Python实现简易TCP与HTTP服务器详解

Socket接口本质上是操作系统提供的系统调用。使用Socket并不局限于Python，开发者可以使用C或Java编写功能相同的Socket服务器，且各语言调用Socket的方式高度相似（例如Apache服务器便是由C语言实现）。

Web框架可视为预置好的服务器组件，其优势在于处理底层细节以加速开发，但框架通常无法跨语言通用，且受限于Python自身的性能瓶颈。许多知名网站初期采用Python、Ruby或PHP等动态语言快速迭代，待业务成功后，常将核心逻辑迁移至C或Java等高性能语言，以应对每日亿级请求的高并发压力。

TCP/IP协议栈与Socket技术基础

Socket是进程间通信（IPC）的一种机制，位于网络传输协议之上。Socket类型多样，包括基于TCP协议和UDP协议的实现，其中TCP Socket最为常用。TCP Socket类似于双向管道（duplex PIPE），允许一个进程向Socket一端写入或读取文本流，另一端进程则进行对应操作。其独特之处在于，建立通信的两个进程可位于不同的计算机上，仅需通过网络链路和通信协议即可连接。

TCP协议定义了网络环境下实现上述进程间通信的具体规则。与仅存在于单台计算机内的双向管道不同，Socket通信必须包含地址信息，以确保数据能在网络中准确路由至目标计算机。

一个Socket连接包含四个关键地址信息：两台计算机的IP地址以及两个进程所使用的端口（port）。IP地址用于定位具体的计算机设备，而端口用于区分同一台计算机上的不同进程（一台计算机可运行多个进程，各自占用不同端口）。

TCP Socket通信机制

我们可以指定某台计算机作为服务器，该服务器开放特定端口，被动等待其他计算机连接该端口。当其他计算机作为客户端，主动使用Socket发起连接时，服务器便开始提供服务，双方由此建立双向通信通道。

在Python中，我们使用标准库中的socket模块进行底层的Socket编程。

服务器端实现首先通过bind()方法为Socket绑定固定的地址和端口，并使用listen()方法被动监听该端口。当客户端尝试通过connect()方法连接时，服务器使用accept()接受连接，从而建立一个独立的连接Socket。

服务器端代码示例（server.py）

import socket
# Address
HOST = '127.0.0.1'
PORT = 8000
# Configure socket
s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
s.bind((HOST, PORT))
#socket.socket()创建一个socket对象，并说明socket使用的是IPv4(AF_INET，IP version 4)
#和TCP协议(SOCK_STREAM)。
# passively wait, 3: maximum number of connections in the queue
s.listen(3)
# accept and establish connection
conn, addr = s.accept()
# receive message
request = conn.recv(1024)
print ('request is: ',request)
print ('Connected by', addr)
# send message
reply = 'Yes'
""" 
好像3.* socket.send 传递的数据必须是bytes。不能是str。发送和接收数据时做下编码转换就可以了。修改如下：s.sendall(request.encode())
"""
conn.sendall(reply.encode())
# close connection
conn.close()

客户端代码示例（client.py）

import socket
# Address
HOST = '127.0.0.1'
PORT = 8000
request = 'can you hear me?'
# configure socket
s    = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
s.connect((HOST, PORT))
""" 

注意：在Python 3.*版本中，socket.send()传递的数据必须是bytes类型，不能直接传递str。在发送和接收数据时，需进行编码转换，例如修改为s.sendall(request.encode())。

"""
# send message
s.sendall(request.encode())
# receive message
reply  = s.recv(1024)
print ('reply is: ',reply)
# close connection
s.close()

我们可以对Socket的两端调用recv()方法接收信息，调用sendall()方法发送信息，从而实现分处两台计算机的两个进程间的通信。通信结束后，使用close()方法关闭Socket连接。

基于TCP Socket的HTTP服务器实现

利用TCP Socket建立两台远程计算机的连接即可实现通信。然而，Socket传输自由度极高，容易引发安全和兼容性问题。因此，我们通常利用应用层协议（如HTTP协议）来规范Socket的使用规则及传输信息的格式。

HTTP协议通过请求-响应（request-response）模式来使用TCP Socket。

客户端向服务器发送一段文本作为request，服务器端在接收到request后，向客户端发送一段文本作为response。

完成一次request-response交互后，该TCP Socket连接即被废弃。后续的request将建立新的Socket连接。

request和response本质上是文本，但HTTP协议对这两类文本均有特定的格式要求。

HTTP服务器代码示例（Httpserver.py）

import socket
# Address
HOST = ''
PORT = 8000
# Prepare HTTP response
text_content = '''HTTP/1.x 200 OK 
Content-Type: text/html
<head>
<title>WOW</title>
</head>
<html>
<p>Wow, Python Server</p>
<IMG src="test.jpg"/>
</html>
'''
# Read picture, put into HTTP format
f = open('test.jpg','rb')
pic_content = '''
HTTP/1.x 200 OK 
Content-Type: image/jpg
'''
pic_content = pic_content.bytes()+ f.read()
f.close()
# Configure socket
s  = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
s.bind((HOST, PORT))
# infinite loop, server forever
while True:
  # 3: maximum number of requests waiting
  s.listen(3)
  conn, addr = s.accept()
  request  = conn.recv(1024)
  method  = request.split(' ')[0]
  src      = request.split(' ')[1]
  # deal with GET method
  if method == 'GET':
    # ULR  
    if src == '/test.jpg':
      content = pic_content
    else: content = text_content
    print ('Connected by', addr)
    print ('Request is:', request)
    conn.sendall(content.bytes())
  # close connection
  conn.close()

代码解读

服务器会根据request的内容，向客户传输text_content或pic_content中的一条，作为response文本返回。

整个response结构分为三部分：起始行（start line）、头信息（head）和主体（body）。

起始行为第一行：HTTP/1.x 200 OK。它由空格分为三个片段：HTTP/1.x表示使用的HTTP版本；200为状态码（status code），是HTTP协议规定的表示服务器正常接收并处理请求的代码；OK是供人类阅读的状态码描述。

头信息紧随起始行，与主体之间由一个空行分隔。此处text_content或pic_content仅包含一行头信息，例如text_content使用Content-Type: text/html表示主体信息类型为HTML文本。

主体信息为HTML文件或JPG文件的内容。注意，对于JPG文件，我们使用'rb'模式打开，这是为了与Windows系统兼容。因为在Windows下，JPG被视为二进制（binary）文件，而在UNIX系统中，通常不区分文本文件和二进制文件。

HTTP客户端代码示例（HttpClient.py）

客户端程序可由开发者自行编写，但通常直接使用浏览器作为客户端。

request由客户端程序发送给服务器。尽管request也可像response那样分为三部分，但其格式与response不同。request由客户发送给服务器，例如以下是一个典型的request示例：

GET /test.jpg HTTP/1.x
Accept: text/*

request的起始行分为三部分：第一部分为请求方法（request method），第二部分是URL，第三部分为HTTP版本。常见的request method包括GET、PUT、POST、DELETE、HEAD，其中最常用的是GET和POST。GET用于请求服务器发送资源给客户，POST用于请求服务器接收客户送来的数据。打开网页时通常使用GET方法，填写并提交表单时通常使用POST方法。第二部分为URL，通常指向一个资源（服务器上的资源或其他地方的资源），如当前指向服务器当前目录下的test.jpg。

根据HTTP协议规定，服务器需根据请求执行相应操作。正如服务器程序中所示，Python程序首先检查request的方法，随后根据URL的不同生成不同的response（text_content或pic_content），最后将该response发送回客户端。

测试环节

在终端运行上述Httpserver程序作为服务器端，同时打开一个浏览器作为客户端（若有时间，也可用Python编写客户端，原理与上述TCP Socket客户端程序类似）。在浏览器地址栏输入：127.0.0.1:8000。

使用浏览器的调试功能（F12）

GET / HTTP/1.1
Host: 127.0.0.1:8000
User-Agent: Mozilla/5.0 (X11; Ubuntu; Linux x86_64; rv:14.0) Gecko/20100101 Firefox/14.0.1
Accept: text/html,application/xhtml+xml,application/xml;q=0.9,*/*;q=0.8
Accept-Language: en-us,en;q=0.5
Accept-Encoding: gzip, deflate
Connection: keep-alive

浏览器接收到text_content后，发现正文HTML中包含<img>标签，得知需要获取text.jpg文件以补充图片，于是立即发出第二个请求：

GET /test.jpg HTTP/1.1
Host: 127.0.0.1:8000
User-Agent: Mozilla/5.0 (X11; Ubuntu; Linux x86_64; rv:14.0) Gecko/20100101 Firefox/14.0.1
Accept: image/png,image/*;q=0.8,*/*;q=0.5
Accept-Language: en-us,en;q=0.5
Accept-Encoding: gzip, deflate
Connection: keep-alive
Referer: http://127.0.0.1:8000/

小结

1) 在上述服务器程序中，我们使用while循环使服务器持续运行。实际上，可以利用多线程知识，将while循环中的内容改为多进程或多线程工作模式。

2) 当前服务器程序尚不完善，可让Python程序调用其他功能以实现更复杂的服务。例如制作时间服务器，向客户返回日期和时间；或使用Python内置数据库，构建完整的LAMP服务器。

3) socket模块属于底层包。Python标准库中还提供高层包，如SocketServer、SimpleHTTPServer、CGIHTTPServer、cgi等。这些包旨在帮助用户更轻松地使用Socket，理解起来较为直观。利用这些高层包，你可以编写出相当成熟的服务器。

4) 在经历所有底层开发的繁琐后，会发现框架的使用极为便捷，因此建议转向使用框架。当然，你也可以选择参与框架的开发工作。

总结

以上介绍了使用Python实现简单服务器功能的方法，希望对大家有所帮助。如有任何疑问，请留言，小编会及时回复。感谢大家对本站的支持！