本記事は、Pythonによるネットワークプログラミングについての学習メモとなります。
参考書籍としてLinuxネットワークプログラミングバイブル
今回は、サーバソケットのマルチクライアント化（多重化）の方法として、select()を利用した方法について学んでいきます。
ネットワークプログラミングについて
ネットワークプログラミングの目的はデータの送受信をすることで、そのためにソケットというインターフェースを利用します。
このソケットは、TCP/IPの誕生時にBSD Uinux上に実装されたものですが、非常に使い勝手が良かったため、WindowsなどのUnix系以外のOSでも利用されています。
Pythonで実装する際の手順やオプションの設定なども、概ねそのままプログラミングすることができます。
多重化とは
通常のサーバソケットでは、accept()（もしくはrecv()）を呼び出した後、それ以降の処理をブロックしてしまいます（ブロッキングIO）。
そのため、他のコネクションが確立したソケットは、その処理が完了するまで待機させられ、クライアントごとの同時接続ができない使い勝手の悪いアプリケーションになってしまいます。
これらの問題を解決するためには、多重化と呼ばれる技術を使い、マルチクライアント化に対応する必要があります。
select()によるマルチクライアント化
select()では引数として渡したディスクリプタの集合から、読み込み可能になるまで処理を一時停止し、利用可能になったものの情報を返します。
なお、前回学んだfcntl()を使いソケットディスクリプタ（ファイルディスクリプタ）をノンブロッキングIOにすることでもマルチクライアント化には対応できますが、ソケットを継続的にポーリングしなければならないため、CPUリソースを無駄に消費してしまいます。
サーバプログラムの作成
今回は前回作成したサーバプログラムにselect()によるマルチクライアント機能を実装していきます。
以下がソースコードになります。
# server_multi_select.py
import socket
import sys
import fcntl
import os
import errno
import select
MAX_CHILD = 20
def server_socket(portnum):
try:
for res in socket.getaddrinfo(None, portnum, socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM, socket.IPPROTO_TCP, socket.AI_PASSIVE):
af, socktype, proto, canonname, sa = res
break
except socket.gaieor as e:
print("getaddrinfo():{}".format(e))
sys.exit(1)
try:
nbuf, sbuf = socket.getnameinfo(sa, socket.AI_PASSIVE)
except socket.gaieor as e:
print("getnameinfo():{}".format(e))
sys.exit(1)
print("port={}".format(sbuf))
try:
soc = socket.socket(af, socktype, proto)
except OSError as e:
print("socket:{}".format(e))
sys.exit(1)
try:
soc.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)
except OSError as e:
print("setsockopt:{}".format(e))
sys.exit(1)
try:
soc.bind(sa)
except OSError as e:
print("bind:{}".format(e))
soc.close()
sys.exit(1)
try:
soc.listen(socket.SOMAXCONN)
except OSError as e:
print("listen:{}".format(e))
soc.close()
sys.exit(1)
return soc
def accept_loop(soc):
child = [0 for i in range(MAX_CHILD)]
child_no = 0
while True:
try:
fd_set = set()
fd_set.add(soc)
width = soc.fileno() + 1
count = 0
for i in range(child_no):
if child[i] != 0:
fd_set.add(child[i])
if child[i].fileno() +1 > width:
width = child[i].fileno() + 1
count += 1
print("<<child count:{}>>".format(count))
try:
r, w, x = select.select(list(fd_set), [], [], 10)
except OSError as e:
print(e)
continue
if len(r) == 0:
print("select:timeout")
else:
if soc in r:
acc, addr = soc.accept()
hbuf, sbuf = socket.getnameinfo(addr, socket.NI_NUMERICHOST | socket.NI_NUMERICSERV)
print("accept:{}:{}".format(hbuf, sbuf))
pos = -1
for i in range(child_no):
if child[i] == 0:
pos = i
break
if pos == -1:
if child_no + 1 >= MAX_CHILD:
print("child is full: cannot accept")
acc.close()
else:
child_no += 1
pos = child_no - 1
if pos != -1:
child[pos] = acc
for i in range(child_no):
if child[i] != 0:
if child[i] in r:
if send_recv(child[i], i) == -1:
child[i].close()
child[i] = 0
except InterruptedError as e:
if e.errno != errno.EINTR:
print("accept:{}".format(e))
def send_recv(acc, child_no):
buf_size = 512
try:
data = acc.recv(buf_size)
except InterruptedError as e:
print("recv:{}".format(e))
return -1
if (len(data) == 0):
# EOF
print("[child{}]recv:EOF".format(child_no))
return -1
data = data.rstrip()
try:
print("[child{}]{}".format(child_no, data.decode('utf-8')))
except UnicodeDecodeError:
pass
try:
acc.send(data + b':OK\r\n')
except InterruptedError as e:
print("send:{}".format(e))
return -1
return 0
if __name__ == '__main__':
if (len(sys.argv) != 2):
print("Usage: {} <server port="">".format(sys.argv[0]))
sys.exit(1)
soc = server_socket(sys.argv[1])
print("ready for accept")
try:
accept_loop(soc)
soc.close()
except KeyboardInterrupt:
soc.close()
sys.exit(1)
動作確認
それでは、上記プログラムを実行してみます。
> python3 server_multi_select.py 8888 port=8888 ready for accept <<child count:0=>> accept:127.0.0.1:53554 # クライアント１接続 <<child count:1>> [child0]ok <<child count:1>> accept:127.0.0.1:53555 # クライアント2接続 <<child count:2>> [child1]ok <<child count:2>> [child1]recv:EOF # クライアント2切断 <<child count:1>> [child0]recv:EOF # クライアント1切断 <<child count:0>>
最後に
今回はサーバのマルチクライアント化として、select()を利用した方法について学びました。
次回はpoll()を利用したマルチクライアント化について学んでいきます。
