從零開始搭建論壇（一）：Web服務(wù)器與Web框架
【引自selfboot的博客】之前用 Django 做過一個(gè)小的站點(diǎn)，感覺Django太過笨重，于是就準(zhǔn)備換一個(gè)比較輕量級(jí)的 Web 框架來玩玩。Web.py 作者已經(jīng)掛掉，項(xiàng)目好久沒有更新，所以不準(zhǔn)備用它。而 Flask 也是一個(gè)成熟的輕量級(jí) Web 框架，在 github 上有眾多的 Star 和 Fork，文檔和擴(kuò)展也很豐富，值得學(xué)習(xí)。
學(xué)習(xí)一個(gè)框架最好的方式就是用框架做一個(gè)項(xiàng)目，在實(shí)戰(zhàn)中理解掌握框架。這里我用 Flask 框架，使用 Mysql 數(shù)據(jù)庫(kù)做了一個(gè)論壇系統(tǒng)。麻雀雖小，五臟俱全，論壇效果圖如下：
論壇系統(tǒng)截圖
下面是論壇的基本功能：
- 完整的用戶模塊(注冊(cè)、登錄，更改、找回密碼、信息修改、站內(nèi)消息通知);
- 豐富的論壇模塊(創(chuàng)建、回復(fù)話題，站內(nèi)搜索，markdown支持，@user 提醒);
- 強(qiáng)大的后臺(tái)管理，支持屏蔽用戶、話題、評(píng)論，支持各種條件搜索話題、評(píng)論;
本博客將會(huì)用一系列文章，記錄論壇系統(tǒng)搭建的過程，希望對(duì)剛?cè)腴TWeb開發(fā)的同學(xué)有所幫助。
我們經(jīng)常聽說 Django, Flask 這些 python 語(yǔ)言的Web 框架，那么框架到底是什么，Web框架和Web服務(wù)器(Nginx, Apache等)有什么區(qū)別?離開框架還能用 Python 搭建Web站點(diǎn)嗎?要解決這些疑問，我們有必要來理解下 Web 服務(wù)器的工作原理，以及 Web 框架的本質(zhì)。
Web 服務(wù)器
當(dāng)我們?cè)跒g覽器輸入U(xiǎn)RL后，瀏覽器會(huì)先請(qǐng)求DNS服務(wù)器，獲得請(qǐng)求站點(diǎn)的 IP 地址。然后發(fā)送一個(gè)HTTP Request(請(qǐng)求)給擁有該 IP 的主機(jī)，接著就會(huì)接收到服務(wù)器給我們的 HTTP Response(響應(yīng))，瀏覽器經(jīng)過渲染后，以一種較好的效果呈現(xiàn)給我們。這個(gè)過程中，正是Web服務(wù)器在幕后默默做貢獻(xiàn)。
簡(jiǎn)單來說，Web服務(wù)器是在運(yùn)行在物理服務(wù)器上的一個(gè)程序，它永久地等待客戶端(主要是瀏覽器，比如Chrome，F(xiàn)irefox等)發(fā)送請(qǐng)求。當(dāng)收到請(qǐng)求之后，它會(huì)生成相應(yīng)的響應(yīng)并將其返回至客戶端。Web服務(wù)器通過HTTP協(xié)議與客戶端通信，因此也被稱為HTTP服務(wù)器。
Web 服務(wù)器
Web服務(wù)器的工作原理并不復(fù)雜，一般可分成如下4個(gè)步驟：建立連接、請(qǐng)求過程、應(yīng)答過程以及關(guān)閉連接。
- 建立連接：客戶機(jī)通過TCP/IP協(xié)議建立到服務(wù)器的TCP連接。
- 請(qǐng)求過程：客戶端向服務(wù)器發(fā)送HTTP協(xié)議請(qǐng)求包，請(qǐng)求服務(wù)器里的資源文檔。
- 應(yīng)答過程：服務(wù)器向客戶機(jī)發(fā)送HTTP協(xié)議應(yīng)答包，如果請(qǐng)求的資源包含有動(dòng)態(tài)語(yǔ)言的內(nèi)容，那么服務(wù)器會(huì)調(diào)用動(dòng)態(tài)語(yǔ)言的解釋引擎負(fù)責(zé)處理“動(dòng)態(tài)內(nèi)容”，并將處理得到的數(shù)據(jù)返回給客戶端。由客戶端解釋HTML文檔，在客戶端屏幕上渲染圖形結(jié)果。
- 關(guān)閉連接：客戶機(jī)與服務(wù)器斷開。
下面我們實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的 Web 服務(wù)器。運(yùn)行示例程序后，會(huì)監(jiān)聽本地端口 8000，在瀏覽器訪問 http://localhost:8000 就能看到響應(yīng)內(nèi)容。而我們的程序也能夠打印出客戶端發(fā)來的請(qǐng)求內(nèi)容，如下圖：
簡(jiǎn)單Web服務(wù)器
這里Request 和 Response 都需要遵守 HTTP 協(xié)議，關(guān)于 HTTP 協(xié)議的詳細(xì)內(nèi)容，可以讀讀《HTTP 權(quán)威指南》，或者看我整理的HTTP 部分內(nèi)容。
雖然說web服務(wù)器的主要工作是根據(jù)request返回response，但是實(shí)際中的 Web 服務(wù)器遠(yuǎn)遠(yuǎn)比上面示例的復(fù)雜的多，因?yàn)橐紤]的因素實(shí)在是太多了，比如：
- 緩存機(jī)制：講一些經(jīng)常被訪問的頁(yè)面緩存起來，提高響應(yīng)速度;
- 安全：防止黑客的各種攻擊，比如 SYN Flood 攻擊;
- 并發(fā)處理：如何響應(yīng)不同客戶端同時(shí)發(fā)起的請(qǐng)求;
- 日志：記錄訪問日至，方便做一些分析。
目前在UNIX和LINUX平臺(tái)下使用最廣泛的免費(fèi) Web 服務(wù)器有Apache和 Nginx 。
Web 應(yīng)用程序
Web 服務(wù)器接受 Http Request，返回 Response，很多時(shí)候 Response 并不是靜態(tài)文件，因此需要有一個(gè)應(yīng)用程序根據(jù) Request 生成相應(yīng)的 Response。這里的應(yīng)用程序主要用來處理相關(guān)業(yè)務(wù)邏輯，讀取或者更新數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)不同 Request 返回相應(yīng)的 Response。注意這里并不是 Web 服務(wù)器本身來做這件事，它只負(fù)責(zé) Http 協(xié)議層面和一些諸如并發(fā)處理，安全，日志等相關(guān)的事情。
應(yīng)用程序可以用各種語(yǔ)言編寫(Java, PHP, Python, Ruby等)，這個(gè)應(yīng)用程序會(huì)從Web服務(wù)器接收客戶端的請(qǐng)求，處理完成后，再返回響應(yīng)給Web服務(wù)器，最后由Web服務(wù)器返回給客戶端。整個(gè)架構(gòu)如下：
Web應(yīng)用程序
以 Python 為例，使用Python開發(fā)Web，最原始和直接的辦法是使用CGI標(biāo)準(zhǔn)，在1998年這種方式很流行。首先確保 Web 服務(wù)器支持CGI及已經(jīng)配置了CGI的處理程序，然后設(shè)置好CGI目錄，在目錄里面添加相應(yīng)的 python 文件，每一個(gè) python 文件處理相應(yīng)輸入，生成一個(gè) html 文件即可，如下例：
- # !/usr/bin/python
- # -*- coding: UTF-8 -*-
- print "Content-type:text/html"
- print # 空行，告訴服務(wù)器結(jié)束頭部
- print '<html>'
- print '<head>'
- print '<meta charset="utf-8">'
- print '</head>'
- print '<body>'
- print '<h2>Hello Word! 我是一個(gè)CGI程序</h2>'
- print '</body>'
- print '</html>'
這樣在瀏覽器訪問該文件就可以得到一個(gè)簡(jiǎn)單的 Hello World 網(wǎng)頁(yè)內(nèi)容。直接通過 CGI 寫 Web 應(yīng)用程序看起來很簡(jiǎn)單，每一個(gè)文件處理輸入，生成html。但是實(shí)際開發(fā)中，可能會(huì)遇到許多不方便的地方。比如：
- 每個(gè)獨(dú)立的CGI腳本可能會(huì)重復(fù)寫數(shù)據(jù)庫(kù)連接，關(guān)閉的代碼;
- 后端開發(fā)者會(huì)看到一堆 Content-Type 等和自己無關(guān)的 html 頁(yè)面元素;
Web 框架
早期開發(fā)站點(diǎn)確做了許多重復(fù)性勞動(dòng)，后來為了減少重復(fù)，避免寫出龐雜，混亂的代碼，人們將 Web 開發(fā)的關(guān)鍵性過程提取出來，開發(fā)出了各種 Web 框架。有了框架，就可以專注于編寫清晰、易維護(hù)的代碼，無需關(guān)心數(shù)據(jù)庫(kù)連接之類的重復(fù)性工作。
其中一種比較經(jīng)典的Web框架采用了 MVC 架構(gòu)，如下圖所示：
MVC 架構(gòu)
用戶輸入 URL，客戶端發(fā)送請(qǐng)求，控制器(Controller)首先會(huì)拿到請(qǐng)求，然后用模型(Models)從數(shù)據(jù)庫(kù)取出所有需要的數(shù)據(jù)，進(jìn)行必要的處理，將處理后的結(jié)果發(fā)送給 視圖(View)，視圖利用獲取到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行渲染生成 Html Response返回給客戶端。
以 python web 框架 flask 為例，框架本身并不限定我們用哪種架構(gòu)來組織我們的應(yīng)用，不過 flask 可以很好地支持以 MVC 方式組織應(yīng)用。
控制器：flask 可以用裝飾器來添加路由項(xiàng)，如下：
- @app.route('/')
- def main_page():
- pass
模型：主要用來取出需要的數(shù)據(jù)，如下面函數(shù)中操作：
- @app.route('/')
- def main_page():
- """Searches the database for entries, then displays them."""
- db = get_db()
- cur = db.execute('select * from entries order by id desc')
- entries = cur.fetchall()
- return render_template('index.html', entries=entries)
視圖：flask 利用 jinja2 來渲染頁(yè)面，下面的模版文件指定了頁(yè)面的樣式：
- {% for entry in entries %}
- <li>
- <h2>{{ entry.title }}</h2>
- <div>{{ entry.text|safe }}</div>
- </li>
- {% else %}
- <li><em>No entries yet. Add some!</em></li>
- {% endfor %}
Web 服務(wù)器網(wǎng)關(guān)接口
我們知道Python有著許多的 Web 框架，而同時(shí)又有著許多的 Web 服務(wù)器(Apache, Nginx, Gunicorn等)，框架和Web服務(wù)器之間需要進(jìn)行通信，如果在設(shè)計(jì)時(shí)它們之間不可以相互匹配的，那么選擇了一個(gè)框架就會(huì)限制對(duì) Web 服務(wù)器的選擇，這顯然是不合理的。
那么，怎樣確保可以在不修改Web服務(wù)器代碼或網(wǎng)絡(luò)框架代碼的前提下，使用自己選擇的服務(wù)器，并且匹配多個(gè)不同的網(wǎng)絡(luò)框架呢?答案是接口，設(shè)計(jì)一套雙方都遵守的接口就可以了。對(duì)python來說，就是WSGI(Web Server Gateway Interface，Web服務(wù)器網(wǎng)關(guān)接口)。其他編程語(yǔ)言也擁有類似的接口：例如Java的Servlet API和Ruby的Rack。
Python WSGI的出現(xiàn)，讓開發(fā)者可以將 Web 框架與 Web 服務(wù)器的選擇分隔開來，不再相互限制。現(xiàn)在，你可以真正地將不同的 Web 服務(wù)器與Web框架進(jìn)行混合搭配，選擇滿足自己需求的組合。例如，可以使用 Gunicorn 或Nginx/uWSGI來運(yùn)行Django、Flask或web.py應(yīng)用。
WSGI 適配
下一篇我們將會(huì)仔細(xì)分析 WSGI 接口標(biāo)準(zhǔn)，然后一起來寫一個(gè)簡(jiǎn)單的 WSGI Web 服務(wù)器。
