网关协议：CGI和WSGI

通常服务器程序分为web服务器和应用程序服务器。web服务器是用于处理HTML文件，让客户可以通过浏览器进行访问，主流的web服务器有Apache、IIS、Nginx、lighthttpd等。应用服务器处理业务逻辑，比如使用Python的Django、flask写的程序。通常来自客户端浏览器的请求被web服务器截获，如果是静态请求，则如Nginx会自己做处理，如果是动态请求，则会抛给后端应用服务器来处理。于是如何在web服务器与应用服务器之间进行通信成了主要问题，这就引出了以下三种处理的接口：CGI、FastCGI、WSGI。

CGI

通用网关接口(Comman Gateway Interface)描述了客户端和服务器程序之间传输数据的一种标准，可以让一个客户端，从网页浏览器向执行在网络服务器上的应用程序请求数据。CGI独立于任何语言，CGI程序可以是任何脚本语言或完全独立编程语言实现，只要这个语言可以在这个系统上运行。Unix shell、Python、Ruby、PHP、Perl、C/C++和VB都可以用来编写CGI程序。最初CGI是在1993年由美国国家超级电脑应用中心为NCSA HTTPd web服务器开发的。这个web服务器使用了Unix shell环境变量来保存从web服务器传递出去的参数，然后生成一个运行CGI的独立的进程。CGI的处理流程如下图所示：

• web服务器收到客户端(浏览器)的请求http request，启动CGI程序，并通过环境变量、标准输入传递数据；
• CGI进程启动解析器、加载配置(如业务相关配置)、连接其它服务器(如数据库服务器)、逻辑处理等；
• CGI进程将处理结果通过标准输出、标准错误，传递给web服务器；
• web服务器收到CGI返回的结果，构建http response返回给客户端，并杀死CGI进程，web服务器与CGI通过环境变量、标准输入、标准输出、标准错误传递数据；

CGI使外部程序与web服务器之间交互成为可能。CGI程序运行在独立的进程中，并对每个web请求建立一个进程，这种方法非常容易实现，但效率很差，难以扩展。面对大量请求，进程的大量建立和消亡使操作系统性能大大下降，此外，由于地址空间无法共享，业限制了资源重用。

FastCGI

快速通用网关接口(Fast Comman Gateway Interface)是通用网关接口(CGI)的改进，描述了客户端和服务器程序之间传输数据的一种标准。FastCGI致力于减少web服务器与CGI程序之间互动的开销，从而使服务器可以同时处理更多的web请求。与为买个请求创建一个新的进程不同，FastCGI使用持续的进程来处理一连串的请求。这些进程由FastCGI进程管理器管理，而不是web服务器。

当进来一个请求时，web服务器把环境变量和这个页面请求通过Unix domain socket(都位于同一物理服务器)或者一个IP socket(FastCGI部署在其他物理服务器)传递给FastCGI进程。

• web服务器启动时载入初始化FastCGI执行环境，例如IIS ISAPI，Apache mod_fastcgi、nginx_ngx_http_fastcgi_module、lighthttpd mode_fastcgi；
• FastCGI进程管理器自身初始化，启动多个CGI解释器进程并等待来自web服务器的连接。启动FastCGI进程时，可以配置ip socket或Unix domain socket两种启动方式；
• 当客户端请求到达web服务器时，web服务器将请求采用socket方式发到FastCGI主进程，FastCGI主进程选择并连接到一个CGI解释器。web服务器将CGI环境变量和标准输入发送到FastCGI子进程；
• FastCGI子进程完成处理后将标准输出和错误信息从同一socket连接返回web服务器。当FastCGI子进程关闭连接时，请求便处理完成；
• FastCGI子进程接着等待并处理来自web服务器的下一个连接；

由于FastCGI程序不需要不断地产生新进程，可以大大降低服务器的压力并且产生较高的应用效率。它的速度效率至少要比CGI技术提高5倍以上。它还支持分布式部署，即FastCGI程序可以在web服务器以外的主机上运行。
CGI就是所谓的短生存期应用程序，FastCGI就是所谓的长生存期应用程序。FastCGI像是一个常驻(long-live)型的CGI，它可以一直执行着，不会每次都要花费时间去fork(这是CGI最为人诟病的fork-and-execute模式)。

WSGI

web服务器网关接口(Python Web Server Gateway Interface)是为Python语言定制的web服务器和web应用程序或框架之间的一种简单通用的接口。自从WSGI被开发出来之后，许多其他语言中也出现了类似接口。WSGI是作为web服务器与web应用程序或应用框架之间的一种低级别的接口，以提升可移植web应用开发的共同点。WSGI是基于现存的CGI标准而设计的。
WSGI分为两个部分：一为"服务器"或"网关"，另一为"应用程序"或"应用框架"。在处理一个WSGI请求时，服务器会为应用程序提供环境资讯及一个回调函数(callback function)。当应用程序完成处理请求后，透过前述的回调函数，将结果回传给服务器。所谓的WSGI中间件同时实现了API的两方，因此可以在WSGI服务和WSGI应用之间起调解作用：从WSGI服务器的角度来说，中间件扮演应用程序，而从应用程序角度来说，中间件扮演服务器。"中间件"组件可以执行以下功能：

• 重写环境变量，根据目标URL，将请求消息路由到不同的应用对象；
• 允许在一个进程中同时运行多个应用程序或应用框架；
• 负载均衡和远程处理，通过在网络上转发请求和响应消息；
• 进行内容后处理，例如应用XSLT样式表；

以前，如何选择合适的web应用程序框架成为困扰Python初学者的一个问题，这是因为，一般而言，web应用框架的选择将限制可用的web服务器的选择，反之亦然。那时的Python应用程序通常为CGI、FastCGI、mod_python中的一个设计，甚至是为特定web服务器的自定义的API接口而设计的。WSGI没有官方的实现，因为WSGI更像一个协议。只要遵循这些协议，WSGI应用(application)都可以在任何服务器(server)上运行，反之亦然。WSGI就是Python的CGI包装，相对于FastCGI是PHP的CGI包装。
WSGI将web组件分为三类：web服务器、web中间件、web应用程序，WSGI基本处理模式为：

1、wsgi server/gateway
wsgi server可以理解为一个符合WSGI规范的web server，接收request请求，封装一系列环境变量，按照wsgi规范调用注册的wsgi app，最后将response返回给客户端。文字很难理解清楚wsgi server到底是什么东西，以及做些什么事情，最直观的方式还是看wsgi server的实现代码。以Python自带的wsgiref为例，wsgiref是按照wsgi规范实现的一个简单wsgi server。

• 服务器创建socket，监听端口，等待客户端连接；
• 当有请求来时，服务器解析客户端信息放到环境变量environ中，并调用绑定的handler来处理请求；
• handler解析这个http请求，将请求信息如method、path等放到environ中；
• wsgi handler再将一些服务器信息也放到environ中，最后服务器信息，客户端信息，本次请求信息全部都保存到了环境变量environ中；
• wsgi handler调用注册的wsgi app，并将environ和回调函数传给wsgi app；
• wsgi app将response header/status/body回传给wsgi handler；
• 最终handler还是通过socket将response信息返回给客户端；

2、wsgi application
wsgi application就是一个普通的callback对象，当有请求到来时，wsgi server会调用这个wsgi app。这个对象接收两个参数，通常为environ，start_response。environ就是前面介绍的，可以理解为环境变量，跟一次请求相关的所有信息都保存在了这个环境变量中，包括服务器信息，客户端信息，请求信息。start_response是一个callback函数，wsgi application通过start_response，将response header/status返回给wsgi server。此外这个wsgi app会返回一个迭代器对象，这个迭代器对象就是response body。

3、wsgi middleware
有些功能可能介于服务器程序和应用程序之间，例如，服务器拿到了客户端请求的URL，不同的URL需要交由不同的函数处理，这个功能叫URL路由，这个功能就可以放在二者中间实现，这个中间层就是middleware。middleware对服务器程序和应用都是透明的，也就是说，服务器程序以为它就是应用程序，而应用程序以为它就是服务器。这就告诉我们，middleware需要把自己伪装成一个服务器，接收应用程序，调用它，同时middleware还需要把自己伪装成一个应用程序，传给服务器程序。其实无论是服务器程序，middleware还是应用程序，都在服务端，为客户提供服务，之所以把它们抽象成不同层，就是为了控制复杂度，使得每一次都不太复杂，各司其职。

uwsgi

uwsgi旨在为部署分布式集群的网络应用开发一套完整的解决方案。uwsgi主要面向web及其标准服务，已经成功的应用于多种不同的语言。由于uwsgi的可扩展架构，它能够被无限制的扩展用来支持更多的平台和语言。目前可以使用C，C++和Object-C来编写插件。项目名称中的wsgi是为了向同名的Python web标准表示感谢，因为wsgi为该项目开发了第一个插件。uwsgi是一个web服务器，它实现了wsgi协议、uwsgi协议、http等协议。uwsgi既不用wsgi协议也不用FastCGI协议，而是自创了一个uwsgi协议，uwsgi协议是一个uWSGI服务器自由的协议，它用于定义传输信息的类型，每一个uwsgi packet前4字节为传输信息类型描述，它与WSGI相比是两样东西，据说该协议大约是fcgi协议的10倍快。uWSGI主要特点如下：

• 超快的性能；
• 低内存占用(实测为Apache2的mod_wsgi的一半左右)；
• 多app管理；
• 详尽的日志功能(可以用来分析app性能和瓶颈)；
• 高度可定制(内存大小限制，服务一定次数后重启等)；