Socket网络通信过程与 IO多路复用原理

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Socket网络通信过程与 IO多路复用原理

2024-11-01 01:15

深入理解Socket网络通信过程与IO多路复用原理在网络编程中，Socket（套接字）是实现不同计算机之间通信的关键机制。下面我们将详细介绍Socket的网络通信过程以及IO多路复用的工作原理。

深入理解Socket网络通信过程与IO多路复用原理

在网络编程中，Socket（套接字）是实现不同计算机之间通信的关键机制。下面我们将详细介绍Socket的网络通信过程以及IO多路复用的工作原理。

? Socket网络通信过程

Socket通信涉及服务器端和客户端两个端点，通信过程如下：

服务器端创建Socket
```
import socket
# 创建TCP Socket
server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
```
? 解释：
- import socket：导入Python的 socket模块，提供网络通信功能。
- socket.socket()：创建一个套接字对象。
  - socket.AF_INET：指定地址族为IPv4。
  - socket.SOCK_STREAM：指定使用TCP协议。
绑定IP地址和端口号
```
# 绑定到本地IP和端口
server_socket.bind(('0.0.0.0', 8080))
```
? 解释：
- '0.0.0.0'：表示绑定到所有可用的网络接口。
- 8080：指定服务器监听的端口号。
开始监听
```
# 开始监听，等待客户端连接
server_socket.listen(5)
```
? 解释：
- listen(5)：开始监听传入的连接，5表示允许的最大连接数。
客户端创建Socket
```
# 创建TCP Socket
client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
```
? 解释：
- 与服务器端类似，客户端创建一个套接字对象，使用TCP协议。
客户端连接服务器
```
# 连接到服务器
client_socket.connect(('服务器IP地址', 8080))
```
? 解释：
- '服务器IP地址'：需要替换为实际的服务器IP地址。
- connect()：客户端向服务器发起连接请求。
服务器接受连接
```
# 接受客户端连接
conn, addr = server_socket.accept()
```
? 解释：
- accept()：服务器接受连接，返回新的套接字对象 conn和客户端地址 addr。
数据传输
- 客户端发送数据
```
# 客户端发送数据
client_socket.sendall(b'Hello, Server!')
```
  ? 解释：
  - sendall()：发送完整的数据到服务器，需要以字节形式发送。
- 服务器接收数据
```
# 服务器接收数据
data = conn.recv(1024)
print('收到客户端的数据：', data.decode())
```
  ? 解释：
  - recv(1024)：接收数据，1024为缓冲区大小（字节）。
  - data.decode()：将接收到的字节数据解码为字符串。

关闭连接

# 关闭套接字
client_socket.close()
conn.close()
server_socket.close()

? 解释：

close()：关闭套接字，释放资源。

? Socket通信流程图

服务器客户端服务器客户端连接请求1确认连接2发送数据3返回响应4关闭连接5

? IO多路复用原理

IO多路复用是一种高效处理多个IO事件的机制，主要方法有select、poll和epoll。它允许一个进程同时监听多个文件描述符（如套接字），在任一文件描述符就绪时进行相应的IO操作。

? 工作原理

注册IO事件

应用程序调用 select、poll或 epoll，向内核注册需要监听的文件描述符列表。
内核监听

内核持续监听这些文件描述符的状态变化，如可读、可写或异常。
事件通知

当文件描述符状态发生变化时，内核通知应用程序。
处理IO事件

应用程序根据通知，对就绪的文件描述符进行相应的IO操作。

? 代码示例（以 `select`为例）

import select
import socket

# 创建套接字并绑定
server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
server_socket.bind(('0.0.0.0', 8000))
server_socket.listen(5)

# 初始化输入列表
inputs = [server_socket]

while True:
    # 监控文件描述符
    readable, writable, exceptional = select.select(inputs, [], [])
    for s in readable:
        if s is server_socket:
            # 接受新连接
            conn, addr = s.accept()
            inputs.append(conn)
        else:
            # 接收数据
            data = s.recv(1024)
            if data:
                s.send(data)  # 回显数据
            else:
                inputs.remove(s)
                s.close()

? 解释：

select.select(inputs, [], [])：监控 inputs中的套接字，等待其变为可读。
- inputs：需要监控的文件描述符列表。
- readable：返回已就绪的可读套接字列表。
if s is server_socket：判断是否有新的客户端连接请求。
- s.accept()：接受新连接，将新套接字添加到监控列表。
data = s.recv(1024)：从客户端接收数据。
- if data：如果收到数据，进行处理；否则关闭连接。

? IO多路复用优势

高并发处理：能够同时处理大量连接，避免为每个连接创建独立的线程或进程。
资源节省：减少了线程上下文切换和系统资源消耗，提高了系统性能。

? IO模型对比

label :

Socket
IO

Shell变量知多少？ NodeJS入门 - 实现 http 服务mysql教程。

IO模型	描述
阻塞IO	调用IO操作时，进程阻塞，直到操作完成。
非阻塞IO	IO操作不阻塞，若无法立即完成，立即返回。
IO多路复用	通过一个线程监听多个IO流，哪个就绪就处理哪个，提高效率。
信号驱动IO	利用信号机制通知应用程序IO事件的发生。

Socket网络通信过程 与 IO多路复用原理

Socket网络通信过程 与 IO多路复用原理

深入理解Socket网络通信过程与IO多路复用原理

? Socket网络通信过程

? Socket通信流程图

? IO多路复用原理

? 工作原理

? 代码示例（以 select为例）

? IO多路复用优势

? IO模型对比

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? 代码示例（以 `select`为例）