Python服务器和客户端功能库之websockets使用详解

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概要

WebSockets 是一种在单个 TCP 毗连上举行全双工通信的协议，特殊实用于需要低延伸和高频率数据传输的实时应用，比方在线游戏、谈天应用和实时数据流。websockets 是一个基于 asyncio 的 Python 库，旨在提供简单易用的 WebSockets 服务器和客户端功能。本文将详细介绍 websockets 库，包括其安装方法、主要特性、基本和高级功能，以及现实应用场景，资助全面了解并掌握该库的使用。

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安装

要使用 websockets 库，首先需要安装它。以下是安装步骤：
使用 pip 安装

可以通过 pip 直接安装 websockets：

1. pip install websockets

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确认安装

安装完成后，可以通过以下命令确认安装是否成功：

1. python -c "import websockets; print(websockets.__version__)"

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特性

• 简单易用：提供简洁的 API，方便快速上手。
  
• 基于 asyncio：利用 Python 的 asyncio 库实现异步 I/O 操纵，支持高并发。
  
• 全双工通信：支持在单个毗连上同时举行数据发送和吸取。
  
• 支持多种协议：兼容 WebSocket 协议，支持 SSL/TLS 加密。
  
• 灵活扩展：支持自定义协媾和中间件，方便扩展功能。
  

基本功能

创建 WebSocket 服务器

可以使用 websockets.serve 创建一个简单的 WebSocket 服务器：

1. import asyncio
2. import websockets
4. async def echo(websocket, path):
5.     async for message in websocket:
6.         await websocket.send(message)
8. start_server = websockets.serve(echo, "localhost", 8765)
10. asyncio.get_event_loop().run_until_complete(start_server)
11. asyncio.get_event_loop().run_forever()

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创建 WebSocket 客户端

可以使用 websockets.connect 创建一个简单的 WebSocket 客户端：

1. import asyncio
2. import websockets
4. async def hello():
5.     uri = "ws://localhost:8765"
6.     async with websockets.connect(uri) as websocket:
7.         await websocket.send("Hello, World!")
8.         response = await websocket.recv()
9.         print(f"< {response}")
11. asyncio.get_event_loop().run_until_complete(hello())

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处理非常

可以在服务器和客户端代码中处理毗连和传输中的非常：

1. import asyncio
2. import websockets
4. async def echo(websocket, path):
5.     try:
6.         async for message in websocket:
7.             await websocket.send(message)
8.     except websockets.ConnectionClosed as e:
9.         print(f"Connection closed: {e}")
11. start_server = websockets.serve(echo, "localhost", 8765)
13. asyncio.get_event_loop().run_until_complete(start_server)
14. asyncio.get_event_loop().run_forever()

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高级功能

广播消息

可以实现消息广播功能，将消息发送给所有毗连的客户端：

1. import asyncio
2. import websockets
4. connected_clients = set()
6. async def handler(websocket, path):
7.     connected_clients.add(websocket)
8.     try:
9.         async for message in websocket:
10.             await asyncio.wait([client.send(message) for client in connected_clients])
11.     finally:
12.         connected_clients.remove(websocket)
14. start_server = websockets.serve(handler, "localhost", 8765)
16. asyncio.get_event_loop().run_until_complete(start_server)
17. asyncio.get_event_loop().run_forever()

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SSL/TLS 加密

可以为 WebSocket 服务器添加 SSL/TLS 加密，确保数据传输安全：

1. import asyncio
2. import ssl
3. import websockets
5. ssl_context = ssl.SSLContext(ssl.PROTOCOL_TLS_SERVER)
6. ssl_context.load_cert_chain(certfile="path/to/certfile", keyfile="path/to/keyfile")
8. async def echo(websocket, path):
9.     async for message in websocket:
10.         await websocket.send(message)
12. start_server = websockets.serve(echo, "localhost", 8765, ssl=ssl_context)
14. asyncio.get_event_loop().run_until_complete(start_server)
15. asyncio.get_event_loop().run_forever()

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自定义协议

可以实现自定义 WebSocket 协议，扩展 WebSocket 的功能：

1. import asyncio
2. import websockets
4. class CustomProtocol(websockets.WebSocketServerProtocol):
5.     async def process_request(self, path, request_headers):
6.         if path != "/custom":
7.             return (404, [], b"Not Found")
9. start_server = websockets.serve(echo, "localhost", 8765, create_protocol=CustomProtocol)
11. asyncio.get_event_loop().run_until_complete(start_server)
12. asyncio.get_event_loop().run_forever()

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现实应用场景

实时谈天应用

在实时谈天应用中，通过 websockets 实现消息的实时传输和广播。

1. import asyncio
2. import websockets
4. connected_clients = set()
6. async def chat_handler(websocket, path):
7.     connected_clients.add(websocket)
8.     try:
9.         async for message in websocket:
10.             await asyncio.wait([client.send(message) for client in connected_clients])
11.     finally:
12.         connected_clients.remove(websocket)
14. start_server = websockets.serve(chat_handler, "localhost", 8765)
16. asyncio.get_event_loop().run_until_complete(start_server)
17. asyncio.get_event_loop().run_forever()

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实时数据流

在实时数据流应用中，通过 websockets 实现服务器向客户端实时推送数据。

1. import asyncio
2. import websockets
3. import random
4. import time
6. async def data_stream(websocket, path):
7.     while True:
8.         data = random.randint(1, 100)
9.         await websocket.send(str(data))
10.         await asyncio.sleep(1)
12. start_server = websockets.serve(data_stream, "localhost", 8765)
14. asyncio.get_event_loop().run_until_complete(start_server)
15. asyncio.get_event_loop().run_forever()

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在线游戏

在多人在线游戏中，通过 websockets 实现玩家间的实时通信和游戏状态同步。

1. import asyncio
2. import websockets
4. players = set()
6. async def game_handler(websocket, path):
7.     players.add(websocket)
8.     try:
9.         async for message in websocket:
10.             await asyncio.wait([player.send(message) for player in players])
11.     finally:
12.         players.remove(websocket)
14. start_server = websockets.serve(game_handler, "localhost", 8765)
16. asyncio.get_event_loop().run_until_complete(start_server)
17. asyncio.get_event_loop().run_forever()

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实时监控体系

在实时监控体系中，通过 websockets 实现服务器向多个客户端实时推送监控数据。

1. import asyncio
2. import websockets
3. import random
5. connected_clients = set()
7. async def monitor_handler(websocket, path):
8.     connected_clients.add(websocket)
9.     try:
10.         while True:
11.             data = random.randint(1, 100)
12.             await asyncio.wait([client.send(str(data)) for client in connected_clients])
13.             await asyncio.sleep(1)
14.     finally:
15.         connected_clients.remove(websocket)
17. start_server = websockets.serve(monitor_handler, "localhost", 8765)
19. asyncio.get_event_loop().run_until_complete(start_server)
20. asyncio.get_event_loop().run_forever()

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总结

websockets 库是一个功能强大且易于使用的工具，能够资助开发者在各种应用场景中实现 WebSocket 通信。通过支持全双工通信、基于 asyncio 的高并发处理、多种协议支持和灵活扩展，websockets 提供了强大的功能和灵活的扩展本领。本文详细介绍了 websockets 库的安装方法、主要特性、基本和高级功能，以及现实应用场景。希望本文能资助各人全面掌握 websockets 库的使用，并在现实项目中发挥其优势。无论是在实时谈天、实时数据流照旧在线游戏和实时监控体系中，websockets 库都将是一个得力的工具。

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