3.1 引言

tiny httpd执行流程的第一步是调用startup()函数创建了一个socket。那么什么是socket呢？

3.2 初识socket

socket应该是最难解释的编程概念之一了。即便你能熟练地使用socket API编程，也很难简短地阐述出socket的核心概念。如果非要用一句话去概括socket，那么我的回答是：socket是操作系统对TCP/IP协议簇进行封装后，向上层提供的API接口。但使用专业名词去解释专业名词，并不能很好地帮助我们理解socket的概念。所以，我们不妨从socket这个词汇本身出发去寻找答案。在计算机专业领域，socket的翻译是套接字，但我个人并不太喜欢这个翻译。如果从socket的本意 —— 插座、插孔出发，可能反而更有助于我们理解它的概念。

3.3 简述TCP

前面已经提到了socket是对TCP/IP协议簇的封装与抽象，但是如果继续向下深究TCP/IP协议簇并不明智。因为TCP/IP协议簇是一个庞杂的体系，难以用三言两语阐释清楚。但好在我们研究的重点是HTTP协议，而HTTP协议是基于TCP协议的，所以我们只需要把注意力集中在TCP协议上就足够了。TCP协议的全称是Transmission Control Protocol（传输控制协议），它的内容也不少，但目前我们只需要关注其中一小部分就可以了。

首先，我们来简单地回顾一下TCP协议中的客户端与服务端的通信过程：客户端向服务端发送连接请求 → 经过三次握手，建立连接 → 发送数据 → 经过四次挥手，关闭连接。在这个过程中，服务端就像一个插座，客户端就像一个插头。服务端被动地等待客户端主动发起连接请求（插座等待插头插入），建立连接后（插头插入插座），再进行数据传输（充电），传输结束后，再断开连接（结束充电，拔出插头）。实际上，TCP建立连接和进行数据传输的过程也是很复杂的。但操作系统将那些复杂的操作都隐藏到了底层，然后向上层暴露了socket接口。有了socket，我们可以像使用插座和插头一样，简便地使用TCP协议进行通信。

3.4 编写Echo Server

Taking is cheap !

现在，就让我们用Python来编写一个简单的Echo Server吧！之所以不用C语言，主要有以下三点原因：

Linux C的socket编程比较复杂，而且需要引入另一个概念 —— 文件描述符（file descriptor）。目前我们需要把重点放在socket上，所以代码越简单越好。
Linux C的socket API不能跨平台，Python的socket API可以跨平台。所以即便你暂时没有Linux环境，也不影响你学习socket。
Python的socket API风格与Linux C的较为相近，能够比较好地衔接后面的内容。

echo_server.py

# 回响服务器
import socket

HOST = '127.0.0.1'
PORT = 5000

# 创建一个 socket 对象
with socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) as server_sock:
    server_sock.bind((HOST, PORT)) # 将 socket 绑定到指定地址上
    server_sock.listen(1) # 启动服务器
    while True:
        conn, addr = server_sock.accept() # 接受连接
        with conn:
            print('accept a connection from {}'.format(addr)) # 打印客户端地址
            while True:
                data = conn.recv(1024) # 接收客户端数据
                if not data:
                    break
                print('the data from client: {}'.format(data)) # 打印客户端发送的数据
                conn.sendall(data) # 向客户端回传数据
        print('the connection from {} has been cloesed'.format(addr))

echo_client.py

# 客户端
import socket

HOST = '127.0.0.1'
PORT = 5000

# 创建一个 socket 对象
with socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) as client_sock:
    client_sock.connect((HOST, PORT)) # 向指定地址的服务端请求连接
    client_sock.send(b'Hello!') # 向服务端发送数据
    data = client_sock.recv(1024) # 接收服务端回传的数据
    print('the data from server: {}'.format(data)) # 打印服务端回传的数据

先使用python echo_server.py命令运行服务端，然后使用python echo_client.py运行客户端。

服务端的日志如下：

accept a connection from ('127.0.0.1', 60789)
the data from client: b'Hello!'
the connection from ('127.0.0.1', 60789) has been cloesed

客户端的日志如下：

the data from server: b'Hello!'

可以看到服务端收到了来自客户端的连接，并将客户端发送给自己的数据回传给了客户端。

需要注意的两点是：

服务端需要绑定端口号，但是客户端的端口号是由操作系统自动分配的。所以，如果你的端口号与上面的不一致，是正常现象。
b'Hello!'代表了这是一个字节类型，而不是字符串。我们发送和接收的数据都是字节类型，因为TCP是面向字节流传输的。

3.5 分析 Echo Server 代码

大部分支持面向对象的语言都将socket封装成了一个类（Java甚至封装了ServerSocket和Socket两个类来分别表示服务端与客户端），Python也不例外。使用Python编写一个 Echo Server 的过程如下：

①创建一个socket对象

with socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) as server_sock:

这段代码等价于

server_sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
... # 省略中间代码
server_sock.close() # 关闭 socket

使用第一种写法创建socket，会在执行完with代码块内的语句后自动关闭socket，是官方推荐写法。

创建socket时，我们传入了两个参数 —— family 和 type，它们分别代表使用的地址族和socket类型。socket.AF_INET代表使用IPv4地址，socket.SOCK_STREAM表示面向字节流传输的socket，即使用TCP协议（关于TCP面向字节流传输的这一特点，我们将在讲解HTTP协议的部分深入探讨）。

②为服务端绑定一个地址

server_sock.bind((HOST, PORT))

在TCP通信的过程中，连接请求是由客户端发起的，所以服务端的地址必须是固定的，否则客户端就不知道该向何处发起请求。通过调用bind()方法可以将socket绑定到指定地址上。bind()的参数是一个由主机名（HOST）和端口号（PORT）组成的元组。根据主机名和端口号，客户端可以确定服务端在网络中的位置。

③开启监听

server_sock.listen(1)

调用listen()后，socket会开始监听所绑定的端口号是否有客户端发起连接请求。listen有一个名为 backlog，它代表了服务端允许的已建立连接但未被接受的最大连接数。“backlog”一词意为“积压的工作”，已建立但尚未被服务端接受的连接非常符合该词的词意。

④接受连接

conn, addr = server_sock.accept()

当服务端有已建立的连接时，accept()会接受一个已建立的连接，并返回当前连接对象（本质是一个socket）和发起该连接的客户端的地址。需要注意的一点是accept()方法是阻塞式的。也就是说如果当前服务端没有已建立的连接，那么accept()不会返回，也不会继续向下执行，而是停在那里，直到出现有可以接受的连接后，才会继续执行。

print('waiting for connections...')
conn, addr = server_sock.accept() # 接受连接
print('continue...')

你可以试着在accept()方法的前后添加如上两条输出语句。在没有客户端连接服务端时，服务端代码会在输出waiting for connections...后暂停运行（即阻塞），直至有客户端连接到服务端，服务端才会输出continue...，并继续向下运行。

⑤接收数据

data = conn.recv(1024)

recv()方法会从当前连接读取数据，也是阻塞式的。1024 是我们指定的一次接收的最大数据量。

⑥发送数据

conn.sendall(data)

sendall()方法会持续的将我们所要发送的数据发送到客户端，直到发送完成或者出现错误为止。

⑦关闭连接

当我们处理完一个连接之后，同样需要关闭连接。但当前我们使用了 with 语句，所以当处理完连接，离开 with 语句后，连接会被自动关闭。

现在，我们把目光转移到客户端，来看看客户端是如何发起一个连接的。

①创建一个socket对象

with socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) as client_sock:

客户端创建socket的方式与服务端完全相同。

②发起连接

client_sock.connect((HOST, PORT))

connect()的参数和bind()相同，是一个由主机名和端口号组成的元组，代表服务端。客户端不需要指定主机名和端口号，操作系统会自动为其分配。connect()会完成三次握手，与服务端建立连接。

③发送数据

client_sock.sendall(b'Hello!')

客户端不需要获取服务端的连接，因为连接是由客户端发起的，客户端知道数据发送的目的地。

④接收数据

data = client_sock.recv(1024)

客户端接收数据的方式和服务端相同。

⑤关闭连接

离开 with 代码块后，socket会被自动关闭。

下图是服务端与客户端的通信过程：

TCP通信.png

3.6 总结

由于本系列是tiny httpd的源码解析，所以只讲解了如何使用socket进行TCP通信（甚至连TCP协议都讲得十分粗略）。如果读者想要更加深入地了解TCP/IP协议簇和socket编程，可以阅读计算机网络的相关书籍和Python官方文档。

tiny httpd源码分析：3.socket入门