的一行数据
        print(str(self.data,encoding="utf-8"))
        self.wfile.write(bytes('你好',encoding='utf-8'))　　　　　　　　　#发送数据‘你好’给客户端
if __name__=='__main__':
    address=('127.0.0.1',9999)
    server=socketserver.TCPServer(address,myTCPHandle)　　　　　　　　　　#创建一个基于TCPServer的套接字
    server.serve_forever()　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　#调用它的server_forever()函数处理一个请求直到它被shutdown

#client.py
import socket
client=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)　　　　　　　　 #创建套接字
client.connect(('127.0.0.1',9999)) 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　#要连接的地址和端口

data='hello,server\n'　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 #发送的数据 \n作为行结束
data_bytes=bytes(data,encoding="utf-8")　　　　　　　　　　　　　　　　　　#转换成字节发送
client.send(data_bytes)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 #发送数据
data_recive=client.recv(1024)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　#接受数据
print(str(data_recive,encoding='utf-8'))　　　　　　　　　　　　　　　　　 #将接受的数据转换成字符串
client.close()　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　#关闭套接字

4、ThreadingMixIn

如果要实现以支持多线程的server，就需要继承ThreadingMixIn类，下面是源码

class ThreadingMixIn:

    daemon_threads = False

    def process_request_thread(self, request, client_address):  　　　　　　 #处理请求的线程函数

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

    def process_request(self, request, client_address):
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 #生成一个线程
        t = threading.Thread(target = self.process_request_thread,args = (request, client_address))
        t.daemon = self.daemon_threads
        t.start()　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 #启动线程

在这里对于ForkingMixIn(多线程)、UDPServer、DatagramRequestHandler(数据报套接字）等我就不再一一介绍，他们的原理和多进程以及上面介绍的TCPServer基本一样。最后我会用一个多线程的TCPserver的实例作为结束。

三、实现一个ThreadingTCPServer

# server.py
import socketserver
import threading

class ThreadingTCPServer(socketserver.ThreadingMixIn,socketserver.TCPServer):  #继承ThreadingMixIn，使其支持多线程
    pass

class myTCPHandle(socketserver.StreamRequestHandler):
    def handle(self):
        print("connet from %s:%s" % self.client_address)
        cur_thread=threading.current_thread()                                  #打印当前处理请求线程的名字
        self.data=self.rfile.readline()　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 #读取客户端的数据
        print(cur_thread.name)
        print(str(self.data,encoding="utf-8"))
        self.wfile.write(bytes('你好',encoding='utf-8'))    　　　　　　　　　　　#向客户端发送数据

if __name__=='__main__':
    address=('127.0.0.1',9999)
    server=socketserver.ThreadingTCPServer(address,myTCPHandle)　　　　　　　　 #创建一个支持多线程的socket
    #server=socketserver.TCPServer(address,myTCPHandle)
    server.serve_forever()　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 #调用server_forever（）处理请求直到被shutdown
'''
服务端打印的数据如下：
　　connect from 127.0.0.1：xxx
　　Thread-x
　　from client：x
　　...
'''

#client.py
import socket
for i in range(5):
	k=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)                   #定义了5个套接字，连接服务端，并向他发送数据
	k.connect(('127.0.0.1',9999))
	senddata='from client:{}\n'.format(i+1)　　　　　　　　　　　　　　　　　#向服务端发送数据
	k.send(bytes(senddata,encoding='utf-8'))
	data_recive=k.recv(1024)
	print(str(data_recive,encoding='utf-8'))　　　　　　　　　　　　　　　　 #打印从服务端收到的数据 你好
	k.close()

到这里我就实现了一个如何处理多线程的TCPServer,程序虽然简单，但是有助于大家理解socketserver，至于多进程的实现也类似，这里就不多叙述了，大家有兴趣的可以去实现以下。