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几行代码,撸了个 元宇宙
2021-12-13
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几行代码,撸了个 元宇宙

作者:李晓飞

来源:Python

Facebook 改名为 meta,一下子点燃了 元宇宙 这个概念。

今天我就用 Python 实现一个简单的迷你元宇宙。

代码简洁易懂,不仅可以学习 Python 知识,还能用实践理解元宇宙的概念。

还等什么,现在就开始吧!

迷你元宇宙

什么是元宇宙?

不同的人有不同的理解和认识,最能达成共识的是:

元宇宙是个接入点,每个人都可以成为其中的一个元素,彼此互动。

那么我们的元宇宙有哪些功能呢?

首先必须有可以接入的功能。

然后彼此之间可以交流信息。比如 a 发消息给 b,b 可以发消息给 a,同时可以将消息广播出去,也就是成员之间,可以私信 和 群聊。

另外,在元宇宙的成员可以收到元宇宙的动态,比如新人加入,或者有人离开等,如果玩腻了,可以离开元宇宙。

最终的效果像这样:

几行代码,撸了个 元宇宙

效果

设计

如何构建接入点

直接思考可能比较困难,换个角度想,接入点其实就是 —— 服务器。

只要是上网,每时每刻,我们都是同服务器打交的。

那就选择最简单的 TCP 服务器,TCP 服务器的核心是维护套接字(socket)的状态,向其中发送或者获取信息。

python 的 socket 库,提供了很多有关便捷方法,可以帮助我们构建。

核心代码如下:

import socket socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) socket.bind((ip, port)) socket.listen() data = socket.recv(1024) ... 

创建一个 socket,让其监听机器所拥有的一个 ip 和 端口,然后从 socket 中读取发送过来的数据。

如何构建客户端

客户端是为了方便用户链接到元宇宙的工具,这里,就是能链接到服务器的工具,服务器是 TCP 服务器,客户端自然需要用可以链接 TCP 服务器的方式。

python 也已为我们备好,几行代码就可以搞定,核心代码如下:

import socket client = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) client.connect((ip, port)) data = client.recv(1024) ... 

代码与服务器很像,不过去链接一个服务器的 ip 和 端口

如何构建业务逻辑

首先需要让服务器将接入的用户管理起来。

然后当接收到用户消息时做出判断,是转发给其他用户,广播还是做出回应。

这样就需要构造一种消息格式,用来表示用户消息的类型或者目的。

我们就用 @username 的格式来区分,消息发给特殊用户还是群发。

另外,为了完成注册功能,需要再定义一种命令格式,用于设置 username,我们可以用 name:username 的格式作为设置用户名的命令。

构建

有了初步设计,就可以进一步构建我们的代码了。

服务端

服务器需要同时响应多个链接,其中包括新链接创建,消息 和 链接断开 等。

为了不让服务器阻塞,我们采用非阻塞的链接,当链接接入时,将链接存储起来,然后用 select 工具,等待有了消息的链接。

这个功能,已经有人实现好了 simpletcp[1],只要稍作改动就好。

将其中的收到消息,建立链接,关闭链接做成回调方法,以便再外部编写业务逻辑。

核心业务

这里说明一下核心代码:

# 创建一个服务器链接 self._socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) self._socket.setblocking(0) self._socket.bind((self.ip, self.port)) self._socket.listen(self._max_connections) # 存放已建立的链接 readers = [self._socket] # 存放客户端 ip和端口 IPs = dict() # 退出标记 用于关闭服务器 self._stop = False # 服务器主循环 while readers and not self._stop: # 利用 select 从 建立的链接中选取一些有新消息的 read, _, err = select.select(readers, [], readers) for sock in read: if sock is self._socket: # 建立了新链接 # 获取新链接的 socket 以及 ip和端口 client_socket, client_ip = self._socket.accept() # 将链接设置为非阻塞的 client_socket.setblocking(0) # 添加到监听队列 readers.append(client_socket) # 存储ip信息 IPs[client_socket] = client_ip # 调用建立链接回调函数 self.onCreateConn(self, client_socket, client_ip) else: # 收到了新消息 try: # 获取消息 data = sock.recv(self.recv_bytes)
            except socket.error as e: if e.errno == errno.ECONNRESET: # 表明链接已退出 data = None else:
                    raise e if data: # 调用收到消息回调函数 self.onReceiveMsg(self, sock, IPs[sock], data) else: # 链接退出时,移除监听队列 readers.remove(sock)
                sock.close() # 调用链接关闭回调函数 self.onCloseConn(self, sock, IPs[sock]) # 处理存在错误的链接 for sock in err: # 移除监听队列 readers.remove(sock)
        sock.close() # 调用链接关闭回调函数 self.onCloseConn(self, sock, IPs[sock])
  • 首先利用 socket 建立一个服务器链接,这个和最初的 socket 核心代码一样
  • 不同的是设置链接为非阻塞的,这样就可以通过 select 同时监控多个链接,也不至于阻塞服务器了。关于 select 可以看这里[2]
  • 在主循环中,筛选出有了消息的链接,判断是建立链接还是消息发送,调用不同的回调函数
  • 最后处理一下异常

事件处理

现在通过回调函数,就可以编写业务了,之间看代码。

这段是建立链接时的处理:

def onCreateConn(server, sock, ip): cid = f'{ip[0]}_{ip[1]}' clients[cid] = {'cid': cid, 'sock': sock, 'name': None}
    sock.send("你已经接入元宇宙,告诉我你的代号,输入格式为 name:lily.".encode('utf-8'))
  • 首先计算出客户端 id,即 cid,通过 ip 和 端口 组成
  • clients 是个词典,用 cid 为 key,存储了 cid、链接、和名称
  • 一旦建立起来链接,向链接发送一段问候语,并要求其设置自己的名称

然后是接收消息的回调函数,这个相对复杂一些,主要是处理的情况更多:

def onReceiveMsg(server, sock, ip, data): cid = f'{ip[0]}_{ip[1]}' data = data.decode('utf-8')
    print(f"收到数据: {data}")
    _from = clients[cid] if data.startswith('name:'): # 设置名称 name = data[5:].strip() if not name:
            sock.send(f"不能设置空名称,否则其他人找不见你".encode('utf-8')) elif not checkname(name, cid):
            sock.send(f"这个名字{name}已经被使用,请换一个试试".encode('utf-8')) else: if not _from['name']:
                sock.send(f"{name} 很高兴见到你,现在可以畅游元宇宙了".encode('utf-8'))
                msg = f"新成员{name} 加入了元宇宙,和TA聊聊吧".encode('utf-8')
                sendMsg(msg, _from) else:
                sock.send(f"更换名称完成".encode('utf-8'))
                msg = f"{_from['name']} 更换名称为 {name},和TA聊聊吧".encode('utf-8')
                sendMsg(msg, _from)
            _from['name'] = name elif '@' in data: # 私信 targets = re.findall(r'@(.+?) ', data)
        print(targets)
        msg = f"{_from['name']}: {data}".encode('utf-8')
        sendMsg(msg, _from, targets) else: # 群信 msg = f"{_from['name']}{data}".encode('utf-8')
        sendMsg(msg, _from)
  • 代码分为两大部分,if 前面是处理收到的消息,将 bytes 转化为 字符串;if 开始处理具体的消息
  • 如果收到 name: 开头的消息,表示需要设置用户名,其中包括判重,以及给其他成员发送消息
  • 如果收到的消息里有 @,表示在发私信,先提取出需要发出的用户们,然后将消息发送给对应的用户
  • 如果没有特殊标记,就表示群发
  • 其中 sendMsg 用于发送消息,接收三个参数,第一个是消息,第二是发送者,第三个是接收者名称数组

当链接关闭时,需要处理一下关闭的回调函数:

def onCloseConn(server, sock, ip): cid = f'{ip[0]}_{ip[1]}' name = clients[cid]['name'] if name:
        msg = f"{name} 从元宇宙中消失了".encode('utf-8')
        sendMsg(msg, clients[cid]) del clients[cid]
  • 当收到链接断开的消息时,合成消息,发送给其他用户
  • 然后从客户端缓存中删除

客户端

客户端需要解决两个问题,第一个是处理接收到的消息,第二个是允许用户的输入。

我们将接收消息作为一个线程,将用户输入作为主循环。

接收消息

先看接收消息的代码:

def receive(client): while True: try:
            s_info = client.recv(1024) # 接受服务端的消息并解码 if not s_info:
                print(f"{bcolors.WARNING}服务器链接断开{bcolors.ENDC}") break print(f"{bcolors.OKCYAN}新的消息:{bcolors.ENDC}n", bcolors.OKGREEN + s_info.decode('utf-8')+ bcolors.ENDC) except Exception:
            print(f"{bcolors.WARNING}服务器链接断开{bcolors.ENDC}") break if close: break 
  • 这是线程中用的代码,接收一个客户端链接作为参数
  • 在循环中不断地从链接中获取信息,如果没有消息时 recv 方法会阻塞,直到有新的消息过来
  • 收到消息后,将消息写出到控制台上
  • bcolors 提供了一些颜色标记,将消息显示为不同的颜色
  • close 是一个全局标记,如果客户端需要退出时,会设置为 True,可以让线程结束

输入处理

下面再看一下输入控制程序:

while True: pass value = input("")
    value = value.strip() if value == ':start': if thread:
            print(f"{bcolors.OKBLUE}您已经在元宇宙中了{bcolors.ENDC}") else:
            client = createClient(ip, 5000)
            thread = Thread(target=receive, args=(client,))
            thread.start()
            print(f"{bcolors.OKBLUE}您进入元宇宙了{bcolors.ENDC}") elif value == ':quit' or value == ':stop': if thread:
            client.close()
            close = True print(f"{bcolors.OKBLUE}正在退出中…{bcolors.ENDC}")
            thread.join()
            print(f"{bcolors.OKBLUE}元宇宙已退出{bcolors.ENDC}")
            thread = None if value == ':quit':
            print(f"{bcolors.OKBLUE}退出程序{bcolors.ENDC}") break pass elif value == ':help':
        help() else: if client: # 聊天模式 client.send(value.encode('utf-8')) else:
            print(f'{bcolors.WARNING}还没接入元宇宙,请先输入 :start 接入{bcolors.ENDC}')
    client.close()
  • 主要是对不同的命令做出的相应,比如 :start 表示需要建立链接,:quit 表示退出等
  • 命令前加 : 是为了和一般的消息做区分,如果不带 : 就认为是在发送消息

启动

完成了整体编码之后,就可以启动了,最终的代码由三部分组成。

第一部分是服务器端核心代码,存放在 simpletcp.py 中。

第二部分是服务器端业务代码,存放在 metaServer.py 中。

第三部分是客户端代码,存放在 metaClient.py 中。

另外需要一些辅助的处理,比如发送消息的 sendMsg 方法,颜色处理方法等,具体可以下载本文源码了解。

进入代码目录,启动命令行,执行 python metaServer.py,输入指令 start:

几行代码,撸了个 元宇宙

server

然后再打开一个命令行,执行 python metaClient.py,输入指令 :start,就可以接入到元宇宙:

几行代码,撸了个 元宇宙

client

设置自己的名字:

几行代码,撸了个 元宇宙

如果有新的成员加入时,就会得到消息提醒, 还可以玩点互动:

几行代码,撸了个 元宇宙

怎么样好玩吧,一个元宇宙就这样形成了,赶紧让其他伙伴加入试试吧。

总结

元宇宙现在是个很热的概念,但还是基于现有的技术打造的,元宇宙给人们提供了一个生活在虚拟的神奇世界里的想象空间,其实自从有了互联网,我们就已经逐步生活在元宇宙之中了。

今天我们用基础的 TCP 技术,构建了一个自己的元宇宙聊天室,虽然功能上和想象中的元宇宙相去甚远,不过其中的主要功能已经成形了。

如果有兴趣还可以在这个基础上加入更好玩的功能,比如好友,群组,消息记录等等,在深入了解的同时,让这个元宇宙更好玩。

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