~dkuhlman/python-training-materials/Materials

« back to all changes in this revision

Viewing changes to python-3.5.1-docs-html/_sources/howto/sockets.txt

  • Committer: Dave Kuhlman
  • Date: 2017-04-15 16:24:56 UTC
  • Revision ID: dkuhlman@davekuhlman.org-20170415162456-iav9vozzg4iwqwv3
Updated docs

Show diffs side-by-side

added added

removed removed

Lines of Context:
1
 
.. _socket-howto:
2
 
 
3
 
****************************
4
 
  Socket Programming HOWTO
5
 
****************************
6
 
 
7
 
:Author: Gordon McMillan
8
 
 
9
 
 
10
 
.. topic:: Abstract
11
 
 
12
 
   Sockets are used nearly everywhere, but are one of the most severely
13
 
   misunderstood technologies around. This is a 10,000 foot overview of sockets.
14
 
   It's not really a tutorial - you'll still have work to do in getting things
15
 
   operational. It doesn't cover the fine points (and there are a lot of them), but
16
 
   I hope it will give you enough background to begin using them decently.
17
 
 
18
 
 
19
 
Sockets
20
 
=======
21
 
 
22
 
I'm only going to talk about INET (i.e. IPv4) sockets, but they account for at least 99% of
23
 
the sockets in use. And I'll only talk about STREAM (i.e. TCP) sockets - unless you really
24
 
know what you're doing (in which case this HOWTO isn't for you!), you'll get
25
 
better behavior and performance from a STREAM socket than anything else. I will
26
 
try to clear up the mystery of what a socket is, as well as some hints on how to
27
 
work with blocking and non-blocking sockets. But I'll start by talking about
28
 
blocking sockets. You'll need to know how they work before dealing with
29
 
non-blocking sockets.
30
 
 
31
 
Part of the trouble with understanding these things is that "socket" can mean a
32
 
number of subtly different things, depending on context. So first, let's make a
33
 
distinction between a "client" socket - an endpoint of a conversation, and a
34
 
"server" socket, which is more like a switchboard operator. The client
35
 
application (your browser, for example) uses "client" sockets exclusively; the
36
 
web server it's talking to uses both "server" sockets and "client" sockets.
37
 
 
38
 
 
39
 
History
40
 
-------
41
 
 
42
 
Of the various forms of :abbr:`IPC (Inter Process Communication)`,
43
 
sockets are by far the most popular.  On any given platform, there are
44
 
likely to be other forms of IPC that are faster, but for
45
 
cross-platform communication, sockets are about the only game in town.
46
 
 
47
 
They were invented in Berkeley as part of the BSD flavor of Unix. They spread
48
 
like wildfire with the Internet. With good reason --- the combination of sockets
49
 
with INET makes talking to arbitrary machines around the world unbelievably easy
50
 
(at least compared to other schemes).
51
 
 
52
 
 
53
 
Creating a Socket
54
 
=================
55
 
 
56
 
Roughly speaking, when you clicked on the link that brought you to this page,
57
 
your browser did something like the following::
58
 
 
59
 
   # create an INET, STREAMing socket
60
 
   s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
61
 
   # now connect to the web server on port 80 - the normal http port
62
 
   s.connect(("www.python.org", 80))
63
 
 
64
 
When the ``connect`` completes, the socket ``s`` can be used to send
65
 
in a request for the text of the page. The same socket will read the
66
 
reply, and then be destroyed. That's right, destroyed. Client sockets
67
 
are normally only used for one exchange (or a small set of sequential
68
 
exchanges).
69
 
 
70
 
What happens in the web server is a bit more complex. First, the web server
71
 
creates a "server socket"::
72
 
 
73
 
   # create an INET, STREAMing socket
74
 
   serversocket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
75
 
   # bind the socket to a public host, and a well-known port
76
 
   serversocket.bind((socket.gethostname(), 80))
77
 
   # become a server socket
78
 
   serversocket.listen(5)
79
 
 
80
 
A couple things to notice: we used ``socket.gethostname()`` so that the socket
81
 
would be visible to the outside world.  If we had used ``s.bind(('localhost',
82
 
80))`` or ``s.bind(('127.0.0.1', 80))`` we would still have a "server" socket,
83
 
but one that was only visible within the same machine.  ``s.bind(('', 80))``
84
 
specifies that the socket is reachable by any address the machine happens to
85
 
have.
86
 
 
87
 
A second thing to note: low number ports are usually reserved for "well known"
88
 
services (HTTP, SNMP etc). If you're playing around, use a nice high number (4
89
 
digits).
90
 
 
91
 
Finally, the argument to ``listen`` tells the socket library that we want it to
92
 
queue up as many as 5 connect requests (the normal max) before refusing outside
93
 
connections. If the rest of the code is written properly, that should be plenty.
94
 
 
95
 
Now that we have a "server" socket, listening on port 80, we can enter the
96
 
mainloop of the web server::
97
 
 
98
 
   while True:
99
 
       # accept connections from outside
100
 
       (clientsocket, address) = serversocket.accept()
101
 
       # now do something with the clientsocket
102
 
       # in this case, we'll pretend this is a threaded server
103
 
       ct = client_thread(clientsocket)
104
 
       ct.run()
105
 
 
106
 
There's actually 3 general ways in which this loop could work - dispatching a
107
 
thread to handle ``clientsocket``, create a new process to handle
108
 
``clientsocket``, or restructure this app to use non-blocking sockets, and
109
 
mulitplex between our "server" socket and any active ``clientsocket``\ s using
110
 
``select``. More about that later. The important thing to understand now is
111
 
this: this is *all* a "server" socket does. It doesn't send any data. It doesn't
112
 
receive any data. It just produces "client" sockets. Each ``clientsocket`` is
113
 
created in response to some *other* "client" socket doing a ``connect()`` to the
114
 
host and port we're bound to. As soon as we've created that ``clientsocket``, we
115
 
go back to listening for more connections. The two "clients" are free to chat it
116
 
up - they are using some dynamically allocated port which will be recycled when
117
 
the conversation ends.
118
 
 
119
 
 
120
 
IPC
121
 
---
122
 
 
123
 
If you need fast IPC between two processes on one machine, you should look into
124
 
pipes or shared memory.  If you do decide to use AF_INET sockets, bind the
125
 
"server" socket to ``'localhost'``. On most platforms, this will take a
126
 
shortcut around a couple of layers of network code and be quite a bit faster.
127
 
 
128
 
.. seealso::
129
 
   The :mod:`multiprocessing` integrates cross-platform IPC into a higher-level
130
 
   API.
131
 
 
132
 
 
133
 
Using a Socket
134
 
==============
135
 
 
136
 
The first thing to note, is that the web browser's "client" socket and the web
137
 
server's "client" socket are identical beasts. That is, this is a "peer to peer"
138
 
conversation. Or to put it another way, *as the designer, you will have to
139
 
decide what the rules of etiquette are for a conversation*. Normally, the
140
 
``connect``\ ing socket starts the conversation, by sending in a request, or
141
 
perhaps a signon. But that's a design decision - it's not a rule of sockets.
142
 
 
143
 
Now there are two sets of verbs to use for communication. You can use ``send``
144
 
and ``recv``, or you can transform your client socket into a file-like beast and
145
 
use ``read`` and ``write``. The latter is the way Java presents its sockets.
146
 
I'm not going to talk about it here, except to warn you that you need to use
147
 
``flush`` on sockets. These are buffered "files", and a common mistake is to
148
 
``write`` something, and then ``read`` for a reply. Without a ``flush`` in
149
 
there, you may wait forever for the reply, because the request may still be in
150
 
your output buffer.
151
 
 
152
 
Now we come to the major stumbling block of sockets - ``send`` and ``recv`` operate
153
 
on the network buffers. They do not necessarily handle all the bytes you hand
154
 
them (or expect from them), because their major focus is handling the network
155
 
buffers. In general, they return when the associated network buffers have been
156
 
filled (``send``) or emptied (``recv``). They then tell you how many bytes they
157
 
handled. It is *your* responsibility to call them again until your message has
158
 
been completely dealt with.
159
 
 
160
 
When a ``recv`` returns 0 bytes, it means the other side has closed (or is in
161
 
the process of closing) the connection.  You will not receive any more data on
162
 
this connection. Ever.  You may be able to send data successfully; I'll talk
163
 
more about this later.
164
 
 
165
 
A protocol like HTTP uses a socket for only one transfer. The client sends a
166
 
request, then reads a reply.  That's it. The socket is discarded. This means that
167
 
a client can detect the end of the reply by receiving 0 bytes.
168
 
 
169
 
But if you plan to reuse your socket for further transfers, you need to realize
170
 
that *there is no* :abbr:`EOT (End of Transfer)` *on a socket.* I repeat: if a socket
171
 
``send`` or ``recv`` returns after handling 0 bytes, the connection has been
172
 
broken.  If the connection has *not* been broken, you may wait on a ``recv``
173
 
forever, because the socket will *not* tell you that there's nothing more to
174
 
read (for now).  Now if you think about that a bit, you'll come to realize a
175
 
fundamental truth of sockets: *messages must either be fixed length* (yuck), *or
176
 
be delimited* (shrug), *or indicate how long they are* (much better), *or end by
177
 
shutting down the connection*. The choice is entirely yours, (but some ways are
178
 
righter than others).
179
 
 
180
 
Assuming you don't want to end the connection, the simplest solution is a fixed
181
 
length message::
182
 
 
183
 
   class MySocket:
184
 
       """demonstration class only
185
 
         - coded for clarity, not efficiency
186
 
       """
187
 
 
188
 
       def __init__(self, sock=None):
189
 
           if sock is None:
190
 
               self.sock = socket.socket(
191
 
                               socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
192
 
           else:
193
 
               self.sock = sock
194
 
 
195
 
       def connect(self, host, port):
196
 
           self.sock.connect((host, port))
197
 
 
198
 
       def mysend(self, msg):
199
 
           totalsent = 0
200
 
           while totalsent < MSGLEN:
201
 
               sent = self.sock.send(msg[totalsent:])
202
 
               if sent == 0:
203
 
                   raise RuntimeError("socket connection broken")
204
 
               totalsent = totalsent + sent
205
 
 
206
 
       def myreceive(self):
207
 
           chunks = []
208
 
           bytes_recd = 0
209
 
           while bytes_recd < MSGLEN:
210
 
               chunk = self.sock.recv(min(MSGLEN - bytes_recd, 2048))
211
 
               if chunk == b'':
212
 
                   raise RuntimeError("socket connection broken")
213
 
               chunks.append(chunk)
214
 
               bytes_recd = bytes_recd + len(chunk)
215
 
           return b''.join(chunks)
216
 
 
217
 
The sending code here is usable for almost any messaging scheme - in Python you
218
 
send strings, and you can use ``len()`` to determine its length (even if it has
219
 
embedded ``\0`` characters). It's mostly the receiving code that gets more
220
 
complex. (And in C, it's not much worse, except you can't use ``strlen`` if the
221
 
message has embedded ``\0``\ s.)
222
 
 
223
 
The easiest enhancement is to make the first character of the message an
224
 
indicator of message type, and have the type determine the length. Now you have
225
 
two ``recv``\ s - the first to get (at least) that first character so you can
226
 
look up the length, and the second in a loop to get the rest. If you decide to
227
 
go the delimited route, you'll be receiving in some arbitrary chunk size, (4096
228
 
or 8192 is frequently a good match for network buffer sizes), and scanning what
229
 
you've received for a delimiter.
230
 
 
231
 
One complication to be aware of: if your conversational protocol allows multiple
232
 
messages to be sent back to back (without some kind of reply), and you pass
233
 
``recv`` an arbitrary chunk size, you may end up reading the start of a
234
 
following message. You'll need to put that aside and hold onto it, until it's
235
 
needed.
236
 
 
237
 
Prefixing the message with its length (say, as 5 numeric characters) gets more
238
 
complex, because (believe it or not), you may not get all 5 characters in one
239
 
``recv``. In playing around, you'll get away with it; but in high network loads,
240
 
your code will very quickly break unless you use two ``recv`` loops - the first
241
 
to determine the length, the second to get the data part of the message. Nasty.
242
 
This is also when you'll discover that ``send`` does not always manage to get
243
 
rid of everything in one pass. And despite having read this, you will eventually
244
 
get bit by it!
245
 
 
246
 
In the interests of space, building your character, (and preserving my
247
 
competitive position), these enhancements are left as an exercise for the
248
 
reader. Lets move on to cleaning up.
249
 
 
250
 
 
251
 
Binary Data
252
 
-----------
253
 
 
254
 
It is perfectly possible to send binary data over a socket. The major problem is
255
 
that not all machines use the same formats for binary data. For example, a
256
 
Motorola chip will represent a 16 bit integer with the value 1 as the two hex
257
 
bytes 00 01. Intel and DEC, however, are byte-reversed - that same 1 is 01 00.
258
 
Socket libraries have calls for converting 16 and 32 bit integers - ``ntohl,
259
 
htonl, ntohs, htons`` where "n" means *network* and "h" means *host*, "s" means
260
 
*short* and "l" means *long*. Where network order is host order, these do
261
 
nothing, but where the machine is byte-reversed, these swap the bytes around
262
 
appropriately.
263
 
 
264
 
In these days of 32 bit machines, the ascii representation of binary data is
265
 
frequently smaller than the binary representation. That's because a surprising
266
 
amount of the time, all those longs have the value 0, or maybe 1. The string "0"
267
 
would be two bytes, while binary is four. Of course, this doesn't fit well with
268
 
fixed-length messages. Decisions, decisions.
269
 
 
270
 
 
271
 
Disconnecting
272
 
=============
273
 
 
274
 
Strictly speaking, you're supposed to use ``shutdown`` on a socket before you
275
 
``close`` it.  The ``shutdown`` is an advisory to the socket at the other end.
276
 
Depending on the argument you pass it, it can mean "I'm not going to send
277
 
anymore, but I'll still listen", or "I'm not listening, good riddance!".  Most
278
 
socket libraries, however, are so used to programmers neglecting to use this
279
 
piece of etiquette that normally a ``close`` is the same as ``shutdown();
280
 
close()``.  So in most situations, an explicit ``shutdown`` is not needed.
281
 
 
282
 
One way to use ``shutdown`` effectively is in an HTTP-like exchange. The client
283
 
sends a request and then does a ``shutdown(1)``. This tells the server "This
284
 
client is done sending, but can still receive."  The server can detect "EOF" by
285
 
a receive of 0 bytes. It can assume it has the complete request.  The server
286
 
sends a reply. If the ``send`` completes successfully then, indeed, the client
287
 
was still receiving.
288
 
 
289
 
Python takes the automatic shutdown a step further, and says that when a socket
290
 
is garbage collected, it will automatically do a ``close`` if it's needed. But
291
 
relying on this is a very bad habit. If your socket just disappears without
292
 
doing a ``close``, the socket at the other end may hang indefinitely, thinking
293
 
you're just being slow. *Please* ``close`` your sockets when you're done.
294
 
 
295
 
 
296
 
When Sockets Die
297
 
----------------
298
 
 
299
 
Probably the worst thing about using blocking sockets is what happens when the
300
 
other side comes down hard (without doing a ``close``). Your socket is likely to
301
 
hang. TCP is a reliable protocol, and it will wait a long, long time
302
 
before giving up on a connection. If you're using threads, the entire thread is
303
 
essentially dead. There's not much you can do about it. As long as you aren't
304
 
doing something dumb, like holding a lock while doing a blocking read, the
305
 
thread isn't really consuming much in the way of resources. Do *not* try to kill
306
 
the thread - part of the reason that threads are more efficient than processes
307
 
is that they avoid the overhead associated with the automatic recycling of
308
 
resources. In other words, if you do manage to kill the thread, your whole
309
 
process is likely to be screwed up.
310
 
 
311
 
 
312
 
Non-blocking Sockets
313
 
====================
314
 
 
315
 
If you've understood the preceding, you already know most of what you need to
316
 
know about the mechanics of using sockets. You'll still use the same calls, in
317
 
much the same ways. It's just that, if you do it right, your app will be almost
318
 
inside-out.
319
 
 
320
 
In Python, you use ``socket.setblocking(0)`` to make it non-blocking. In C, it's
321
 
more complex, (for one thing, you'll need to choose between the BSD flavor
322
 
``O_NONBLOCK`` and the almost indistinguishable Posix flavor ``O_NDELAY``, which
323
 
is completely different from ``TCP_NODELAY``), but it's the exact same idea. You
324
 
do this after creating the socket, but before using it. (Actually, if you're
325
 
nuts, you can switch back and forth.)
326
 
 
327
 
The major mechanical difference is that ``send``, ``recv``, ``connect`` and
328
 
``accept`` can return without having done anything. You have (of course) a
329
 
number of choices. You can check return code and error codes and generally drive
330
 
yourself crazy. If you don't believe me, try it sometime. Your app will grow
331
 
large, buggy and suck CPU. So let's skip the brain-dead solutions and do it
332
 
right.
333
 
 
334
 
Use ``select``.
335
 
 
336
 
In C, coding ``select`` is fairly complex. In Python, it's a piece of cake, but
337
 
it's close enough to the C version that if you understand ``select`` in Python,
338
 
you'll have little trouble with it in C::
339
 
 
340
 
   ready_to_read, ready_to_write, in_error = \
341
 
                  select.select(
342
 
                     potential_readers,
343
 
                     potential_writers,
344
 
                     potential_errs,
345
 
                     timeout)
346
 
 
347
 
You pass ``select`` three lists: the first contains all sockets that you might
348
 
want to try reading; the second all the sockets you might want to try writing
349
 
to, and the last (normally left empty) those that you want to check for errors.
350
 
You should note that a socket can go into more than one list. The ``select``
351
 
call is blocking, but you can give it a timeout. This is generally a sensible
352
 
thing to do - give it a nice long timeout (say a minute) unless you have good
353
 
reason to do otherwise.
354
 
 
355
 
In return, you will get three lists. They contain the sockets that are actually
356
 
readable, writable and in error. Each of these lists is a subset (possibly
357
 
empty) of the corresponding list you passed in.
358
 
 
359
 
If a socket is in the output readable list, you can be
360
 
as-close-to-certain-as-we-ever-get-in-this-business that a ``recv`` on that
361
 
socket will return *something*. Same idea for the writable list. You'll be able
362
 
to send *something*. Maybe not all you want to, but *something* is better than
363
 
nothing.  (Actually, any reasonably healthy socket will return as writable - it
364
 
just means outbound network buffer space is available.)
365
 
 
366
 
If you have a "server" socket, put it in the potential_readers list. If it comes
367
 
out in the readable list, your ``accept`` will (almost certainly) work. If you
368
 
have created a new socket to ``connect`` to someone else, put it in the
369
 
potential_writers list. If it shows up in the writable list, you have a decent
370
 
chance that it has connected.
371
 
 
372
 
Actually, ``select`` can be handy even with blocking sockets. It's one way of
373
 
determining whether you will block - the socket returns as readable when there's
374
 
something in the buffers.  However, this still doesn't help with the problem of
375
 
determining whether the other end is done, or just busy with something else.
376
 
 
377
 
**Portability alert**: On Unix, ``select`` works both with the sockets and
378
 
files. Don't try this on Windows. On Windows, ``select`` works with sockets
379
 
only. Also note that in C, many of the more advanced socket options are done
380
 
differently on Windows. In fact, on Windows I usually use threads (which work
381
 
very, very well) with my sockets.
382
 
 
383