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title: socket 底层网络接口
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description: socket 底层网络接口
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keywords:
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- Python
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- socket
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tags:
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- Python/标准库
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author: 7Wate
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date: 2023-09-09
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## 概述
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Socket 是计算机网络中用于实现进程间通信的一种技术。简而言之，它是一个端点，用于发送或接收数据。这些数据可以在同一台计算机上的进程之间，或者在不同计算机上的进程之间进行传输。
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`socket` 是 Python 中的一个标准库，它提供了低级的网络通信功能。基于该库，开发者可以实现 TCP、UDP 以及其他类型的网络协议的客户端和服务端程序。
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`socket` 库的历史可以追溯到 Unix 操作系统的早期。在 Unix 中，socket 被用作进程间通信 (IPC) 的一种方式。随着互联网的发展，socket 逐渐被应用于网络通信。Python 的 `socket` 库提供了对这一功能的高级封装，使得开发网络应用变得更为简单。
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## 工作原理
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`socket` 网络通信最常见的模型是客户端 - 服务器模型。客户端是请求服务的实体，而服务器是提供服务的实体。Socket 允许这两个实体进行通信。
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- **客户端**: 创建 Socket -> 连接到服务器 -> 交换数据 -> 关闭 Socket
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- **服务器**: 创建 Socket -> 绑定到特定地址和端口 -> 监听连接 -> 接受客户端连接 -> 交换数据 -> 关闭 Socket
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`socket` 主要被用于：
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- 创建网络服务器和客户端。
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- 实现多种网络协议，如 TCP 和 UDP。
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- 进行低级的网络通信，如发送原始套接字数据。
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它解决了开发者在进行网络通信时的底层细节问题，如地址转换、数据传输等。
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### 协议类型
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- **流式 Socket (SOCK_STREAM)**: 提供了一个可靠的、面向连接的字节流。这是最常用的 Socket 类型，TCP 协议就是基于这种 Socket。
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- **数据报 Socket (SOCK_DGRAM)**: 提供了一种无连接的、不可靠的数据传输方式。UDP 协议就是基于这种 Socket。
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- **原始 Socket (SOCK_RAW)**: 允许直接访问底层协议，通常用于开发新的通信协议。
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### 地址家族
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- **AF_INET (IPv4)**: 最常用的地址家族，用于 Internet 通信。
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- **AF_INET6 (IPv6)**: 下一代 Internet 地址家族。
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- **AF_UNIX**: 用于同一台机器上的进程间通信。
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### 生命周期
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```mermaid
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graph LR;
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A[创建 Socket] --> B[绑定 Socket到地址和端口];
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B --> C[开始监听传入的连接];
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C --> D[接受连接请求];
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D --> E[进行数据传输];
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E --> F[关闭 Socket];
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```
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1. **创建**: 使用 `socket.socket()` 创建一个新的 Socket 对象。
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2. **绑定**: 使用 `bind()` 方法将 Socket 绑定到特定的地址和端口。
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3. **监听**: 使用 `listen()` 方法开始监听传入的连接。
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4. **接受连接**: 使用 `accept()` 方法接受一个连接。
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5. **数据传输**: 使用 `send()` 和 `recv()` 方法进行数据传输。
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6. **关闭**: 使用 `close()` 方法关闭 Socket。
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## 基础操作
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由于 `socket` 是 Python 的标准库，无需额外安装。
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### 支持协议
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`socket` 库支持多种协议，用于不同的网络通信场景。
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```python
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# 服务器
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import socket
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server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
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server_socket.bind(('localhost', 8080))
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server_socket.listen(5)
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print("服务器正在监听...")
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client_socket, addr = server_socket.accept()
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print(f"连接来自 {addr}")
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data = client_socket.recv(1024)
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print(f"接收到的数据: {data.decode('utf-8')}")
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client_socket.send("谢谢你!".encode('utf-8'))
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client_socket.close()
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server_socket.close()
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```
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||
```python
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# 客户端
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import socket
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client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
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client_socket.connect(('localhost', 8080))
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||
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||
client_socket.send("你好，服务器!".encode('utf-8'))
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data = client_socket.recv(1024)
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||
print(f"接收到的数据: {data.decode('utf-8')}")
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client_socket.close()
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```
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### TCP 示例
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```mermaid
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graph LR
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subgraph TCP服务器
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A[创建Socket] --> B[绑定到地址和端口]
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B --> C[监听连接请求]
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C --> D[接受连接]
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D --> E[接收数据]
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E --> F[处理数据]
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F --> G[发送响应]
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G --> E
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E --> H[关闭连接]
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H --> D
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end
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subgraph TCP客户端
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I[创建Socket] --> J[连接到服务器]
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J --> K[发送数据]
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K --> L[接收响应]
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L --> M[处理响应]
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M --> K
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K --> N[关闭连接]
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||
end
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A --> I
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```
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#### 服务器
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||
```python
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import socket
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# 步骤1：创建 TCP Socket
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server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
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# 步骤2：绑定 Socket 到一个特定的 IP 地址和端口
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server_address = ('localhost', 12345)
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server_socket.bind(server_address)
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# 步骤3：监听传入的连接请求
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server_socket.listen(5)
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print("TCP 服务器启动，等待连接...")
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while True:
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# 步骤4：接受客户端的连接请求
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client_socket, client_address = server_socket.accept()
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print(f"接受来自 {client_address} 的连接")
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# 步骤5：与客户端建立通信
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while True:
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data = client_socket.recv(1024)
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if not data:
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break
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# 步骤6：接收和发送数据
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data = data.decode('utf-8')
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print(f"接收到来自客户端的数据: {data}")
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response = f"你好，
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```
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#### 客户端
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||
```python
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import socket
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# 步骤1：创建 TCP Socket
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client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
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# 步骤2：连接到服务器的 IP 地址和端口
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server_address = ('localhost', 12345)
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client_socket.connect(server_address)
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while True:
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# 步骤3：发送数据给服务器
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message = input("请输入要发送的消息 (输入 'exit' 退出): ")
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if message == 'exit':
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break
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client_socket.send(message.encode('utf-8'))
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# 步骤4：接收来自服务器的响应数据
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data = client_socket.recv(1024)
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# 步骤5：处理服务器的响应数据
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data = data.decode('utf-8')
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print(f"接收到服务器的响应: {data}")
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# 步骤6：关闭与服务器的连接
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client_socket.close()
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```
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### UDP 示例
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```mermaid
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graph LR
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subgraph UDP服务器
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A[创建Socket] --> B[绑定到地址和端口]
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B --> C[接收数据]
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C --> D[处理数据]
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D --> E[发送响应]
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E --> C
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||
end
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subgraph UDP客户端
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F[创建Socket] --> G[发送数据]
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G --> H[接收响应]
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H --> I[处理响应]
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I --> G
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||
end
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A --> F
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```
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#### 服务端
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```python
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import socket
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# 步骤1：创建 UDP Socket
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server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
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# 步骤2：绑定 Socket 到一个特定的 IP 地址和端口
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server_address = ('localhost', 12345)
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server_socket.bind(server_address)
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print("UDP 服务器启动，等待数据...")
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while True:
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# 步骤3：接收客户端发送的数据
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data, client_address = server_socket.recvfrom(1024)
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# 步骤4：处理客户端数据
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data = data.decode('utf-8')
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print(f"接收到来自 {client_address} 的数据: {data}")
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# 步骤5：为客户端发送响应（如果需要）
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response = f"你好，客户端！你发送了：{data}"
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server_socket.sendto(response.encode('utf-8'), client_address)
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# 步骤6：关闭 Socket（这里永远不会执行到）
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server_socket.close()
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```
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#### 客户端
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```python
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import socket
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# 步骤1：创建 UDP Socket
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client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
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# 服务器地址和端口
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server_address = ('localhost', 12345)
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while True:
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# 步骤2：发送数据给服务器
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message = input("请输入要发送的消息 (输入 'exit' 退出): ")
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if message == 'exit':
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break
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||
client_socket.sendto(message.encode('utf-8'), server_address)
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||
# 步骤3：接收来自服务器的响应数据
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data, server_address = client_socket.recvfrom(1024)
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||
# 步骤4：处理服务器的响应数据
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data = data.decode('utf-8')
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||
print(f"接收到服务器的响应: {data}")
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||
# 步骤5：关闭 Socket
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client_socket.close()
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```
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### 常用方法
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| 方法 | 描述 |
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| --------- | -------------------- |
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| socket() | 创建一个新的 socket |
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| bind() | 绑定到一个地址和端口 |
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| listen() | 开始监听连接 |
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| accept() | 接受一个新的连接 |
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| connect() | 连接到一个服务器 |
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| send() | 发送数据 |
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| recv() | 接收数据 |
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| close() | 关闭 socket |
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## 深入探索
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### 高级功能
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#### 非阻塞 Sockets
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```python
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import socket
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s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
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||
s.setblocking(False)
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```
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||
#### 套接字选项
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|
||
```python
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||
s.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)
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||
```
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||
#### 超时
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||
```python
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||
s.settimeout(5.0)
|
||
```
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