Django 2.0 学习(15)：Web框架

Web框架的本质

对于学习Python的同学，相信对Flask、Django、Web.py等不会陌生，这些都是Python语言的web框架。那么问题来了，web服务器是什么？它和web框架有什么关系？它们又是如何工作的？有的时候人们会把HTTP服务器叫做web服务器，这是为什么？我们今天就来聊聊这些，争取让大家对web开发有个清晰的认识。

web服务器

平时我们都是通过浏览器(Chrome、Firefox)来访问网站的，当我们在浏览器的地址栏输入地址后，会得到一个网页。这个网页就是web服务器返回给我们的，而浏览器就成为客户端，当我们输入网址并按下回车之后，就向web服务器发送了一个web请求。这种模式称为B/S模式，即Brower / Server模式，在浏览器地址栏输入地址按回车后，按下F12就可以看到如下信息：

这整个过程如下图所示：

建立连接：客户端通过TCP/IP协议建立到服务器的TCP连接；
请求过程：客户端向服务器发送HTTP协议请求包(Request)，请求服务器里的资源；
应答过程：服务器向客户端发送HTTP协议应答包(Response)，如果请求的资源包含有动态语言的内容，那么服务器会调用动态语言的解释引擎负责处理"动态内容"，并将处理的得到的数据返回给客户端。由客户端解释HTML文档，在客户端屏幕上渲染图形结果；
关闭连接：客户机与服务器断开；

这里Request和Response都需要遵守HTTP协议，关于HTTP协议的详细内容，并不在这里赘述。但是实际的web服务器远比上面的示例复杂的多，因为要考虑的因素实在太多了，比如：

缓存机制：将某些经常被访问的页面缓存起来，提高响应速度；
安全：防止黑客攻击，比如SYN Flood攻击；
并发处理：如何响应不同客户端同时发起的请求；
日志：记录访问日志，方便问题分析处理；

目前在Linux和Unix平台下使用最广泛的免费web服务器有Apache和Nginx，而这些软件都是遵循HTPP协议的，所以也称为HTTP服务器，指示可以通过HTTP协议语言的解析转换。

web应用程序

web服务器接收Http Request，返回Response，很多时候Response并不是静态文件，因此需要有个应用程序根据Request生成相应的Response。这里的应用程序主要用来处理相关业务逻辑，读取或者更新数控，根据不同Request返回相应的Response。注意这里并不是web服务器本身来做这件事，它只负责Http协议层面和一些诸如并发处理、安全、日志等相关的事情。应用程序可以用各种语言编写(Java，PHP，Python，Ruby)等，这个应用程序会从web服务器接收客户端的请求，处理完成后，再返回响应给web服务器，最后由web服务器返回给客户端。整个架构如下所示：

对于所有的web应用，本质上其实就是一个socket服务端，用户的浏览器其实就是一个socket客户端。

web框架(Framework)

框架，即framework，特指为解决一个开放性问题而设计的具有一定约束性的支撑结构，使用框架可以帮助我们快速开发特定的系统，简单的说，就是利用别人搭建好的舞台来做表演。以Python web框架Flask为例，框架本身并不限制我们使用哪种架构来组织我们的应用，不过其中一种比较经典的web框架Flask采用了MVC架构，可以很好地支持以MVC方式组织应用：

1.用户输入URL，客户端发送请求；
2.控制器(Controller)首先拿到请求；
3.然后用模型(Models)从数据库中取出所有需要的数据，进行必要的处理，将处理后的结果发送给视图(View)；
4.视图利用获取到的数据，进行渲染生成Html Response返回给客户端；

具体如下图所示：

还有一种同样热门且强大的web框架：Django，它的模式是MTV。Django的MTV模式本质是各组件之间为了保持松耦合关系，其MTV分别代表：

Model(模型)：负责业务对象与数据库的对象(ORM)；
Template(模板)：负责如何把页面呈现给客户；
View(视图)：负责业务逻辑，并在适当的时候调用Model和Template；

此外，Django还有一个URL分发器，它的作用是将一个个URL的页面请求分发给不同的view处理，view再调用相应的Model和Template。

Web服务器网关接口

我们知道Python有着许多的Web框架，而同时又有着许多的Web服务器(Apache，Nginx，Gunicorn等)，框架和Web服务器之间需要进行通信，如果在设计时它们之间不可以相互匹配，那么选择了一个框架就会限制对Web服务器的选择，同样选择了Web服务器也会限制对Web框架的选择，这显然是不合理的。

那么，怎样确保可以在不修改Web服务器代码或Web框架代码的前提下，使用自己选择的服务器，并且匹配多个不同的Web框架呢？答案是：接口，设计一套双方都遵守的接口就可以了。对Python来讲，就是WSGI(Web Server Gateway Interface，Web服务器网关接口)。其他编程语言也拥有类似的接口：例如Java的Serverlet API和Ruby的Rack。

Python WSGI的出现，让开发者可以将Web框架与Web服务器的选择分隔开来，不再相互限制。现在我们可以真正地将不同的Web服务器与Web框架进行混合搭配，选择满足自己需求的组合。例如，可以使用Gunicorn或Nginx/uWSGI来运行Django、Flask或web.py应用。

总结

Web Server包括：

提供Http服务的软件(Nginx)；
Web应用程序在这个层面有许多Web框架Django、Flask、Tornado等；
后端存储数据库Redis、MySQL等；

自定义Web框架

1.通过Python标准库提供的wsgiref模板开发一个自己的Web框架(Python3)：

from wsgiref.simple_server import make_server

def index():

    return [bytes("<h2>index</h2>", encoding="utf-8"), ]

def login():

    return [bytes("<h2>login</h2>", encoding="utf-8"), ]

def routers():

    urlpatterns = (

        ("/index/", index),

        ("/login/", login),

    )

    return urlpatterns

def run_server(environ, start_response):

    start_response("200 OK", [("Content-Type", "text/html")])

    url = environ["PATH_INFO"]

    urlpatterns = routers()

    func = None

    for item in urlpatterns:

        if item[0] == url:

            func = item[1]

            break

    if func:

        return func()

    else:

        return [bytes("<h1>404 not found</h1>", encoding="utf-8"), ]

if __name__ == "__main__":

    httpd = make_server("", 8000, run_server)

    print("Servering HTTP on port 8000....")

    httpd.serve_forever()

2.模板引擎

在上步中，对于所有的login、index均返回给用户浏览器要给简单的字符串，在现实的Web请求中一般会返回一个复杂的符合HTML规则的字符串，所以我们一般将要返回给用户的HTML写在指定文件中，然后再返回。如：

<!DOCTYPE html>         <!-- html文件声明开始 -->

<html lang="en">

<head>

    <meta charset="UTF-8">

    <title>Index</title>

</head>

<body>

    <!-- index.html -->

    <h1>Index</h1>

</body>

</html>

<!DOCTYPE html>

<html lang="en">

<head>

    <meta charset="UTF-8">

    <title>Login</title>

</head>

<body>

    <!-- login.html -->

    <form>

        <input type="text" />

        <input type="button" />

        <input type="submit" />

    </form>

</body>

</html>

根据模板，将框架代码进行如下修改：

from wsgiref.simple_server import make_server

def index():

    # return [bytes("<h2>index</h2>", encoding="utf-8"), ]

    index = open("index.html")

    data = index.read()

    return data

def login():

    # return [bytes("<h2>login</h2>", encoding="utf-8"), ]

    login = open("login.html")

    data = login.read()

    return data

def routers():

    urlpatterns = (

        ("/index/", index),

        ("/login/", login),

    )

    return urlpatterns

def run_server(environ, start_response):

    start_response("200 OK", [("Content-Type", "text/html")])

    url = environ["PATH_INFO"]

    urlpatterns = routers()

    func = None

    for item in urlpatterns:

        if item[0] == url:

            func = item[1]

            break

    if func:

        return func()

    else:

        return [bytes("<h1>404 not found</h1>", encoding="utf-8"), ]

if __name__ == "__main__":

    httpd = make_server("", 8000, run_server)

    print("Servering HTTP on port 8000....")

    httpd.serve_forever()

对于上述代码，虽然可以返回给用户HTML的内容以实现复杂的页面，但是还是存在问题：如何给用户动态内容？

自定义一套特殊的语法，进行替换；
使用开源工具Jinja2，遵循其指定语法；

<!DOCTYPE html>         <!-- html文件声明开始 -->

<html lang="en">

<head>

    <meta charset="UTF-8">

    <title>Title</title>

</head>

<body>

    <!-- 文件体 -->

    <h1>{{name}}</h1>

    <ul>

        {% for item in user_list %}

            <li>{{item}}</li>

        {% endfor %}

    </ul>

</body>

</html>

from wsgiref.simple_server import make_server

from jinja2 import Template

def index():

    # return [bytes("<h2>index</h2>", encoding="utf-8"), ]

    index = open("index.html")

    data = index.read()

    template = Template(data)

    resutlt = template.render(name="Bob Gates", user_list=["eric", "rose"])

    return resutlt.encode("utf-8")

def login():

    # return [bytes("<h2>login</h2>", encoding="utf-8"), ]

    login = open("login.html")

    data = login.read()

    return data

def routers():

    urlpatterns = (

        ("/index/", index),

        ("/login/", login),

    )

    return urlpatterns

def run_server(environ, start_response):

    start_response("200 OK", [("Content-Type", "text/html")])

    url = environ["PATH_INFO"]

    urlpatterns = routers()

    func = None

    for item in urlpatterns:

        if item[0] == url:

            func = item[1]

            break

    if func:

        return func()

    else:

        return [bytes("<h1>404 not found</h1>", encoding="utf-8"), ]

if __name__ == "__main__":

    httpd = make_server("", 8000, run_server)

    print("Servering HTTP on port 8000....")

    httpd.serve_forever()

遵循Jinja2的语法规则，其内部会对指定的语法进行相应的替换，从而达到动态的返回内容。