Python Socket 编程:聊天室示例程序

上一篇 我们学习了简单的 Python TCP Socket 编程,通过分别写服务端和客户端的代码了解基本的 Python Socket 编程模型。本文再通过一个例子来加强一下对 Socket 编程的理解。

聊天室程序需求

我们要实现的是简单的聊天室的例子,就是允许多个人同时一起聊天,每个人发送的消息所有人都能接收到,类似于 QQ 群的功能,而不是点对点的 QQ 好友之间的聊天。如下图:

图来自:http://www.ibm.com/developerworks/linux/tutorials/l-pysocks/

我们要实现的有两部分:

  • Chat Server:聊天服务器,负责与用户建立 Socket 连接,并将某个用户发送的消息广播到所有在线的用户。
  • Telnet Client:用户聊天客户端,可以输入聊天的内容并发送,同时可以显示其他用户的消息记录。

同样,我们的消息通信采用 TCP 连接保证可靠性。在分别对服务端和客户端进行程序设计之前,首先要学习一下 Python 中实现异步 I/O 的一个函数 —— select

Python 异步 I/O

Python 在 select 模块中提供了异步 I/O(Asynchronous I/O),这与 Linux 下的 select 机制相似,但进行一些简化。我首先介绍一下 select,然后告诉你在 Python 中如何使用它。

前面文章使用多线程来并行处理多路 socket I/O,这里介绍的select 方法允许你响应不同 socket 的多个事件以及其它不同事件。例如你可以让 select 在某个 socket 有数据到达时,或者当某个 socket 可以写数据时,又或者是当某个 socket 发生错误时通知你,好处是你可以同时响应很多 socket 的多个事件。

Linux 下 C 语言的 select 使用到位图来表示我们要关注哪些文件描述符的事件,Python 中使用 list 来表示我们监控的文件描述符,当有事件到达时,返回的也是文件描述符的 list,表示这些文件有事件到达。下面的简单程序是表示等待从标准输入中获得输入:

select 方法的三个参数都是 list 类型,分别代表读事件、写事件、错误事件,同样方法返回值也是三个 list,包含的是哪些事件(读、写、异常)满足了。上面的例子,由于参数只有一个事件 sys.stdin,表示只关心标准输入事件,因此当 select 返回时 rlist 只会是 [sys.stdin],表示可以从 stdin 中读入数据了,我们使用 read 方法来读入数据。

当然 select 对于 socket 描述符也是有效的,下面的一个例子是创建了两个 socket 客户端连接到远程服务器,select 用来监控哪个 socket 有数据到达:

好了,有了上面的基础,我们就可以来设计聊天室的服务器和客户端了。

聊天室服务器

聊天室服务器主要完成下面两件事:

  • 接收多个客户端的连接
  • 从每个客户端读入消息病广播到其它连接的客户端

我们定义一个 list 型变量 CONNECTION_LIST 表示监听多个 socket 事件的可读事件,那么利用上面介绍的我们的服务器使用 select 来处理多路复用 I/O 的代码如下:

select 返回时,说明在 read_sockets 上有可读的数据,这里又分为两种情况:

  1. 如果是主 socket(即服务器开始创建的 socket,一直处于监听状态)有数据可读,表示有新的连接请求可以接收,此时需要调用 accept 函数来接收新的客户端连接,并将其连接信息广播到其它客户端。
  2. 如果是其它 sockets(即与客户端已经建立连接的 sockets)有数据可读,那么表示客户端发送消息到服务器端,使用 recv 函数读消息,并将消息转发到其它所有连接的客户端。

上面两种情况到涉及到广播消息的过程,广播也就是将从某个 socket 获得的消息通过 CONNECTION_LIST 的每个 socket (除了自身和主 socket)一个个发送出去:

如果发送失败,我们假设某个客户端已经断开了连接,关闭该 socket 病将其从连接列表中删除。

完整的聊天室服务器源代码如下:

聊天室客户端

我们写一个客户端程序可以连接到上面的服务器,完成发送消息和接收消息的过程。主要做下面两件事:

  • 监听服务器是否有消息发送过来
  • 检查用户的输入,如果用户输入某条消息,需要发送到服务器

这里有两个 I/O 事件需要监听:连接到服务器的 socket 和标准输入,同样我们可以使用 select 来完成:

那逻辑就很简单了,如果是 sys.stdin 有数据可读,表示用户从控制台输入数据并按下回车,那么就从标准输入读数据,并发送到服务器;如果是与服务器连接的 socket 有数据可读,表示服务器发送消息给该客户端,那么就从 socket 接收数据。加上一些提示信息及异常处理的完整客户端代码如下:

可以在多个终端下运行该代码:

在另一个终端显示的信息:

总结

上面的代码注意两点:

  1. 聊天室客户端代码不能在 windows 下运行,因为代码使用 select 同时监听 socket 和输入流,在 Windows 下 select 函数是由 WinSock 库提供,不能处理不是由 WinSock 定义的文件描述符。
  2. 客户端代码还有个缺陷是,当某个客户端在输入消息但还未发送出去时,服务器也发送消息过来,这样会冲刷掉客户端正在输入的消息。这目前来看没办法解决的,唯一的解决方法是使用像 ncurses 终端库使用户输入和输出独立开,或者写一个 GUI 的程序。

那么本文通过一个聊天室的范例进一步学习了 Python 下 Socket 编程。

参考文献

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关于作者:海风林影

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