​ Twisted——基于事件驱动的Python网络框架

对于追求服务器程序性能的应用有什么适用的Python框架吗？那就是今天和大家分享的Twisted框架，它支持许多常见的传输及应用层协议，包括TCP、UDP、SSL/TLS、HTTP、FTP等，这也意味着能为客户端和服务器端提供自定义开发工具。那为什么就说它能保证高效能通信呢？

Twisted在不同的操作系统平台上利用了不同的底层技术：在Windows中，基于IO完成端口技术保证了底层高效地将I/O事件通知给框架及应用程序；在Linux中采用epoll技术，它能显著提高在大量并发连接中只有少量活跃的情况下CPU利用率。Twisted框架采用Reactor设计模式，它的核心是Reactor的事件循环，监听网络、文件系统以及定时器等事件，并提供统一处理接口，使得事件能被快速响应。

在上一篇事件驱动中介绍过：对于不需要同步处理的多任务，我们可以使用事件驱动。那么在Twisted中使得程序设计可以采用事件驱动机制得益于Deferred(延迟)对象，它是一个管理回调函数的对象，我们可以向该对象添加需要回调的函数，同时可以指定该组回调函数何时被调用。

from twisted.internet import deferfrom twisted.python import failureimport sys​d = defer.Deferred()  # 定义defer实例def printSquare(d):  # 正常处理函数    print("Square of %d is %d" % (d, d * d))​def processError(f):  # 错误处理函数    print("Error with process ")d.addCallback(printSquare)  # 添加正常处理的回调函数d.addErrback(processError)  # 添加错误处理回调函数# 开始调用deferif len(sys.argv) > 1 and sys.argv[1] == 'call_error':    f = failure.Failure(Exception('my Exception'))    d.errback(f)  # 调用错误处理函数processErrorelse:    d.callback(4)  # 调用正常处理函数printSquare(4)

代码围绕twisted.internet.defer.Deffered对象展开。

Defer中可以管理两种回调函数：Deffered.addCallback()正常处理函数和Deffered.addErrback错误处理函数。两种回调函数可以通过Deffered.callback()和Deffered.errback()进行调用。

另外可以给一个Deffer对象赋予多个正常或错误处理的回调函数，这样在Defer对象内部形成正常处理函数链和错误处理函数链，示例代码如下。

from twisted.internet import defer​d = defer.Deferred()​def printSquare(d):    print("Square of %d is %d", (d, d * d))    return d​def processError(f):    print("error with process")​def printTwice(d):    print("Twice of %d is %d", (2 * d))    return d​d.addCallback(printSquare)d.addErrback(processError)d.addCallback(printTwice)​d.callback(5)# Square of %d is %d (5, 25)# Twice of %d is %d 10

Deffered的主要成员函数包括：

Defer为什么要分别管理两条回调函数调用链？因为调用链函数之间除了简单的顺序调用关系，还存在交叉调用关系，两条为了对回调过程提供更好的可控性，调用流程图如下：

其中实线为回调函数正常返回时的继续调用路径，虚线为处理函数中产生异常时的后续调用路径。
我们再将Deffer对象和reactor的延时调用机制结合在一起，来实现异步调用函数。

from twisted.internet import reactor, defer​def printSquare(d):    print("Square of %d is %d" % (d, d * d))    return d​def printTwice(d):    print("Twice of %d is %d", (2 * d))    return d​def makeDefer():    d = defer.Deferred()    d.addCallback(printSquare)    d.addCallback(printTwice)    reactor.callLater(2, d.callback, 5)  # 配置延时2s调用​makeDefer()reactor.run()# Square of 5 is 25# Twice of %d is %d 10# 挂起运行

makeDefer函数内定义了调用链执行的逻辑关系，其中 reactor.callLater(2, d.callback, 5)表示在reactor.run()运行后的2后，twisted框架才去调用callback对应的两个函数（printSquare，printTwice）。

callLater()函数原型如下

def callLater(delay, callable, *args, **kw):  pass

delay定义延时调用秒数，如果为0则是立即调用；callable为被调用的函数名及其参数。

通过reactor.callLater(4, reactor.stop)定义4秒后调用函数reactor.stop()，还可以实现定时退出Twisted消息循环。

下面我们通过一个实时通信的广播系统模型介绍下用Twisted框架开发基于TCP的网络应用的方法：

首先Twisted提供了基本的通信编程封装，这里先介绍下Transports。它代表网络中两个通信结点之间的连接。Transports负责描述连接的细节，比如连接是面向流式的还是面向数据报的，流控以及可靠性，比如TCP、UDP和Unix套接字。对应方法如下：

Protocols描述了如何以异步的方式处理网络中的事件。HTTP、DNS以及IMAP是应用层协议中的例子。Protocols实现了IProtocol接口，它包含如下的方法：

广播系统服务器

针对Twisted的Protocol、Factory等类进行编程，定义它们的子类并重写connectionMade和dataReceived进行事件化处理。

from twisted.internet.protocol import Protocolfrom twisted.internet.protocol import Factoryfrom twisted.internet.endpoints import TCP4ServerEndpointfrom twisted.internet import reactor​clients = []  # 保存所有客户端连接# Protocol的子类class Spreader(Protocol):    def __init__(self, factory):        self.factory = factory​    def connectionMade(self):        self.factory.numProtocols = self.factory.numProtocols + 1  # 对连接的客户端进行计数        self.transport.write(            (u"欢迎来到Spread Site，您是第%d个客户端用户！\n" %             (self.factory.numProtocols,).encode('utf8')))        print(f"new connect {self.factory.numProtocols}")        clients.append(self)  # 将self保存到clients列表中​    def connectionLost(self, reason):        clients.remove()        print(f"lost connect: {self.connect_id}")​    def dataReceived(self, data):        if data == "close":            self.transport.loseConnection()            print(f"{self.connect_id} closed")        else:            print(f"spreading message from {self.connect_id, self.data}")            for client in clients:                if client != self:                    # 将收到的数据通过Protocol.transport.write()函数分发给除自己以外的所有客户端                    client.transport.write(data)# Factory的子类class SpreadFactory(Factory):    def __init__(self):        self.numProtocols = 0  # 将客户端计数器置0​    def buildProtocol(self, addr):        return Spreader(self)  # 建立Protocol子类的实例​endpoint = TCP4ServerEndpoint(reactor, 8007)  # 定义服务器监听端口endpoint.listen(SpreadFactory())  # 指定子类实例reactor.run()  # 挂起运行

广播客户端

Twisted同样提供了基于Protocol类的TCP客户端编程方法。

from twisted.internet.protocol import Protocol, ClientFactoryfrom twisted.internet import reactorimport sysimport datetime​class Echo(Protocol):    def connectionMade(self):        print("connect to server!")​    def dataReceived(self, data):        print("got message: ", data.decode('utf8'))        reactor.callLater(5, self.say_hello)​    def connectionLost(self, reason):        print("Disconnected from server!")​    def say_hello(self):        if self.transport.connected:            self.transport.write(                (u"hello, I'm %s %s" % (sys.argv[1], datetime.datetime.now())).encode('utf-8'))​class EchoClientFactory(ClientFactory):    def __init__(self):        self.protocol = None​    def startedConnecting(self, connector):        print("Start to connect.")​    def buildProtocol(self, addr):        self.protocol = Echo()        return self.protocol​    def clientConnectionLost(self, connector, reason):        print("Lost Connection. Reason:", reason)​    def clientConnectionFailed(self, connector, reason):        print("Connection failed. Reason:", reason)​host = "127.0.0.1"port =8007factory = EchoClientFactory()reactor.connectTCP(host, port, factory)reactor.run()

执行顺序如下：

• 建立连接

ClientFactory.startedConnecting()

Protocol.connectionMade()

• 已连接

用Protocol.dataReceived()接受消息

用Protocol.transport.write()发送消息

• 连接断开

Protocol.connectionLost()

ClientFactory. clientConnectionLost()

即建立连接时先执行ClientFactory中回调，然后执行Protocol中回调，连接断开时正好相反。      

欢迎你来我的公众号“才浅的每日python”和我一起讨论，也欢迎你来催更扯淡。日拱一卒，下一篇文不见不散。