基于Python的聊天軟件的設(shè)計與實現(xiàn)

◆張萍萍 紀志堅

（青島大學自動化與電氣工程學院 山東 266071）

基于Python的聊天軟件的設(shè)計與實現(xiàn)

◆張萍萍 紀志堅

（青島大學自動化與電氣工程學院 山東 266071）

本系統(tǒng)是一個局域網(wǎng)聊天軟件，是以Python語言為基礎(chǔ)，結(jié)合數(shù)據(jù)庫技術(shù)，多線程編程技術(shù)，運用TCP模式的Socket編程技巧實現(xiàn)一個服務(wù)器與多個客戶端互聯(lián)，服務(wù)器存儲并轉(zhuǎn)發(fā)客戶端發(fā)來的數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)一對一的客戶端之間的通信。服務(wù)器將客戶端發(fā)來的消息進行廣播，客戶端接收服務(wù)器發(fā)送的消息，通過內(nèi)置標志位判斷是否進行接收，從而實現(xiàn)聊天室群聊功能。本論文主要闡述了軟件開發(fā)過程中運用軟件開發(fā)瀑布模型所走過的需求分析，概要設(shè)計，詳細設(shè)計，編碼以及單元測試，集成測試等軟件開發(fā)與測試流程。通過嚴謹?shù)木幋a規(guī)范，全面的版本控制以及細致的缺陷跟蹤力求設(shè)計出的軟件功能完善，界面美觀，性能優(yōu)越。

Python語言；MySQL數(shù)據(jù)庫；多線程編程；TCP協(xié)議；Socket編程

0 引言

當今主流的聊天工具有很多，例如 QQ、MSN、雅虎通，這些聊天軟件已能滿足用戶聊天的需求。但由于這些軟件的不開源性，對于很多公司企業(yè)來說，為了保證其信息的安全性，都不得不開發(fā)設(shè)計出一款自己的聊天軟件。因此，從當前情況來說，一款安全、實時的聊天軟件不僅能夠保證員工之間的交流，同時也能保證企業(yè)內(nèi)部之間信息交流的安全，這對于一個企業(yè)來說是極其重要的。

基于這種情況，本文設(shè)計開發(fā)出了該聊天軟件，其最大的特點就是能夠動態(tài)、實時的完成信息的傳遞以及能更有效的處理用戶的請求。此外，也因其功能單一而更易于維護和更新。

1 系統(tǒng)分析

由于本系統(tǒng)是由更先進的面向?qū)ο缶幊陶Z言Python編寫，程序中大量引用的類庫都具有平臺無關(guān)性，這使得最終系統(tǒng)具有良好的跨平臺特性[1]?？梢詫⒎?wù)器端部署在Windows系統(tǒng)下而將客戶端安裝在Linux系統(tǒng)中，反之亦然。

1.1 可行性分析

（1）經(jīng)濟可行性：該聊天工具是一個小型的系統(tǒng)，因此就開發(fā)成本來說，只要有一臺電腦，就可以開發(fā)出來，因此實際的成本我們也可以忽略不計。

（2）技術(shù)可行性：該聊天系統(tǒng)采用Python 作為編程語言，利用MySql 作為后臺數(shù)據(jù)庫。首先，對于網(wǎng)絡(luò)編程Python提供了豐富的類庫，使得我們能夠很好的進行網(wǎng)絡(luò)通信。其次，MySQL數(shù)據(jù)庫本身具有體積小、速度快的特點。而該聊天系統(tǒng)的存儲數(shù)據(jù)量不會很大，因此將MySQL 數(shù)據(jù)庫作為后臺數(shù)據(jù)庫是一個不錯的選擇[2]。綜上，該系統(tǒng)在技術(shù)上來說也是可行的。

（3）運行可行性：該系統(tǒng)是個比較小的系統(tǒng)，因此對于軟件和硬件的要求都不是很高，現(xiàn)在的電腦基本上都能滿足其要求。運行所需軟件要求：

操作系統(tǒng)：Windows Win7/Linux 及以上

Python：Python 2.7及以上

運行所需硬件要求：

CPU ：不作要求

內(nèi)存：256M 及以上

1.2 需求分析

（1）服務(wù)器端功能需求：能夠處理用戶發(fā)送的各種請求（聊天信息、傳送文件、添加好友等）并準確的轉(zhuǎn)發(fā)到指定用戶；能夠向數(shù)據(jù)庫注冊用戶信息；能夠向數(shù)據(jù)庫寫入離線消息；

（2）客戶端功能需求：用戶可以登錄；用戶能夠注冊聊天賬號；用戶能夠添加或者刪除好友；用戶能夠發(fā)送文本聊天信息；用戶能夠進行文件傳輸；用戶能夠進行聊天室群聊；

（3）系統(tǒng)用例圖：通過對系統(tǒng)的需求分析，可以識別出系統(tǒng)有兩個參與者，一個是用戶，另一個是系統(tǒng)管理員（在實際的代碼實現(xiàn)中，配置好服務(wù)器端的 IP地址及端口號后服務(wù)器自動響應(yīng)客戶端請求，自動建立連接，關(guān)閉連接無需人為干預）。基于對系統(tǒng)的分析分別繪制出如圖1，圖2所示的用戶請求和系統(tǒng)處理用戶請求用例圖[3]。

圖1 用戶請求服務(wù)用例圖

圖2 系統(tǒng)處理用戶請求用例

系統(tǒng)處理用戶請求用例圖說明：

（1）Regeist：處理用戶注冊請求。

（2）Login：處理用戶登錄請求。

（3）addFriend：處理用戶添加好友請求。

（4）removeFriend：處理用戶刪除好友請求。

（5）textChat：處理用戶文本聊天請求。

（6）fileTrans：處理用戶文件傳輸請求。

（7）roomChat：處理用戶聊天室聊天請求。

（8）check user：用戶注冊時，驗證用戶名是否已經(jīng)存在。

（9）Confirm：用戶登錄時，驗證用戶名密碼是否匹配。

（10）isOnLine：標識用戶的在線狀態(tài)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

2.1 概要設(shè)計

2.1.1 整體框架設(shè)計

本聊天系統(tǒng)主要采用了C/S 結(jié)構(gòu)，服務(wù)端和客戶端之間通過Socket 進行連接通信。服務(wù)端主要任務(wù)是：連接數(shù)據(jù)庫和處理客戶端的各種請求；客戶端主要是為用戶提供各種服務(wù)，然后將服務(wù)請求發(fā)送給服務(wù)端[4]。

2.1.2 模塊設(shè)計

根據(jù)前期的系統(tǒng)需求分析，設(shè)計出局域網(wǎng)聊天系統(tǒng)的各個功能模塊[5]，如下圖所示。

圖3 客戶端與服務(wù)器端連接框架圖

圖4 客戶端之間連接框架

圖5 各功能模塊圖

2.1.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

通過前期對系統(tǒng)進行需求分析以及對各個功能模塊的設(shè)計，確定數(shù)據(jù)庫存儲用兩張表實現(xiàn)，分別是用戶信息表（userInfo）、歷史信息表（history）表結(jié)構(gòu)設(shè)計[6]如圖6、圖7所示。

圖6 用戶信息表

圖7 聊天記錄表

2.2 詳細設(shè)計

2.2.1 客戶端的設(shè)計

客戶端主要是實現(xiàn)用戶所需功能，當用戶啟動一個客戶端時，用戶可以通過圖形畫界面上的一些功能按鈕開啟某項對應(yīng)的功能。當用戶點擊某個按鈕時，會產(chǎn)生一個相應(yīng)的事件，客戶端監(jiān)聽到該事件后，啟動相應(yīng)的程序去處理該事件。并將該事件的請求發(fā)送到服務(wù)器，然后客戶端等待服務(wù)器的響應(yīng)[7]。這兩項功能分別由init.py和Server.py兩個模塊實現(xiàn)，init模塊包含建立客戶端連接套接字，接收用戶發(fā)送的請求，將請求發(fā)送給服務(wù)器端。Server模塊是一個獨立的模塊要先于客戶端程序運行，實現(xiàn)的功能為建立服務(wù)器端連接套接字，綁定 IP和端口地址，監(jiān)聽客戶端請求，并做出響應(yīng)[8]?？蛻舳说牧鞒虉D如圖8所示。

圖8 客戶端程序流程圖

2.2.2 登錄設(shè)計

本局域網(wǎng)聊天軟件名稱為 PyChat本文所有的截圖是本軟件的1.0版本，py為Python的簡寫，同時Python腳本文件后綴名為.py，Chat意為“聊天，閑談”，在開發(fā)本軟件時用到的集成開發(fā)環(huán)境為PyCharm，PyChat的名字也與之相關(guān)聯(lián)。

用戶登錄界面用于接收用戶輸入的用戶名和密碼，登錄界面對用戶輸入的用戶名密碼進行驗證（同數(shù)據(jù)庫中用戶信息表進行比對），驗證成功則彈出聯(lián)系人列表界面正常登錄，驗證失敗則提示用戶注冊。新用戶進行注冊時，注冊界面復用登錄界面，由“注冊”按鈕調(diào)用數(shù)據(jù)庫模塊的相關(guān)代碼，用戶輸入的用戶名，密碼信息插入數(shù)據(jù)庫用戶信息表中，插入成功后彈出提示窗口提示用戶牢記用戶名，唯一ID，密碼。登錄界面如圖9所示，注冊成功提示界面如圖10所示。

圖9 登錄窗口

圖10 注冊成功提示界面

本軟件代碼部分共分為三個.py文件，分別為 init.py，Server.py，，oprate_db.py，登錄界面由init.py文件中的Window類實現(xiàn)，此類初始化聊天窗口，創(chuàng)建兩個Label控件分別提示帳號、密碼，兩個Text控件用于接收用戶輸入的用戶名密碼，兩個Button控件用來產(chǎn)生鼠標點擊事件，觸發(fā)數(shù)據(jù)庫操作函數(shù)。當用戶需要注冊新用戶時只需將自己想要的用戶名，密碼輸入到輸入框中點擊注冊按鈕即可[9]。

注冊按鈕調(diào)用 Mysql.register()方法將用戶信息入庫。點擊登錄按鈕調(diào)用Client.Contact_window()類，初始化聯(lián)系人列表界面。

2.2.3 聯(lián)系人列表設(shè)計

聯(lián)系人列表用于展示自己的聯(lián)系人，聯(lián)系人列表包括添加好友按鈕，聊天室按鈕，好友。界面效果如圖11所示。

圖11 聯(lián)系人列表

圖12 添加好友

聯(lián)系人列表主要分為三部分，添加好友、聊天室、聯(lián)系人，用戶點擊添加好友時調(diào)用 init().Contact_window()彈出好友添加界面如圖12所示，好友添加成功后，以ID的形式顯示在聯(lián)系人中，點擊聯(lián)系人按鈕調(diào)用init.Chat()彈出聊天界面。當用戶點擊聊天室按鈕時，彈出聊天界面，登錄系統(tǒng)的所有用戶可以在此窗口中進行聊天室群聊。

2.2.4 聊天窗口設(shè)計

聊天窗口用于接收用戶輸入的聊天信息，同時將接收到的聊天信息顯示到消息屏幕中，聊天窗口如圖13 所示。

圖13 聊天窗口

用戶將需要發(fā)送的信息輸入到窗口下方的文本輸入框中，Client.send()方法將用戶輸入數(shù)據(jù)進行提取，將提取后的信息封裝到Client建立的Socket中，用于同服務(wù)器進行通信。接收消息時，接收到的消息將顯示到輸入框上方的接收信息框中。

3 編碼

本章展示底層通信原理代碼，本聊天軟件分為通信部分（也是核心部分）和界面部分，最終的軟件實現(xiàn)是通信部分與界面部分的集成。本章展示底層通信原理代碼，本聊天軟件分為通信部分（也是核心部分）和界面部分，最終的軟件實現(xiàn)是通信部分與界面部分的集成。

3.1 服務(wù)器部分

#!/usr/bin/env python

# coding： utf-8

import socket

import threading

"""定義用到的變量，建立服務(wù)器端套接字"""

con = threading.Condition()

HOST = '127.0.0.1'

PORT = 8888 # Arbitrary non-privileged port

data = ''

ADDR = (HOST，PORT)

s = socket.socket(socket.AF_INET， socket.SOCK_STREAM)

print 'Server init success!'

s.bind(ADDR)

s.listen(10)

print 'Waiting for client connect'

#Function for handling connections. This will be used to create threads

# 接受數(shù)據(jù)存到tmp中 tmp傳給NotifyAll方法中變成data

"""此方法用于接收客戶端發(fā)送的消息，有用戶離線時輸出提示消息"""

def ClientThreadIn(conn， nick)：

global data

global id

#infinite loop so that function do not terminate and thread do not end.

while True：

#Receiving from client

try：

temp = conn.recv(1024)

if not temp：

conn.close()

return

NotifyAll(temp)

print data

except：

NotifyAll(nick + " leaves the room!")

print data

return

#came out of loop

"""此方法用于喚醒其他線程，是實現(xiàn)多線程的一部分"""

def NotifyAll(sss)：

global data

if con.acquire()：

data = sss

con.notifyAll()

con.release()

"""此方法將消息從服務(wù)器端發(fā)送給客戶端"""

def ClientThreadOut(conn， nick)：

global data

while True：

if con.acquire()：

con.wait()

if data：

try：

conn.send(data)

con.release()

except：

con.release()

return

"""主循環(huán)保證服務(wù)器端開啟后一直處于運行狀態(tài)

并不間斷接收客戶端發(fā)來的消息，根據(jù)實際需要將消息轉(zhuǎn)發(fā)給特定用戶

如果用戶進行的是聊天室群聊，則將消息廣播給所有用戶，調(diào)用多線程

方法接收消息與發(fā)送消息同步進行"""

while True：

#wait to accept a connection - blocking call

conn， addr = s.accept()

print 'Connected with ' + addr[0] + '：' + str(addr[1])

nick = conn.recv(1024)

NotifyAll('Welcome ' + nick + ' to the room!')

print data

print str((threading.activeCount() + 1) / 2) + ' person(s)!'

# conn.send(data)

threading.Thread(target = ClientThreadIn ， args = (conn，nick)).start()

threading.Thread(target = ClientThreadOut ， args = (conn，nick)).start()

s.close()

3.2 客戶端部分

#!/usr/bin/env python

# coding： utf-8

# author： Paula

# date： Mar-o3-2017

"""導入用到的包"""

from Tkinter import *

from oprate_db import * from time import sleep

import socket

import threading

"""將客戶端的實現(xiàn)部分封裝在此類中"""

class Client(object)：

global msg_trans

msg_trans=''

def __init__(self，myId，name)：

"""初始化socket"""

self.sock = socket.socket(socket.AF_INET ，socket.SOCK_STREAM)

self.sock.connect(('127.0.0.1'，8888))

self.inString = ''

self.outString = ''

self.nick =name

self.sock.send(self.nick)

self.myId =myId

self.fromid = ''

def DealOut(self，s，toid，myid，outstring)：

"""輸出函數(shù)，將用戶輸入的信息通過建立的 socket連接發(fā)送到服務(wù)器端"""

toId = toid

myId = myid

msg = []

self.outString = outstring

self.outString = self.nick + '： ' + self.outString

msg.append(toId)

msg.append(myId)

msg.append(self.outString)

mssage=str(msg)

s.send(mssage)

def DealIn(self，s)：

"""數(shù)據(jù)接入函數(shù)，將服務(wù)器發(fā)來的數(shù)據(jù)進行分揀，接收發(fā)送給自己的消息

或聊天室消息"""

global msg_trans

while True：

self.inString = s.recv(1024)

# print '2---7：'， self.inString[2：7]

if self.inString：

If self.inString[2：7]==self.myId or self.inString[2：7]=='10000'：

self.fromid = self.inString[11：16]

msg_trans = self.inString[21：-4]

print 'deal in'，msg_trans

def mainrecv(self)：

"""線程接收函數(shù)，封裝多線程方法和數(shù)據(jù)接入函數(shù)"""

thin = threading.Thread(target = self.DealIn， args = (self.sock，)) thin.start()

# return

def mainsend(self，toid，outstr)：

"""線程發(fā)送函數(shù)，封裝多線程方法和數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)"""

if self.inString[2：7]=='10000'：

to = '10000'

elif self.fromid==''：

to = toid

else：

to = self.fromid

outstring = outstr

# self.sock.send(self.nick)

thout = threading.Thread(target = self.DealOut， args = (self.sock，to，self.myId，outstring，))

thout.start()

4 測試

測試部分主要分為，單元測試、集成測試，分別對應(yīng)了開發(fā)過程中的編碼、概要設(shè)計、需求分析部分，經(jīng)過系統(tǒng)的測試可以暴露軟件中存在的缺陷，提高代碼可靠性，最終符合用戶需求。

4.1 單元測試

單元測試是（模塊測試）是開發(fā)者編寫的一小段代碼，用于檢測被測代碼的一個很小的、很明確的功能是否正確。通常而言，一個單元測試是用于判斷某個特定條件（或者場景）下某個特定函數(shù)的行為，是對單個的軟件單元或者一組相關(guān)的軟件單元進行的測試，是代碼級別的測試。

經(jīng)過測試客戶端一對一單聊功能正常，客戶端正常連接服務(wù)器，客戶端可以接收其他用戶發(fā)來的消息，并將自己的消息發(fā)還給其他用戶。

4.2 集成測試

圖14 客戶端一對一聊天單元測試

集成測試又叫組裝測試或聯(lián)合測試，是單元測試的多級擴展，是在單元測試的基礎(chǔ)上進行的一種有序測試，這種測試需要將所有模塊按照設(shè)計需求，逐步裝配成高層的功能模塊，并進行測試，直到整個軟件成為一個整體，集成測試旨在檢驗軟件單元之間的接口關(guān)系，以期望通過測試發(fā)現(xiàn)各軟件單元接口之間存在的問題，最終把經(jīng)過測試的單元組成符合設(shè)計要求的軟件。集成測試驗證程序和概要設(shè)計說明的一致性，任何不符合該說明的程序模塊行為都應(yīng)該加以記載并上報，因此集成測試是發(fā)現(xiàn)和改正模塊接口錯誤的重要階段。

集成測試暴露出的問題：

（1）底層通信實現(xiàn)時未用類進行封裝，導致代碼耦合度高降低了模塊獨立性。

（2）底層通信實現(xiàn)時未預留足夠的接口，導致界面無法與功能進行對接。

（3）接口間無法傳遞數(shù)值。

經(jīng)過嚴謹?shù)募蓽y試主要暴露了以上三個問題，通過不斷對代碼進行優(yōu)化，對功能的內(nèi)部實現(xiàn)進行封裝，使用類變量和全局變量解決參數(shù)傳遞問題，定義了多個接口用于界面調(diào)用相應(yīng)的功能代碼，很好的解決的如上問題，降低了模塊的耦合程度，提高了模塊獨立性。

5 結(jié)束語

本次開發(fā)的程序是PyChat的1.0版本，本文設(shè)計聊天軟件以其信息傳遞迅速、占用系統(tǒng)資源少、易于維護、功能簡單實用、信息安全、占用較少的網(wǎng)絡(luò)資源等優(yōu)勢在企業(yè)、學校級別的大型局域網(wǎng)絡(luò)中擁有廣闊的運用前景。部署此局域網(wǎng)聊天系統(tǒng)僅需一臺服務(wù)器就可實現(xiàn)具有跨平臺特性的實時信息通訊。不過軟件還有很多不完善的地方，還有很多缺陷等待我去改進。在測試部分發(fā)現(xiàn)，字體大小和字體顏色等功能還未實現(xiàn)；系統(tǒng)的健壯性有待提高，非正常流程結(jié)束程序會導致端口占用無法開啟新的客戶端等缺陷。因此我需要進一步提高軟件的可用性，豐富軟件的功能。

[1]Barry．P ．林琪等譯．Head First Python[M]．北京：中國電力出版社，2012．

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[3]Magnus Lie Hetland．司維，曾軍崴，譚穎華譯．Python基礎(chǔ)教程[M]．北京：人民郵電出版社，2010．

[4]蔡建平．軟件綜合開發(fā)案例教程--Linux、GCC、MySQL、Socket、Gtk+與開源案例[M]（1版）．北京：清華大學出版社，2011．

[5] Ben Forta．鐘鳴，劉曉霞譯．SQL必知必會[M]．北京：人民郵電出版社，2013．

[6]John Goerzen．莫遲譯．Python網(wǎng)絡(luò)編程基礎(chǔ)[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2007．

[7]Wesley J．Chun．宋吉廣譯．Python核心編程[M]．北京：人民郵電出版社，2008．

[8]沈潔元．簡明 Python教程[M]．北京：清華大學出版社，2009．

[9]Lasse Koskela．李貝譯．測試驅(qū)動開發(fā)的藝術(shù)[M]．人民郵電出版社，2010．