Создание простого многопоточного сервера

Цель работы

Познакомиться с приемами работы с многопоточностью на примере создания сокетного TCP-сервера, способного работать с несколькими клиентами одновременно

Задания для выполнения

1. Создать простой эхо-сервер и клиент для него.
2. Модифицировать код сервера таким образом, чтобы при подключении нового клиента создавался новый поток и вся работа с клиентом выполнялась в нем.
3. Проверить возможность подключения нескольких клиентов к этому серверу одновременно.

Методические указания

Потоки управления (threads) образуются и работают в рамках одного процесса. В однопоточном приложении (программе, которая не использует дополнительных потоков) имеется только один поток управления. Говоря упрощенно, при запуске программы этот поток последовательно исполняет встречаемые в программе операторы, направляясь по одной из альтернативных ветвей оператора выбора, проходит через тело цикла нужное число раз, выбирается к месту обработки исключения при возбуждении исключения. В любой момент времени интерпретатор Python знает, какую команду исполнить следующей. После исполнения команды становится известно, какой команде передать управление. Эта ниточка непрерывна в ходе выполнения программы и обрывается только по ее завершении.

Теперь можно представить себе, что в некоторой точке программы ниточка раздваивается, и каждый поток идет своим путем. Каждый из образовавшихся потоков может в дальнейшем еще несколько раз раздваиваться. (При этом один из потоков всегда остается главным, и его завершение означает завершение всей программы.) В каждый момент времени интерпретатор знает, какую команду какой поток должен выполнить, и уделяет кванты времени каждому потоку. Такое, казалось бы, незначительное усложнение механизма выполнения программы на самом деле требует качественных изменений в программе - ведь деятельность потоков должна быть согласована. Нельзя допускать, чтобы потоки одновременно изменяли один и тот же объект, результат такого изменения, скорее всего, нарушит целостность объекта.

В следующем примере создается два дополнительных потока, которые выводят на стандартный вывод каждый свое:

import threading
 
def proc(n):
   print "Процесс", n
 
p1 = threading.Thread(target=proc, name="t1", args=["1"])
p2 = threading.Thread(target=proc, name="t2", args=["2"])
p1.start()
p2.start()

Сначала получается два объекта класса Thread, которые затем и запускаются с различными аргументами. В данном случае в потоках работает одна и та же функция proc(), которой передается один аргумент, заданный в именованном параметре args конструктора класса Thread. Нетрудно догадаться, что метод start() служит для запуска нового потока. Таким образом, в приведенном примере работают три потока: основной и два дополнительных (с именами "t1" и "t2" ).

То же самое можно проделать через наследование от класса threading.Thread с определением собственного конструктора и метода run():

import threading
 
class T(threading.Thread):
  def __init__(self, n):
   threading.Thread.__init__(self, name="t" + n)
    self.n = n
  def run(self):
    print "Процесс", self.n
 
p1 = T("1")
p2 = T("2")
p1.start()
p2.start()

Контрольные вопросы

1. Почему однопоточное приложение не может решить задачу одновременного подключения?
2. Чем поток отличается от процесса?
3. Как создать новый поток?
4. Как выделить участок кода так, чтобы он выполнялся в другом потоке?
5. В чем проблема потокобезопасности?
6. Какие методы обеспечения потокобезопасности существуют?

Дополнительные задания

1. Реализовать сканер TCP-портов. Программа должна запрашивать имя хоста/IP-адрес у пользователя. Затем программа должна пробовать подключиться к этому хосту ко всем портами по очереди. При успешном подключении программа должна выводить в консоль сообщение “Порт N открыт”.
   1. Модифицировать эту программу, чтобы сканирование портов происходило параллельно. Для этого нужно распараллелить сканирование портов по нескольким потокам.
   2. Обеспечить вывод списка открытых портов по порядку.
   3. Реализовать progress bar в командной строке, показывающий прогресс сканирования.
2. Модифицировать простой эхо-сервер таким образом, чтобы при подключении клиента создавался новый поток, в котором происходило взаимодействие с ним.
3. Реализовать простой чат сервер на базе сервера аутентификации. Сервер должен обеспечивать подключение многих пользователей одновременно, отслеживание имен пользователей, поддерживать историю сообщений и пересылку сообщений от каждого пользователя всем остальным.
4. Реализовать сервер с управляющим потоком. При создании сервера прослушивание портов происходит в отдельном потоке, а главный поток программы в это время способен принимать команды от пользователя. Необходимо реализовать следующие команды:
   1. Отключение сервера (завершение программы);
   2. Пауза (остановка прослушивание порта);
   3. Показ логов;
   4. Очистка логов;
   5. Очистка файла идентификации.