Day 26：【99天精通Python】网络编程入门 (Socket) - 让电脑互相“打电话“

Day 26：【99天精通Python】网络编程入门 (Socket) - 让电脑互相"打电话"

前言

欢迎来到第26天！

在此之前，我们的程序都只是在自己的电脑上自言自语（单机版）。但互联网的魅力在于互联互通。通过网络编程，我们可以让运行在不同电脑（甚至不同国家）上的程序进行数据交换。

比如：浏览网页（浏览器 <-> 服务器）、玩在线游戏（客户端 <-> 游戏服务器）、聊天软件（你 <-> 腾讯服务器 <-> 朋友）。

今天，我们将学习网络编程的基石——Socket（套接字），并亲手编写一个聊天程序，让两台程序能够隔空对话。

本节内容：

• 网络基础：IP、端口、TCP/UDP
• Socket 通信流程
• TCP 服务器与客户端开发
• UDP 编程简介
• 实战练习：简易聊天室

一、网络基础三板斧

在写代码前，必须搞懂三个概念：

1.1 IP 地址 (住址)

用来唯一标识网络中的一台计算机。

• 本地回环地址：127.0.0.1(localhost)，代表"我自己"。
• 局域网地址：如192.168.1.5。
• 公网地址：百度服务器的 IP。

1.2 端口 (门牌号)

一台电脑上运行着很多程序，数据发过来，该给谁？靠端口区分。

• 范围：0-65535。
• 知名端口：HTTP(80), HTTPS(443), SSH(22)。
• 我们在写程序时，通常使用 1024 以上的端口（如 8888, 9999），避免冲突。

1.3 协议 (语言)

• TCP (传输控制协议)：打电话。可靠，连接后才能通信，保证数据不丢、不乱。适合传文件、网页、邮件。
• UDP (用户数据报协议)：寄信/广播。不可靠，发出去就不管了，可能丢包，但速度快。适合视频直播、语音通话。

二、Socket 通信流程 (TCP版)

Socket 是操作系统提供的网络编程接口。TCP 通信就像打电话，流程非常固定：

三、实战：编写 TCP 服务器与客户端

我们将编写一个 “Echo Server”（回声服务器）：客户端发什么，服务器就回复什么。

3.1 TCP 服务器 (Server.py)

importsocket# 1. 创建 Socket 对象# AF_INET: IPv4# SOCK_STREAM: TCP 协议server_socket=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)# 2. 绑定 IP 和 端口# '0.0.0.0' 表示允许任何 IP 连接我# 8888 是端口号server_socket.bind(('0.0.0.0',8888))# 3. 开始监听 (最大等待连接数 5)server_socket.listen(5)print("服务器启动，等待连接...")# 4. 等待客户端连接 (阻塞，直到有连接进来)# client_sock: 用于和这个特定客户端通信的socket# addr: 客户端的 (IP, Port)client_sock,addr=server_socket.accept()print(f"客户端{addr}已连接！")# 5. 接收与发送数据whileTrue:# recv(1024): 一次最多接收 1024 字节data=client_sock.recv(1024)ifnotdata:# 客户端断开连接print("客户端已断开。")breakmsg=data.decode('utf-8')# 解码print(f"收到消息:{msg}")# 回复消息 (编码为 bytes)response=f"服务端收到:{msg}"client_sock.send(response.encode('utf-8'))# 6. 关闭连接client_sock.close()server_socket.close()

3.2 TCP 客户端 (Client.py)

importsocket# 1. 创建 Socketclient_socket=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)# 2. 连接服务器 (IP, Port)# 如果服务器在另一台电脑，这里填那台电脑的 IPclient_socket.connect(('127.0.0.1',8888))whileTrue:msg=input("请输入发送内容 (q退出): ")ifmsg=='q':break# 3. 发送数据client_socket.send(msg.encode('utf-8'))# 4. 接收回复recv_data=client_socket.recv(1024)print(recv_data.decode('utf-8'))# 5. 关闭client_socket.close()

运行方式：

1. 先运行Server.py，看到"服务器启动"。
2. 再运行Client.py。
3. 在客户端输入文字，观察服务器的反应。

四、UDP 编程简介

UDP 不需要建立连接，没有listen和accept，上来直接发，简单粗暴。

4.1 UDP 服务器

importsocket# SOCK_DGRAM 代表 UDPudp_server=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)udp_server.bind(('0.0.0.0',9999))print("UDP 服务器启动...")whileTrue:# recvfrom 返回 (数据, (ip, port))data,addr=udp_server.recvfrom(1024)print(f"来自{addr}的消息:{data.decode()}")

4.2 UDP 客户端

importsocket udp_client=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)# 不需要 connect，直接 sendtoudp_client.sendto("Hello UDP".encode(),('127.0.0.1',9999))udp_client.close()

五、实战练习：简易多人聊天室 (Socket + Threading)

上面的 TCP 服务器有一个大问题：accept后进入while循环处理消息，这期间如果有第二个客户端连接，会被阻塞住（排队等待）。

为了支持多人聊天，我们需要结合Day 24 (多线程)的知识：主线程负责监听连接，每来一个用户，就开启一个新线程专门服务他。

importsocketimportthreadingdefhandle_client(client_sock,addr):"""处理单个客户端的线程函数"""print(f"用户{addr}加入聊天。")try:whileTrue:data=client_sock.recv(1024)ifnotdata:breakmsg=data.decode('utf-8')print(f"[{addr[0]}:{addr[1]}] 说:{msg}")# 简单的回显，实际聊天室应该把消息转发给所有其他 socketclient_sock.send(f"服务器已阅:{msg}".encode('utf-8'))exceptExceptionase:print(f"连接异常:{e}")finally:print(f"用户{addr}退出。")client_sock.close()defmain():server=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)server.bind(('0.0.0.0',8888))server.listen(10)# 允许10人排队print("多人聊天服务器启动...")whileTrue:# 主线程只负责接待client,addr=server.accept()# 创建分身（线程）去专门服务这个用户t=threading.Thread(target=handle_client,args=(client,addr))t.start()if__name__=='__main__':main()

六、常见问题

Q1：为什么接收/发送都要 encode/decode？

网络传输的底层是字节流 (bytes)，不是字符串 (string)。

• 发送前：字符串 -> bytes (encode)
• 接收后：bytes -> 字符串 (decode)

Q2：端口被占用 (Address already in use) 怎么办？

程序非正常退出时，端口可能没释放。

1. 等一分钟再试（操作系统会自动回收）。
2. 代码中添加setsockopt允许端口复用（在 bind 之前）：

   server_socket.setsockopt(socket.SOL_SOCKET,socket.SO_REUSEADDR,1)

Q3：TCP 粘包问题？

TCP 是流式协议，你发了 “A” 和 “B”，接收端可能一次性收到 “AB”。
解决办法：设计应用层协议，比如每条消息前加上长度头（先发4个字节表示消息长度，再发消息体）。

七、小结

关键要点：

1. TCP是打电话（连接、可靠），UDP是广播（无连接、不可靠）。
2. Socket是通信的端点，由 IP 和端口组成。
3. 写服务器时，记住“bind -> listen -> accept”三部曲。
4. 要实现多人同时在线，必须使用多线程或多进程。

八、课后作业

1. 文件传输助手：编写一个 Server 和 Client。Client 读取本地一个图片文件，通过 Socket 发送给 Server；Server 接收并保存为received.jpg。
2. 群聊系统升级：完善上面的多人聊天室。维护一个全局的clients列表，当一个用户说话时，服务器遍历这个列表，把消息send给除他以外的所有人。
3. 简易 HTTP 服务器：编写一个 TCP Server 监听 80 端口。当浏览器访问http://127.0.0.1时，接收浏览器发的请求，并返回一段简单的 HTML 文本<h1>Hello Web</h1>。（这其实就是 Web 服务器的雏形！）

下节预告

Day 27：HTTP 协议与 Requests 库- Socket 太底层了，每次都要自己拼报文好累。明天我们学习应用层最常用的 HTTP 协议，并用 Python 轻松抓取网页数据（爬虫入门）！

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