Socket長連接全面解析

一、Socket長連接與短連接的區別

Socket連接，是指應用層之間傳輸控制層的連接，常見的應用層協議有HTTP、FTP等，它們建立在TCP協議之上。Socket連接一般分為兩種：短連接和長連接。

短連接指通信雙方建立連接，完成數據傳輸後立即斷開連接，即每次傳輸完畢，都要建立和斷開一次連接，通信的過程類似於打電話。長連接則是指建立一次連接後，可以進行多次數據傳輸，直到數據傳輸完畢或一方斷開連接。

在Socket連接中，長連接的效率比短連接高，因為短連接每次傳輸數據都要進行連接和斷開操作，而長連接可以復用連接，減少了建立和斷開連接的時間，提高了效率。

長連接和短連接的選擇應該根據業務需要進行，如果業務需要頻繁傳輸大量數據，則應該選擇長連接；如果業務需要傳輸小量數據，或者需要頻繁的建立和斷開連接，則應該選擇短鏈接。

二、Socket長連接保持機制

在Socket長連接中，由於每個連接都是有資源限制的，所以需要一定的機制來保持連接的有效性和穩定性。

1. 心跳包機制

心跳包機制就是在長連接的應用中，定時發送一些數據包，以保持連接的有效性。服務器和客戶端都可以通過心跳包機制來檢測一個連接是否已經失效。

2. 重連機制

當長連接出現異常時，客戶端可以嘗試重新連接服務器，多次嘗試失敗後，需要考慮一些別的解決機制，以保證長連接的可靠性。

三、Socket長連接原理

1. Socket連接建立過程

在Socket連接建立的過程中，客戶端和服務器握手協商，確定連接的參數，包括TCP連接的三次握手、傳輸協議、傳輸參數等。這個過程類似於電話撥號的過程。

import socket

HOST = '127.0.0.1'
PORT = 50007

s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
s.connect((HOST, PORT))

while True:
    data = s.recv(1024)
    if not data: break
    s.sendall(data)
s.close()

2. Socket長連接保持過程

在Socket長連接的過程中，保持連接的有效性是非常重要的，因此需要採用一些機制來保持連接的穩定性。常見的機制包括心跳包機制和重連機制。

import socket
import time

HOST = '127.0.0.1'
PORT = 50007

s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
s.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_KEEPALIVE, 1) # 開啟心跳保活機制
s.connect((HOST, PORT))

while True:
    try:
        s.send("hello")
        time.sleep(5)
    except socket.error:
        s.close()
        break

四、WebSocket長連接原理

WebSocket是一種協議，它建立在TCP連接之上，支持瀏覽器和服務器之間的雙向通信。它的優點是使用比較簡單，而且也有不少的實現庫。

WebSocket的主要原理在於使用HTTP請求頭中的Upgrade機制，將HTTP連接升級到WebSocket連接。這種協議在性能等方面有很多優點，在需要快速傳輸大量數據的場景中，具有不可替代的作用。

import asyncio
import websockets

async def hello():
    async with websockets.connect('ws://localhost:8765') as websocket:
        name = input("What's your name? ")
        
        await websocket.send(name)
        print("> {}".format(name))

        greeting = await websocket.recv()
        print("< {}".format(greeting))

asyncio.get_event_loop().run_until_complete(hello())

五、Socket長連接隊列選取

在Socket長連接中，需要考慮客戶端和服務器的並發連接數量，如果連接數量太多就會導致服務器資源不足，從而影響連接的效率和穩定性。因此，需要考慮一些機制來限制連接並發數量。

一種常見的處理方式是使用隊列來保存連接，當並發的連接數量超過一定的限制時，便將連接放入隊列中，等待下一次處理。這種方式可以有效的控制連接的並發數量，避免服務器資源被過度消耗。

import threading
import socket
import Queue

NUM_THREADS = 5

HOST = '127.0.0.1'
PORT = 50007

q = Queue.Queue()
for i in range(NUM_THREADS):
    q.put(i)

class ThreadWorker(threading.Thread):
    def run(self):
        while True:
            s = q.get()
            conn, addr = s.accept()
            print("Connected by", addr)
            while True:
                data = conn.recv(1024)
                if not data: break
                conn.sendall(data)
            conn.close()
            q.put(s)

s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
s.bind((HOST, PORT))
s.listen(10)

for i in range(NUM_THREADS):
    t = ThreadWorker()
    t.daemon = True
    t.start()

while True:
    pass