Python基础入门自学——17--图形界面网络编程

Posted 2021-08-12 kaoa000

图形界面

Python支持多种图形界面的第三方库，包括：Tk、wxWidgets、Qt、GTK等等。

Python自带的库是支持Tk的Tkinter，使用Tkinter，无需安装任何包，就可以直接使用。

Tkinter：相关概念：

编写的Python代码会调用内置的Tkinter，Tkinter封装了访问Tk的接口；
Tk是一个图形库，支持多个操作系统，使用Tcl语言开发；
Tk会调用操作系统提供的本地GUI接口，完成最终的GUI。
所以，代码只需要调用Tkinter提供的接口就可以了。

第一个GUI程序

导入Tkinter包的所有内容,从Frame派生一个Application类，这是所有Widget的父容器。

在GUI中，每个Button、Label、输入框等，都是一个Widget。Frame则是可以容纳其他Widget的Widget，所有的Widget组合起来就是一棵树。

pack()方法把Widget加入到父容器中，并实现布局。pack()是最简单的布局，grid()可以实现更复杂的布局。

在createWidgets()方法中，创建一个Label和一个Button，当Button被点击时，触发self.quit()使程序退出。

实例化Application，并启动消息循环：

运行结果：

输入文本

用户点击按钮时，触发hello()，通过self.nameInput.get()获得用户输入的文本后，使用tkMessageBox.showinfo()可以弹出消息对话框。

输入一些信息：

海龟绘图

一种专门给儿童学习编程的语言——LOGO语言，它的特色就是通过编程指挥一个小海龟（turtle）在屏幕上绘图。海龟绘图（Turtle Graphics）被移植到各种高级语言中，Python内置了turtle库，基本上100%复制了原始的Turtle Graphics的所有功能。

海龟绘图就是指挥海龟前进、转向，海龟移动的轨迹就是绘制的线条。要绘制一个长方形，只需要让海龟前进、右转90度，反复4次。调用width()函数可以设置笔刷宽度，调用pencolor()函数可以设置颜色。更多操作请参考turtle库的说明。绘图完成后，记得调用done()函数，让窗口进入消息循环，等待被关闭。否则，由于Python进程会立刻结束，将导致窗口被立刻关闭。

turtle包本身只是一个绘图库，但是配合Python代码，就可以绘制各种复杂的图形。

网络编程

网络通信就是两个进程在通信。

Python网络编程，就是在Python程序本身这个进程内，连接别的服务器进程的通信端口进行通信。

计算机为了联网，就必须规定通信协议，为了把所有不同类型的计算机都连接起来，就必须规定一套全球通用的协议，互联网协议簇（Internet Protocol Suite）就是通用协议标准。因为互联网协议包含了上百种协议标准，但是最重要的两个协议是TCP和IP协议，所以，把互联网的协议简称TCP/IP协议。

通信的时候，双方必须知道对方的标识，互联网上每个计算机的唯一标识就是IP地址，如果一台计算机同时接入到两个或更多的网络，比如路由器，它就会有两个或多个IP地址，所以，IP地址对应的实际上是计算机的网络接口，通常是网卡。

IP协议负责把数据从一台计算机通过网络发送到另一台计算机。数据被分割成一小块一小块，然后通过IP包发送出去。TCP协议则是建立在IP协议之上的。TCP协议负责在两台计算机之间建立可靠连接，保证数据包按顺序到达。TCP协议会通过握手建立连接，然后，对每个IP包编号，确保对方按顺序收到，如果包丢掉了，就自动重发。一个TCP报文除了包含要传输的数据外，还包含源IP地址和目标IP地址，源端口和目标端口。

在两台计算机通信时，只发IP地址是不够的，因为同一台计算机上跑着多个网络程序。一个TCP报文来了之后，到底是交给浏览器还是QQ，就需要端口号来区分。每个网络程序都向操作系统申请唯一的端口号，这样，两个进程在两台计算机之间建立网络连接就需要各自的IP地址和各自的端口号。

一个进程也可能同时与多个计算机建立链接，因此它会申请很多端口。

TCP编程

Socket是网络编程的一个抽象概念。通常用一个Socket表示“打开了一个网络链接”，而打开一个Socket需要知道目标计算机的IP地址和端口号，再指定协议类型即可。

客户端
大多数连接都是可靠的TCP连接。创建TCP连接时，主动发起连接的叫客户端，被动响应连接的叫服务器。

创建一个基于TCP连接的Socket：
# 导入socket库:
import socket
# 创建一个socket:
s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
# 建立连接:
s.connect(('www.sina.com.cn', 80))
创建Socket时，AF_INET指定使用IPv4协议，如果要用更先进的IPv6，就指定为AF_INET6。SOCK_STREAM指定使用面向流的TCP协议，这样，一个Socket对象就创建成功，但是还没有建立连接。

客户端要主动发起TCP连接，必须知道服务器的IP地址和端口号。新浪网站的IP地址可以用域名www.sina.com.cn自动转换到IP地址，对于端口号，作为服务器，提供什么样的服务，端口号就必须固定下来。

连接新浪服务器的代码如下：

s.connect(('www.sina.com.cn', 80))
注意参数是一个tuple，包含地址和端口号。

建立TCP连接后，我们就可以向新浪服务器发送请求，要求返回首页的内容：

# 发送数据:
s.send(b'GET / HTTP/1.1\\r\\nHost: www.sina.com.cn\\r\\nConnection: close\\r\\n\\r\\n')
TCP连接创建的是双向通道，双方都可以同时给对方发数据。但是谁先发谁后发，怎么协调，要根据具体的协议来决定。HTTP协议规定客户端必须先发请求给服务器，服务器收到后才发数据给客户端。

发送的文本格式必须符合HTTP标准，如果格式没问题，接下来就可以接收新浪服务器返回的数据了：

# 接收数据:
buffer = []
while True:
    # 每次最多接收1k字节:
    d = s.recv(1024)
    if d:
        buffer.append(d)
    else:
        break
data = b''.join(buffer)

接收完数据后，调用close()方法关闭Socket，这样，一次完整的网络通信就结束了：

# 关闭连接:
s.close()

接收到的数据包括HTTP头和网页本身，我们只需要把HTTP头和网页分离一下，把HTTP头打印出来，网页内容保存到文件：

header, html = data.split(b'\\r\\n\\r\\n', 1)
print(header.decode('utf-8'))
# 把接收的数据写入文件:
with open('sina.html', 'wb') as f:
    f.write(html)

服务器

服务器进程首先要绑定一个端口并监听来自其他客户端的连接。如果某个客户端连接过来了，服务器就与该客户端建立Socket连接，随后的通信就靠这个Socket连接了。

所以，服务器会打开固定端口（比如80）监听，每来一个客户端连接，就创建该Socket连接。由于服务器会有大量来自客户端的连接，所以，服务器要能够区分一个Socket连接是和哪个客户端绑定的。一个Socket依赖4项：服务器地址、服务器端口、客户端地址、客户端端口来唯一确定一个Socket。

但是服务器还需要同时响应多个客户端的请求，所以，每个连接都需要一个新的进程或者新的线程来处理，否则，服务器一次就只能服务一个客户端了。

编写一个简单的服务器程序，它接收客户端连接，把客户端发过来的字符串加上Hello再发回去。

首先，创建一个基于IPv4和TCP协议的Socket：
s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
然后，要绑定监听的地址和端口。服务器可能有多块网卡，可以绑定到某一块网卡的IP地址上，也可以用0.0.0.0绑定到所有的网络地址，还可以用127.0.0.1绑定到本机地址。127.0.0.1是一个特殊的IP地址，表示本机地址，如果绑定到这个地址，客户端必须同时在本机运行才能连接，也就是说，外部的计算机无法连接进来。

端口号需要预先指定。小于1024的端口号必须要有管理员权限才能绑定，非标准服务，用1024以上端口，指定9999这个端口号。

# 监听端口:
s.bind(('127.0.0.1', 9999))
紧接着，调用listen()方法开始监听端口，传入的参数指定等待连接的最大数量：
s.listen(5)
print('Waiting for connection...')
接下来，服务器程序通过一个永久循环来接受来自客户端的连接，accept()会等待并返回一个客户端的连接:

while True:
    # 接受一个新连接:
    sock, addr = s.accept()
    # 创建新线程来处理TCP连接:
    t = threading.Thread(target=tcplink, args=(sock, addr))
    t.start()
每个连接都必须创建新线程（或进程）来处理，否则，单线程在处理连接的过程中，无法接受其他客户端的连接：
def tcplink(sock, addr):
    print('Accept new connection from %s:%s...' % addr)
    sock.send(b'Welcome!')
    while True:
        data = sock.recv(1024)
        time.sleep(1)
        if not data or data.decode('utf-8') == 'exit':
            break
        sock.send(('Hello, %s!' % data.decode('utf-8')).encode('utf-8'))
    sock.close()
    print('Connection from %s:%s closed.' % addr)
连接建立后，服务器首先发一条欢迎消息，然后等待客户端数据，并加上Hello再发送给客户端。如果客户端发送了exit字符串，就直接关闭连接。

这里要注意的是：addr是一个tuple，即（‘ip address’，‘port’），所以print（）中有两个%s，而后面只跟一个addr。

客户端：

运行servert.py后，打印waiting for conenction...，然后等待连接。运行客户端，建立连接，发送数据，接收数据。有一个问题，启动服务器后，只能强制关闭命令窗口来关闭server，否则一直运行。

用TCP协议进行Socket编程在Python中十分简单，对于客户端，要主动连接服务器的IP和指定端口，对于服务器，要首先监听指定端口，然后，对每一个新的连接，创建一个线程或进程来处理。通常，服务器程序会无限运行下去。

同一个端口，被一个Socket绑定了以后，就不能被别的Socket绑定了。

UDP编程

TCP是建立可靠连接，并且通信双方都可以以流的形式发送数据。UDP则是面向无连接的协议。

使用UDP协议时，不需要建立连接，只需要知道对方的IP地址和端口号，就可以直接发数据包。但是，能不能到达就不知道了。

虽然用UDP传输数据不可靠，但它的优点是和TCP比，速度快，对于不要求可靠到达的数据，就可以使用UDP协议。

使用UDP的通信双方也分为客户端和服务器。服务器首先需要绑定端口:

s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
# 绑定端口:
s.bind(('127.0.0.1', 9999))
创建Socket时，SOCK_DGRAM指定了这个Socket的类型是UDP。绑定端口和TCP一样，但是不需要调用listen()方法，而是直接接收来自任何客户端的数据：

print('Bind UDP on 9999...')
while True:
    # 接收数据:
    data, addr = s.recvfrom(1024)
    print('Received from %s:%s.' % addr)
    s.sendto(b'Hello, %s!' % data, addr)
recvfrom()方法返回数据和客户端的地址与端口，这样，服务器收到数据后，直接调用sendto()就可以把数据用UDP发给客户端。

这里省掉了多线程.

客户端使用UDP时，首先仍然创建基于UDP的Socket，然后，不需要调用connect()，直接通过sendto()给服务器发数据：

s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
for data in [b'Michael', b'Tracy', b'Sarah']:
    # 发送数据:
    s.sendto(data, ('127.0.0.1', 9999))
    # 接收数据:
    print(s.recv(1024).decode('utf-8'))
s.close()
从服务器接收数据仍然调用recv()方法。

服务器：

 客户端：

 服务器端的行为：

关于编码的问题：在客户端更改一下数据：

 运行错误

 改成：

改成：

 UDP的使用与TCP类似，但是不需要建立连接。此外，服务器绑定UDP端口和TCP端口互不冲突，也就是说，UDP的9999端口与TCP的9999端口可以各自绑定。