Try to make test_wsgiref less fragile against environment changes by other tests
[python.git] / Doc / howto / sockets.rst
blob1928c2adfd9eaaa43b2a59639ae13fb2b61470cc
1 ****************************
2   Socket Programming HOWTO
3 ****************************
5 :Author: Gordon McMillan
8 .. topic:: Abstract
10    Sockets are used nearly everywhere, but are one of the most severely
11    misunderstood technologies around. This is a 10,000 foot overview of sockets.
12    It's not really a tutorial - you'll still have work to do in getting things
13    operational. It doesn't cover the fine points (and there are a lot of them), but
14    I hope it will give you enough background to begin using them decently.
17 Sockets
18 =======
20 Sockets are used nearly everywhere, but are one of the most severely
21 misunderstood technologies around. This is a 10,000 foot overview of sockets.
22 It's not really a tutorial - you'll still have work to do in getting things
23 working. It doesn't cover the fine points (and there are a lot of them), but I
24 hope it will give you enough background to begin using them decently.
26 I'm only going to talk about INET sockets, but they account for at least 99% of
27 the sockets in use. And I'll only talk about STREAM sockets - unless you really
28 know what you're doing (in which case this HOWTO isn't for you!), you'll get
29 better behavior and performance from a STREAM socket than anything else. I will
30 try to clear up the mystery of what a socket is, as well as some hints on how to
31 work with blocking and non-blocking sockets. But I'll start by talking about
32 blocking sockets. You'll need to know how they work before dealing with
33 non-blocking sockets.
35 Part of the trouble with understanding these things is that "socket" can mean a
36 number of subtly different things, depending on context. So first, let's make a
37 distinction between a "client" socket - an endpoint of a conversation, and a
38 "server" socket, which is more like a switchboard operator. The client
39 application (your browser, for example) uses "client" sockets exclusively; the
40 web server it's talking to uses both "server" sockets and "client" sockets.
43 History
44 -------
46 Of the various forms of IPC (*Inter Process Communication*), sockets are by far
47 the most popular.  On any given platform, there are likely to be other forms of
48 IPC that are faster, but for cross-platform communication, sockets are about the
49 only game in town.
51 They were invented in Berkeley as part of the BSD flavor of Unix. They spread
52 like wildfire with the Internet. With good reason --- the combination of sockets
53 with INET makes talking to arbitrary machines around the world unbelievably easy
54 (at least compared to other schemes).
57 Creating a Socket
58 =================
60 Roughly speaking, when you clicked on the link that brought you to this page,
61 your browser did something like the following::
63    #create an INET, STREAMing socket
64    s = socket.socket(
65        socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
66    #now connect to the web server on port 80
67    # - the normal http port
68    s.connect(("www.mcmillan-inc.com", 80))
70 When the ``connect`` completes, the socket ``s`` can now be used to send in a
71 request for the text of this page. The same socket will read the reply, and then
72 be destroyed. That's right - destroyed. Client sockets are normally only used
73 for one exchange (or a small set of sequential exchanges).
75 What happens in the web server is a bit more complex. First, the web server
76 creates a "server socket". ::
78    #create an INET, STREAMing socket
79    serversocket = socket.socket(
80        socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
81    #bind the socket to a public host,
82    # and a well-known port
83    serversocket.bind((socket.gethostname(), 80))
84    #become a server socket
85    serversocket.listen(5)
87 A couple things to notice: we used ``socket.gethostname()`` so that the socket
88 would be visible to the outside world. If we had used ``s.bind(('', 80))`` or
89 ``s.bind(('localhost', 80))`` or ``s.bind(('127.0.0.1', 80))`` we would still
90 have a "server" socket, but one that was only visible within the same machine.
92 A second thing to note: low number ports are usually reserved for "well known"
93 services (HTTP, SNMP etc). If you're playing around, use a nice high number (4
94 digits).
96 Finally, the argument to ``listen`` tells the socket library that we want it to
97 queue up as many as 5 connect requests (the normal max) before refusing outside
98 connections. If the rest of the code is written properly, that should be plenty.
100 OK, now we have a "server" socket, listening on port 80. Now we enter the
101 mainloop of the web server::
103    while 1:
104        #accept connections from outside
105        (clientsocket, address) = serversocket.accept()
106        #now do something with the clientsocket
107        #in this case, we'll pretend this is a threaded server
108        ct = client_thread(clientsocket)
109        ct.run()
111 There's actually 3 general ways in which this loop could work - dispatching a
112 thread to handle ``clientsocket``, create a new process to handle
113 ``clientsocket``, or restructure this app to use non-blocking sockets, and
114 mulitplex between our "server" socket and any active ``clientsocket``\ s using
115 ``select``. More about that later. The important thing to understand now is
116 this: this is *all* a "server" socket does. It doesn't send any data. It doesn't
117 receive any data. It just produces "client" sockets. Each ``clientsocket`` is
118 created in response to some *other* "client" socket doing a ``connect()`` to the
119 host and port we're bound to. As soon as we've created that ``clientsocket``, we
120 go back to listening for more connections. The two "clients" are free to chat it
121 up - they are using some dynamically allocated port which will be recycled when
122 the conversation ends.
128 If you need fast IPC between two processes on one machine, you should look into
129 whatever form of shared memory the platform offers. A simple protocol based
130 around shared memory and locks or semaphores is by far the fastest technique.
132 If you do decide to use sockets, bind the "server" socket to ``'localhost'``. On
133 most platforms, this will take a shortcut around a couple of layers of network
134 code and be quite a bit faster.
137 Using a Socket
138 ==============
140 The first thing to note, is that the web browser's "client" socket and the web
141 server's "client" socket are identical beasts. That is, this is a "peer to peer"
142 conversation. Or to put it another way, *as the designer, you will have to
143 decide what the rules of etiquette are for a conversation*. Normally, the
144 ``connect``\ ing socket starts the conversation, by sending in a request, or
145 perhaps a signon. But that's a design decision - it's not a rule of sockets.
147 Now there are two sets of verbs to use for communication. You can use ``send``
148 and ``recv``, or you can transform your client socket into a file-like beast and
149 use ``read`` and ``write``. The latter is the way Java presents their sockets.
150 I'm not going to talk about it here, except to warn you that you need to use
151 ``flush`` on sockets. These are buffered "files", and a common mistake is to
152 ``write`` something, and then ``read`` for a reply. Without a ``flush`` in
153 there, you may wait forever for the reply, because the request may still be in
154 your output buffer.
156 Now we come the major stumbling block of sockets - ``send`` and ``recv`` operate
157 on the network buffers. They do not necessarily handle all the bytes you hand
158 them (or expect from them), because their major focus is handling the network
159 buffers. In general, they return when the associated network buffers have been
160 filled (``send``) or emptied (``recv``). They then tell you how many bytes they
161 handled. It is *your* responsibility to call them again until your message has
162 been completely dealt with.
164 When a ``recv`` returns 0 bytes, it means the other side has closed (or is in
165 the process of closing) the connection.  You will not receive any more data on
166 this connection. Ever.  You may be able to send data successfully; I'll talk
167 about that some on the next page.
169 A protocol like HTTP uses a socket for only one transfer. The client sends a
170 request, the reads a reply.  That's it. The socket is discarded. This means that
171 a client can detect the end of the reply by receiving 0 bytes.
173 But if you plan to reuse your socket for further transfers, you need to realize
174 that *there is no "EOT" (End of Transfer) on a socket.* I repeat: if a socket
175 ``send`` or ``recv`` returns after handling 0 bytes, the connection has been
176 broken.  If the connection has *not* been broken, you may wait on a ``recv``
177 forever, because the socket will *not* tell you that there's nothing more to
178 read (for now).  Now if you think about that a bit, you'll come to realize a
179 fundamental truth of sockets: *messages must either be fixed length* (yuck), *or
180 be delimited* (shrug), *or indicate how long they are* (much better), *or end by
181 shutting down the connection*. The choice is entirely yours, (but some ways are
182 righter than others).
184 Assuming you don't want to end the connection, the simplest solution is a fixed
185 length message::
187    class mysocket:
188        '''demonstration class only
189          - coded for clarity, not efficiency
190        '''
192        def __init__(self, sock=None):
193            if sock is None:
194                self.sock = socket.socket(
195                    socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
196            else:
197                self.sock = sock
199        def connect(self, host, port):
200            self.sock.connect((host, port))
202        def mysend(self, msg):
203            totalsent = 0
204            while totalsent < MSGLEN:
205                sent = self.sock.send(msg[totalsent:])
206                if sent == 0:
207                    raise RuntimeError("socket connection broken")
208                totalsent = totalsent + sent
210        def myreceive(self):
211            msg = ''
212            while len(msg) < MSGLEN:
213                chunk = self.sock.recv(MSGLEN-len(msg))
214                if chunk == '':
215                    raise RuntimeError("socket connection broken")
216                msg = msg + chunk
217            return msg
219 The sending code here is usable for almost any messaging scheme - in Python you
220 send strings, and you can use ``len()`` to determine its length (even if it has
221 embedded ``\0`` characters). It's mostly the receiving code that gets more
222 complex. (And in C, it's not much worse, except you can't use ``strlen`` if the
223 message has embedded ``\0``\ s.)
225 The easiest enhancement is to make the first character of the message an
226 indicator of message type, and have the type determine the length. Now you have
227 two ``recv``\ s - the first to get (at least) that first character so you can
228 look up the length, and the second in a loop to get the rest. If you decide to
229 go the delimited route, you'll be receiving in some arbitrary chunk size, (4096
230 or 8192 is frequently a good match for network buffer sizes), and scanning what
231 you've received for a delimiter.
233 One complication to be aware of: if your conversational protocol allows multiple
234 messages to be sent back to back (without some kind of reply), and you pass
235 ``recv`` an arbitrary chunk size, you may end up reading the start of a
236 following message. You'll need to put that aside and hold onto it, until it's
237 needed.
239 Prefixing the message with it's length (say, as 5 numeric characters) gets more
240 complex, because (believe it or not), you may not get all 5 characters in one
241 ``recv``. In playing around, you'll get away with it; but in high network loads,
242 your code will very quickly break unless you use two ``recv`` loops - the first
243 to determine the length, the second to get the data part of the message. Nasty.
244 This is also when you'll discover that ``send`` does not always manage to get
245 rid of everything in one pass. And despite having read this, you will eventually
246 get bit by it!
248 In the interests of space, building your character, (and preserving my
249 competitive position), these enhancements are left as an exercise for the
250 reader. Lets move on to cleaning up.
253 Binary Data
254 -----------
256 It is perfectly possible to send binary data over a socket. The major problem is
257 that not all machines use the same formats for binary data. For example, a
258 Motorola chip will represent a 16 bit integer with the value 1 as the two hex
259 bytes 00 01. Intel and DEC, however, are byte-reversed - that same 1 is 01 00.
260 Socket libraries have calls for converting 16 and 32 bit integers - ``ntohl,
261 htonl, ntohs, htons`` where "n" means *network* and "h" means *host*, "s" means
262 *short* and "l" means *long*. Where network order is host order, these do
263 nothing, but where the machine is byte-reversed, these swap the bytes around
264 appropriately.
266 In these days of 32 bit machines, the ascii representation of binary data is
267 frequently smaller than the binary representation. That's because a surprising
268 amount of the time, all those longs have the value 0, or maybe 1. The string "0"
269 would be two bytes, while binary is four. Of course, this doesn't fit well with
270 fixed-length messages. Decisions, decisions.
273 Disconnecting
274 =============
276 Strictly speaking, you're supposed to use ``shutdown`` on a socket before you
277 ``close`` it.  The ``shutdown`` is an advisory to the socket at the other end.
278 Depending on the argument you pass it, it can mean "I'm not going to send
279 anymore, but I'll still listen", or "I'm not listening, good riddance!".  Most
280 socket libraries, however, are so used to programmers neglecting to use this
281 piece of etiquette that normally a ``close`` is the same as ``shutdown();
282 close()``.  So in most situations, an explicit ``shutdown`` is not needed.
284 One way to use ``shutdown`` effectively is in an HTTP-like exchange. The client
285 sends a request and then does a ``shutdown(1)``. This tells the server "This
286 client is done sending, but can still receive."  The server can detect "EOF" by
287 a receive of 0 bytes. It can assume it has the complete request.  The server
288 sends a reply. If the ``send`` completes successfully then, indeed, the client
289 was still receiving.
291 Python takes the automatic shutdown a step further, and says that when a socket
292 is garbage collected, it will automatically do a ``close`` if it's needed. But
293 relying on this is a very bad habit. If your socket just disappears without
294 doing a ``close``, the socket at the other end may hang indefinitely, thinking
295 you're just being slow. *Please* ``close`` your sockets when you're done.
298 When Sockets Die
299 ----------------
301 Probably the worst thing about using blocking sockets is what happens when the
302 other side comes down hard (without doing a ``close``). Your socket is likely to
303 hang. SOCKSTREAM is a reliable protocol, and it will wait a long, long time
304 before giving up on a connection. If you're using threads, the entire thread is
305 essentially dead. There's not much you can do about it. As long as you aren't
306 doing something dumb, like holding a lock while doing a blocking read, the
307 thread isn't really consuming much in the way of resources. Do *not* try to kill
308 the thread - part of the reason that threads are more efficient than processes
309 is that they avoid the overhead associated with the automatic recycling of
310 resources. In other words, if you do manage to kill the thread, your whole
311 process is likely to be screwed up.
314 Non-blocking Sockets
315 ====================
317 If you've understood the preceeding, you already know most of what you need to
318 know about the mechanics of using sockets. You'll still use the same calls, in
319 much the same ways. It's just that, if you do it right, your app will be almost
320 inside-out.
322 In Python, you use ``socket.setblocking(0)`` to make it non-blocking. In C, it's
323 more complex, (for one thing, you'll need to choose between the BSD flavor
324 ``O_NONBLOCK`` and the almost indistinguishable Posix flavor ``O_NDELAY``, which
325 is completely different from ``TCP_NODELAY``), but it's the exact same idea. You
326 do this after creating the socket, but before using it. (Actually, if you're
327 nuts, you can switch back and forth.)
329 The major mechanical difference is that ``send``, ``recv``, ``connect`` and
330 ``accept`` can return without having done anything. You have (of course) a
331 number of choices. You can check return code and error codes and generally drive
332 yourself crazy. If you don't believe me, try it sometime. Your app will grow
333 large, buggy and suck CPU. So let's skip the brain-dead solutions and do it
334 right.
336 Use ``select``.
338 In C, coding ``select`` is fairly complex. In Python, it's a piece of cake, but
339 it's close enough to the C version that if you understand ``select`` in Python,
340 you'll have little trouble with it in C. ::
342    ready_to_read, ready_to_write, in_error = \
343                   select.select(
344                      potential_readers,
345                      potential_writers,
346                      potential_errs,
347                      timeout)
349 You pass ``select`` three lists: the first contains all sockets that you might
350 want to try reading; the second all the sockets you might want to try writing
351 to, and the last (normally left empty) those that you want to check for errors.
352 You should note that a socket can go into more than one list. The ``select``
353 call is blocking, but you can give it a timeout. This is generally a sensible
354 thing to do - give it a nice long timeout (say a minute) unless you have good
355 reason to do otherwise.
357 In return, you will get three lists. They have the sockets that are actually
358 readable, writable and in error. Each of these lists is a subset (possibly
359 empty) of the corresponding list you passed in. And if you put a socket in more
360 than one input list, it will only be (at most) in one output list.
362 If a socket is in the output readable list, you can be
363 as-close-to-certain-as-we-ever-get-in-this-business that a ``recv`` on that
364 socket will return *something*. Same idea for the writable list. You'll be able
365 to send *something*. Maybe not all you want to, but *something* is better than
366 nothing.  (Actually, any reasonably healthy socket will return as writable - it
367 just means outbound network buffer space is available.)
369 If you have a "server" socket, put it in the potential_readers list. If it comes
370 out in the readable list, your ``accept`` will (almost certainly) work. If you
371 have created a new socket to ``connect`` to someone else, put it in the
372 potential_writers list. If it shows up in the writable list, you have a decent
373 chance that it has connected.
375 One very nasty problem with ``select``: if somewhere in those input lists of
376 sockets is one which has died a nasty death, the ``select`` will fail. You then
377 need to loop through every single damn socket in all those lists and do a
378 ``select([sock],[],[],0)`` until you find the bad one. That timeout of 0 means
379 it won't take long, but it's ugly.
381 Actually, ``select`` can be handy even with blocking sockets. It's one way of
382 determining whether you will block - the socket returns as readable when there's
383 something in the buffers.  However, this still doesn't help with the problem of
384 determining whether the other end is done, or just busy with something else.
386 **Portability alert**: On Unix, ``select`` works both with the sockets and
387 files. Don't try this on Windows. On Windows, ``select`` works with sockets
388 only. Also note that in C, many of the more advanced socket options are done
389 differently on Windows. In fact, on Windows I usually use threads (which work
390 very, very well) with my sockets. Face it, if you want any kind of performance,
391 your code will look very different on Windows than on Unix.
394 Performance
395 -----------
397 There's no question that the fastest sockets code uses non-blocking sockets and
398 select to multiplex them. You can put together something that will saturate a
399 LAN connection without putting any strain on the CPU. The trouble is that an app
400 written this way can't do much of anything else - it needs to be ready to
401 shuffle bytes around at all times.
403 Assuming that your app is actually supposed to do something more than that,
404 threading is the optimal solution, (and using non-blocking sockets will be
405 faster than using blocking sockets). Unfortunately, threading support in Unixes
406 varies both in API and quality. So the normal Unix solution is to fork a
407 subprocess to deal with each connection. The overhead for this is significant
408 (and don't do this on Windows - the overhead of process creation is enormous
409 there). It also means that unless each subprocess is completely independent,
410 you'll need to use another form of IPC, say a pipe, or shared memory and
411 semaphores, to communicate between the parent and child processes.
413 Finally, remember that even though blocking sockets are somewhat slower than
414 non-blocking, in many cases they are the "right" solution. After all, if your
415 app is driven by the data it receives over a socket, there's not much sense in
416 complicating the logic just so your app can wait on ``select`` instead of
417 ``recv``.