大家好，我是查理～

Facebook 改名為 meta，一下子點(diǎn)燃了 元宇宙 這個(gè)概念。

今天我就用 Python 實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的迷你元宇宙。

代碼簡(jiǎn)潔易懂，不僅可以學(xué)習(xí) Python 知識(shí)，還能用實(shí)踐理解元宇宙的概念。

還等什么，現(xiàn)在就開始吧！

迷你元宇宙

什么是元宇宙？

不同的人有不同的理解和認(rèn)識(shí)，最能達(dá)成共識(shí)的是：

元宇宙是個(gè)接入點(diǎn)，每個(gè)人都可以成為其中的一個(gè)元素，彼此互動(dòng)。

那么我們的元宇宙有哪些功能呢？

首先必須有可以接入的功能。

然后彼此之間可以交流信息。比如 a 發(fā)消息給 b，b 可以發(fā)消息給 a，同時(shí)可以將消息廣播出去，也就是成員之間，可以私信 和 群聊。

另外，在元宇宙的成員可以收到元宇宙的動(dòng)態(tài)，比如新人加入，或者有人離開等，如果玩膩了，可以離開元宇宙。

最終的效果像這樣：

效果

設(shè)計(jì)

如何構(gòu)建接入點(diǎn)

直接思考可能比較困難，換個(gè)角度想，接入點(diǎn)其實(shí)就是 —— 服務(wù)器。

只要是上網(wǎng)，每時(shí)每刻，我們都是同服務(wù)器打交的。

那就選擇最簡(jiǎn)單的 TCP 服務(wù)器，TCP 服務(wù)器的核心是維護(hù)套接字（socket）的狀態(tài)，向其中發(fā)送或者獲取信息。

python 的 socket 庫(kù)，提供了很多有關(guān)便捷方法，可以幫助我們構(gòu)建。

核心代碼如下：

import socket

socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
socket.bind((ip, port))
socket.listen()

data = socket.recv(1024)
...

創(chuàng)建一個(gè) socket，讓其監(jiān)聽機(jī)器所擁有的一個(gè) ip 和 端口，然后從 socket 中讀取發(fā)送過來的數(shù)據(jù)。

如何構(gòu)建客戶端

客戶端是為了方便用戶鏈接到元宇宙的工具，這里，就是能鏈接到服務(wù)器的工具，服務(wù)器是 TCP 服務(wù)器，客戶端自然需要用可以鏈接 TCP 服務(wù)器的方式。

python 也已為我們備好，幾行代碼就可以搞定，核心代碼如下：

import socket

client = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
client.connect((ip, port))

data = client.recv(1024)
...

代碼與服務(wù)器很像，不過去鏈接一個(gè)服務(wù)器的 ip 和 端口。

如何構(gòu)建業(yè)務(wù)邏輯

首先需要讓服務(wù)器將接入的用戶管理起來。

然后當(dāng)接收到用戶消息時(shí)做出判斷，是轉(zhuǎn)發(fā)給其他用戶，廣播還是做出回應(yīng)。

這樣就需要構(gòu)造一種消息格式，用來表示用戶消息的類型或者目的。

我們就用 @username 的格式來區(qū)分，消息發(fā)給特殊用戶還是群發(fā)。

另外，為了完成注冊(cè)功能，需要再定義一種命令格式，用于設(shè)置 username，我們可以用 name:username 的格式作為設(shè)置用戶名的命令。

構(gòu)建

有了初步設(shè)計(jì)，就可以進(jìn)一步構(gòu)建我們的代碼了。

服務(wù)端

服務(wù)器需要同時(shí)響應(yīng)多個(gè)鏈接，其中包括新鏈接創(chuàng)建，消息 和 鏈接斷開 等。

為了不讓服務(wù)器阻塞，我們采用非阻塞的鏈接，當(dāng)鏈接接入時(shí)，將鏈接存儲(chǔ)起來，然后用 select 工具，等待有了消息的鏈接。

這個(gè)功能，已經(jīng)有人實(shí)現(xiàn)好了 simpletcp^[1]，只要稍作改動(dòng)就好。

將其中的收到消息，建立鏈接，關(guān)閉鏈接做成回調(diào)方法，以便再外部編寫業(yè)務(wù)邏輯。

核心業(yè)務(wù)

這里說明一下核心代碼：

# 創(chuàng)建一個(gè)服務(wù)器鏈接
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)

# 存放已建立的鏈接
readers = [self._socket]
# 存放客戶端 ip和端口
IPs = dict()

# 退出標(biāo)記 用于關(guān)閉服務(wù)器
self._stop = False

# 服務(wù)器主循環(huán)
while readers and not self._stop:
    # 利用 select 從 建立的鏈接中選取一些有新消息的
    read, _, err = select.select(readers, [], readers)
    
    for sock in read:
        if sock is self._socket:
            # 建立了新鏈接

            # 獲取新鏈接的 socket 以及 ip和端口
            client_socket, client_ip = self._socket.accept()
            
            # 將鏈接設(shè)置為非阻塞的
            client_socket.setblocking(0)
            # 添加到監(jiān)聽隊(duì)列
            readers.append(client_socket)
            # 存儲(chǔ)ip信息
            IPs[client_socket] = client_ip

            # 調(diào)用建立鏈接回調(diào)函數(shù)
            self.onCreateConn(self, client_socket, client_ip)
        else:
            # 收到了新消息
            try:
                # 獲取消息
                data = sock.recv(self.recv_bytes)
            except socket.error as e:
                if e.errno == errno.ECONNRESET:
                    # 表明鏈接已退出
                    data = None
                else:
                    raise e
            if data:
                # 調(diào)用收到消息回調(diào)函數(shù)
                self.onReceiveMsg(self, sock, IPs[sock], data)
            else:
                # 鏈接退出時(shí)，移除監(jiān)聽隊(duì)列
                readers.remove(sock)
                sock.close()

                # 調(diào)用鏈接關(guān)閉回調(diào)函數(shù)
                self.onCloseConn(self, sock, IPs[sock])         
    # 處理存在錯(cuò)誤的鏈接
    for sock in err:
        # 移除監(jiān)聽隊(duì)列
        readers.remove(sock)
        sock.close()

        # 調(diào)用鏈接關(guān)閉回調(diào)函數(shù)
        self.onCloseConn(self, sock, IPs[sock])

• 首先利用 socket 建立一個(gè)服務(wù)器鏈接，這個(gè)和最初的 socket 核心代碼一樣
• 不同的是設(shè)置鏈接為非阻塞的，這樣就可以通過 select 同時(shí)監(jiān)控多個(gè)鏈接，也不至于阻塞服務(wù)器了。關(guān)于 select 可以看這里^[2]
• 在主循環(huán)中，篩選出有了消息的鏈接，判斷是建立鏈接還是消息發(fā)送，調(diào)用不同的回調(diào)函數(shù)
• 最后處理一下異常

事件處理

現(xiàn)在通過回調(diào)函數(shù)，就可以編寫業(yè)務(wù)了，之間看代碼。

這段是建立鏈接時(shí)的處理：

def onCreateConn(server, sock, ip):
    cid = f'{ip[0]}_{ip[1]}'
    clients[cid] = {'cid': cid, 'sock': sock, 'name': None}
    sock.send("你已經(jīng)接入元宇宙，告訴我你的代號(hào),輸入格式為 name:lily.".encode('utf-8'))

• 首先計(jì)算出客戶端 id，即 cid，通過 ip 和 端口 組成
• clients 是個(gè)詞典，用 cid 為 key，存儲(chǔ)了 cid、鏈接、和名稱
• 一旦建立起來鏈接，向鏈接發(fā)送一段問候語(yǔ)，并要求其設(shè)置自己的名稱

然后是接收消息的回調(diào)函數(shù)，這個(gè)相對(duì)復(fù)雜一些，主要是處理的情況更多：

def onReceiveMsg(server, sock, ip, data):
    cid = f'{ip[0]}_{ip[1]}'
    data = data.decode('utf-8')
    print(f"收到數(shù)據(jù): {data}")
    _from = clients[cid]
    if data.startswith('name:'):
        # 設(shè)置名稱
        name = data[5:].strip()
        if not name:
            sock.send(f"不能設(shè)置空名稱，否則其他人找不見你".encode('utf-8'))
        elif not checkname(name, cid):
            sock.send(f"這個(gè)名字{name}已經(jīng)被使用，請(qǐng)換一個(gè)試試".encode('utf-8'))
        else:
            if not _from['name']:
                sock.send(f"{name} 很高興見到你，現(xiàn)在可以暢游元宇宙了".encode('utf-8'))
                msg = f"新成員{name} 加入了元宇宙，和TA聊聊吧".encode('utf-8')
                sendMsg(msg, _from)
            else:
                sock.send(f"更換名稱完成".encode('utf-8'))
                msg = f"{_from['name']} 更換名稱為 {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)

• 代碼分為兩大部分，if 前面是處理收到的消息，將 bytes 轉(zhuǎn)化為 字符串；if 開始處理具體的消息
• 如果收到 name: 開頭的消息，表示需要設(shè)置用戶名，其中包括判重，以及給其他成員發(fā)送消息
• 如果收到的消息里有 @，表示在發(fā)私信，先提取出需要發(fā)出的用戶們，然后將消息發(fā)送給對(duì)應(yīng)的用戶
• 如果沒有特殊標(biāo)記，就表示群發(fā)
• 其中 sendMsg 用于發(fā)送消息，接收三個(gè)參數(shù)，第一個(gè)是消息，第二是發(fā)送者，第三個(gè)是接收者名稱數(shù)組

當(dāng)鏈接關(guān)閉時(shí)，需要處理一下關(guān)閉的回調(diào)函數(shù)：

def onCloseConn(server, sock, ip):
    cid = f'{ip[0]}_{ip[1]}'
    name = clients[cid]['name']
    if name:
        msg = f"{name} 從元宇宙中消失了".encode('utf-8')
        sendMsg(msg, clients[cid])
    del clients[cid]

• 當(dāng)收到鏈接斷開的消息時(shí)，合成消息，發(fā)送給其他用戶
• 然后從客戶端緩存中刪除

客戶端

客戶端需要解決兩個(gè)問題，第一個(gè)是處理接收到的消息，第二個(gè)是允許用戶的輸入。

我們將接收消息作為一個(gè)線程，將用戶輸入作為主循環(huán)。

接收消息

先看接收消息的代碼：

def receive(client):
    while True:
        try:
            s_info = client.recv(1024)  # 接受服務(wù)端的消息并解碼
            if not s_info:
                print(f"{bcolors.WARNING}服務(wù)器鏈接斷開{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}服務(wù)器鏈接斷開{bcolors.ENDC}")
            break
        if close:
            break

• 這是線程中用的代碼，接收一個(gè)客戶端鏈接作為參數(shù)
• 在循環(huán)中不斷地從鏈接中獲取信息，如果沒有消息時(shí) recv 方法會(huì)阻塞，直到有新的消息過來
• 收到消息后，將消息寫出到控制臺(tái)上
• bcolors 提供了一些顏色標(biāo)記，將消息顯示為不同的顏色
• close 是一個(gè)全局標(biāo)記，如果客戶端需要退出時(shí)，會(huì)設(shè)置為 True，可以讓線程結(jié)束

輸入處理

下面再看一下輸入控制程序：

while True:
    pass
    value = input("")
    value = value.strip()
    
    if value == ':start':
        if thread:
            print(f"{bcolors.OKBLUE}您已經(jīng)在元宇宙中了{(lán)bcolors.ENDC}")
        else:
            client = createClient(ip, 5000)
            thread = Thread(target=receive, args=(client,))
            thread.start()
            print(f"{bcolors.OKBLUE}您進(jìn)入元宇宙了{(lán)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}還沒接入元宇宙，請(qǐng)先輸入 :start 接入{bcolors.ENDC}')
    client.close()

• 主要是對(duì)不同的命令做出的相應(yīng)，比如 :start 表示需要建立鏈接，:quit 表示退出等
• 命令前加 : 是為了和一般的消息做區(qū)分，如果不帶 : 就認(rèn)為是在發(fā)送消息

啟動(dòng)

完成了整體編碼之后，就可以啟動(dòng)了，最終的代碼由三部分組成。

第一部分是服務(wù)器端核心代碼，存放在 simpletcp.py 中。

第二部分是服務(wù)器端業(yè)務(wù)代碼，存放在 metaServer.py 中。

第三部分是客戶端代碼，存放在 metaClient.py 中。

另外需要一些輔助的處理，比如發(fā)送消息的 sendMsg 方法，顏色處理方法等，具體可以下載本文源碼了解。

進(jìn)入代碼目錄，啟動(dòng)命令行，執(zhí)行 python metaServer.py，輸入指令 start:

然后再打開一個(gè)命令行，執(zhí)行 python metaClient.py，輸入指令 :start，就可以接入到元宇宙：

設(shè)置自己的名字：

如果有新的成員加入時(shí)，就會(huì)得到消息提醒， 還可以玩點(diǎn)互動(dòng)：

怎么樣好玩吧，一個(gè)元宇宙就這樣形成了，趕緊讓其他伙伴加入試試吧。

總結(jié)

元宇宙現(xiàn)在是個(gè)很熱的概念，但還是基于現(xiàn)有的技術(shù)打造的，元宇宙給人們提供了一個(gè)生活在虛擬的神奇世界里的想象空間，其實(shí)自從有了互聯(lián)網(wǎng)，我們就已經(jīng)逐步生活在元宇宙之中了。

今天我們用基礎(chǔ)的 TCP 技術(shù)，構(gòu)建了一個(gè)自己的元宇宙聊天室，雖然功能上和想象中的元宇宙相去甚遠(yuǎn)，不過其中的主要功能已經(jīng)成形了。

如果有興趣還可以在這個(gè)基礎(chǔ)上加入更好玩的功能，比如好友，群組，消息記錄等等，在深入了解的同時(shí)，讓這個(gè)元宇宙更好玩。