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自己动手开发一个 Web 服务器(二)

2016-1-2 10:00    收藏: 8    

在《自己动手开发一个 Web 服务器(一)》中,我给大家留了一个问题:如何在不对服务器代码作任何修改的情况下,通过该服务器运行Djando应用、Flask应用和Pyramid应用,同时满足这些不同网络框架的要求?读完这篇文章,你就可以回答这个问题了。

以前,你选择的Python网络框架将会限制所能够使用的 Web 服务器,反之亦然。如果框架和服务器在设计时就是可以相互匹配的,那你就不会面临这个问题:

服务器与框架是否匹配

但是如果你试图将设计不相匹配的服务器与框架相结合,那么你肯定就会碰到下面这张图所展示的这个问题:

服务器与框架之间冲突

这就意味着,你基本上只能使用能够正常运行的服务器与框架组合,而不能选择你希望使用的服务器或框架。

那么,你怎样确保可以在不修改 Web 服务器代码或网络框架代码的前提下,使用自己选择的服务器,并且匹配多个不同的网络框架呢?为了解决这个问题,就出现了Python Web 服务器网关接口Web Server Gateway Interface,WSGI

WSGI接口

WSGI的出现,让开发者可以将网络框架与 Web 服务器的选择分隔开来,不再相互限制。现在,你可以真正地将不同的 Web 服务器与网络开发框架进行混合搭配,选择满足自己需求的组合。例如,你可以使用Gunicorn或Nginx/uWSGI或Waitress服务器来运行Django、Flask或Pyramid应用。正是由于服务器和框架均支持WSGI,才真正得以实现二者之间的自由混合搭配。

所以,WSGI就是我在上一篇文章中所留问题的答案。你的 Web 服务器必须实现一个服务器端的WSGI接口,而目前所有现代Python网络框架都已经实现了框架端的WSGI接口,这样开发者不需要修改服务器的代码,就可以支持某个网络框架。

Web 服务器和网络框架支持WSGI协议,不仅让应用开发者选择符合自己需求的组合,同时也有利于服务器和框架的开发者,因为他们可以将注意力集中在自己擅长的领域,而不是相互倾轧。其他编程语言也拥有类似的接口:例如Java的Servlet API和Ruby的Rack。

口说无凭,我猜你肯定在想:“无代码无真相!”既然如此,我就在这里给出一个非常简单的WSGI服务器实现:

# Tested with Python 2.7.9, Linux & Mac OS X
import socket
import StringIO
import sys


class WSGIServer(object):

    address_family = socket.AF_INET
    socket_type = socket.SOCK_STREAM
    request_queue_size = 1

    def __init__(self, server_address):
        # Create a listening socket
        self.listen_socket = listen_socket = socket.socket(
            self.address_family,
            self.socket_type
        )
        # Allow to reuse the same address
        listen_socket.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)
        # Bind
        listen_socket.bind(server_address)
        # Activate
        listen_socket.listen(self.request_queue_size)
        # Get server host name and port
        host, port = self.listen_socket.getsockname()[:2]
        self.server_name = socket.getfqdn(host)
        self.server_port = port
        # Return headers set by Web framework/Web application
        self.headers_set = []

    def set_app(self, application):
        self.application = application

    def serve_forever(self):
        listen_socket = self.listen_socket
        while True:
            # New client connection
            self.client_connection, client_address = listen_socket.accept()
            # Handle one request and close the client connection. Then
            # loop over to wait for another client connection
            self.handle_one_request()

    def handle_one_request(self):
        self.request_data = request_data = self.client_connection.recv(1024)
        # Print formatted request data a la 'curl -v'
        print(''.join(
            '< {line}\n'.format(line=line)
            for line in request_data.splitlines()
        ))

        self.parse_request(request_data)

        # Construct environment dictionary using request data
        env = self.get_environ()

        # It's time to call our application callable and get
        # back a result that will become HTTP response body
        result = self.application(env, self.start_response)

        # Construct a response and send it back to the client
        self.finish_response(result)

    def parse_request(self, text):
        request_line = text.splitlines()[0]
        request_line = request_line.rstrip('\r\n')
        # Break down the request line into components
        (self.request_method,  # GET
         self.path,            # /hello
         self.request_version  # HTTP/1.1
         ) = request_line.split()

    def get_environ(self):
        env = {}
        # The following code snippet does not follow PEP8 conventions
        # but it's formatted the way it is for demonstration purposes
        # to emphasize the required variables and their values
        #
        # Required WSGI variables
        env['wsgi.version']      = (1, 0)
        env['wsgi.url_scheme']   = 'http'
        env['wsgi.input']        = StringIO.StringIO(self.request_data)
        env['wsgi.errors']       = sys.stderr
        env['wsgi.multithread']  = False
        env['wsgi.multiprocess'] = False
        env['wsgi.run_once']     = False
        # Required CGI variables
        env['REQUEST_METHOD']    = self.request_method    # GET
        env['PATH_INFO']         = self.path              # /hello
        env['SERVER_NAME']       = self.server_name       # localhost
        env['SERVER_PORT']       = str(self.server_port)  # 8888
        return env

    def start_response(self, status, response_headers, exc_info=None):
        # Add necessary server headers
        server_headers = [
            ('Date', 'Tue, 31 Mar 2015 12:54:48 GMT'),
            ('Server', 'WSGIServer 0.2'),
        ]
        self.headers_set = [status, response_headers + server_headers]
        # To adhere to WSGI specification the start_response must return
        # a 'write' callable. We simplicity's sake we'll ignore that detail
        # for now.
        # return self.finish_response

    def finish_response(self, result):
        try:
            status, response_headers = self.headers_set
            response = 'HTTP/1.1 {status}\r\n'.format(status=status)
            for header in response_headers:
                response += '{0}: {1}\r\n'.format(*header)
            response += '\r\n'
            for data in result:
                response += data
            # Print formatted response data a la 'curl -v'
            print(''.join(
                '> {line}\n'.format(line=line)
                for line in response.splitlines()
            ))
            self.client_connection.sendall(response)
        finally:
            self.client_connection.close()


SERVER_ADDRESS = (HOST, PORT) = '', 8888


def make_server(server_address, application):
    server = WSGIServer(server_address)
    server.set_app(application)
    return server


if __name__ == '__main__':
    if len(sys.argv) < 2:
        sys.exit('Provide a WSGI application object as module:callable')
    app_path = sys.argv[1]
    module, application = app_path.split(':')
    module = __import__(module)
    application = getattr(module, application)
    httpd = make_server(SERVER_ADDRESS, application)
    print('WSGIServer: Serving HTTP on port {port} ...\n'.format(port=PORT))
    httpd.serve_forever()

上面的代码比第一部分的服务器实现代码要长的多,但是这些代码实际也不算太长,只有不到150行,大家理解起来并不会太困难。上面这个服务器的功能也更多——它可以运行你使用自己喜欢的框架所写出来的网络应用,无论你选择Pyramid、Flask、Django或是其他支持WSGI协议的框架。

你不信?你可以自己测试一下,看看结果如何。将上述代码保存为webserver2.py,或者直接从我的Github仓库下载。如果你运行该文件时没有提供任何参数,那么程序就会报错并退出。

$ python webserver2.py
Provide a WSGI application object as module:callable

上述程序设计的目的,就是运行你开发的网络应用,但是你还需要满足一些它的要求。要运行服务器,你只需要安装Python即可。但是要运行使用Pyramid、Flask和Django等框架开发的网络应用,你还需要先安装这些框架。我们接下来安装这三种框架。我倾向于使用virtualenv安装。请按照下面的提示创建并激活一个虚拟环境,然后安装这三个网络框架。

$ [sudo] pip install virtualenv
$ mkdir ~/envs
$ virtualenv ~/envs/lsbaws/
$ cd ~/envs/lsbaws/
$ ls
bin  include  lib
$ source bin/activate
(lsbaws) $ pip install pyramid
(lsbaws) $ pip install flask
(lsbaws) $ pip install django

接下来,你需要创建一个网络应用。我们首先创建Pyramid应用。将下面的代码保存为pyramidapp.py文件,放至webserver2.py所在的文件夹中,或者直接从我的Github仓库下载该文件:

from pyramid.config import Configurator
from pyramid.response import Response


def hello_world(request):
    return Response(
        'Hello world from Pyramid!\n',
        content_type='text/plain',
    )

config = Configurator()
config.add_route('hello', '/hello')
config.add_view(hello_world, route_name='hello')
app = config.make_wsgi_app()

现在,你可以通过自己开发的 Web 服务器来启动上面的Pyramid应用。

(lsbaws) $ python webserver2.py pyramidapp:app
WSGIServer: Serving HTTP on port 8888 ...

在运行webserver2.py时,你告诉自己的服务器去加载pyramidapp模块中的app可调用对象(callable)。你的服务器现在可以接收HTTP请求,并将请求中转至你的Pyramid应用。应用目前只能处理一个路由(route):/hello。在浏览器的地址栏输入http://localhost:8888/hello,按下回车键,观察会出现什么情况:

Pyramid应用运行情况

你还可以在命令行使用curl命令,来测试服务器运行情况:

$ curl -v http://localhost:8888/hello
...

接下来我们创建Flask应用。重复上面的步骤。

from flask import Flask
from flask import Response
flask_app = Flask('flaskapp')


@flask_app.route('/hello')
def hello_world():
    return Response(
        'Hello world from Flask!\n',
        mimetype='text/plain'
    )

app = flask_app.wsgi_app

将上面的代码保存为flaskapp.py,或者直接从我的Github仓库下载文件,并运行:

(lsbaws) $ python webserver2.py flaskapp:app
WSGIServer: Serving HTTP on port 8888 ...

然后在浏览器地址栏输入http://localhost:8888/hello,并按下回车:

Flask应用运行情况

同样,在命令行使用curl命令,看看服务器是否会返回Flask应用生成的信息:

$ curl -v http://localhost:8888/hello
...

这个服务器是不是也能支持Django应用?试一试就知道了!不过接下来的操作更为复杂一些,我建议大家克隆整个仓库,并使用其中的djangoapp.py文件。下面的代码将一个名叫helloworld的Django应用添加至当前的Python路径中,然后导入了该项目的WSGI应用。

import sys
sys.path.insert(0, './helloworld')
from helloworld import wsgi


app = wsgi.application

将上面的代码保存为djangoapp.py,并使用你开发的服务器运行这个Django应用。

(lsbaws) $ python webserver2.py djangoapp:app
WSGIServer: Serving HTTP on port 8888 ...

同样,在浏览器中输入http://localhost:8888/hello,并按下回车键:

Django应用的运行情况

接下来,和前面几次一样,你通过命令行使用curl命令进行测试,确认了这个Djando应用成功处理了你发出的请求:

$ curl -v http://localhost:8888/hello
...

你有没有按照上面的步骤测试?你做到了让服务器支持全部三种框架吗?如果没有,请尽量自己动手操作。阅读代码很重要,但这系列文章的目的在于重新开发,而这意味着你需要自己亲自动手。最好是你自己重新输入所有的代码,并确保代码运行结果符合预期。

经过上面的介绍,你应该已经认识到了WSGI的强大之处:它可以让你自由混合搭配 Web 服务器和框架。WSGI为Python Web 服务器与Python网络框架之间的交互提供了一个极简的接口,而且非常容易在服务器端和框架端实现。下面的代码段分别展示了服务器端和框架端的WSGI接口:

def run_application(application):
    """Server code."""
    # This is where an application/framework stores
    # an HTTP status and HTTP response headers for the server
    # to transmit to the client
    headers_set = []
    # Environment dictionary with WSGI/CGI variables
    environ = {}

    def start_response(status, response_headers, exc_info=None):
        headers_set[:] = [status, response_headers]

    # Server invokes the ‘application' callable and gets back the
    # response body
    result = application(environ, start_response)
    # Server builds an HTTP response and transmits it to the client
    …

def app(environ, start_response):
    """A barebones WSGI app."""
    start_response('200 OK', [('Content-Type', 'text/plain')])
    return ['Hello world!']

run_application(app)

下面给大家解释一下上述代码的工作原理:

  1. 网络框架提供一个命名为application的可调用对象(WSGI协议并没有指定如何实现这个对象)。
  2. 服务器每次从HTTP客户端接收请求之后,调用application。它会向可调用对象传递一个名叫environ的字典作为参数,其中包含了WSGI/CGI的诸多变量,以及一个名为start_response的可调用对象。
  3. 框架/应用生成HTTP状态码以及HTTP响应报头response headers,然后将二者传递至start_response,等待服务器保存。此外,框架/应用还将返回响应的正文。
  4. 服务器将状态码、响应报头和响应正文组合成HTTP响应,并返回给客户端(这一步并不属于WSGI协议)。

下面这张图直观地说明了WSGI接口的情况:

WSGI接口

有一点要提醒大家,当你使用上述框架开发网络应用的时候,你处理的是更高层级的逻辑,并不会直接处理WSGI协议相关的要求,但是我很清楚,既然你正在看这篇文章,你一定对框架端的WSGI接口很感兴趣。所以,我们接下来在不使用Pyramid、Flask或Djando框架的前提下,自己开发一个极简的WSGI网络应用/网络框架,并使用WSGI服务器运行该应用:

def app(environ, start_response):
    """A barebones WSGI application.

    This is a starting point for your own Web framework :)
    """
    status = '200 OK'
    response_headers = [('Content-Type', 'text/plain')]
    start_response(status, response_headers)
    return ['Hello world from a simple WSGI application!\n']

将上述代码保存为wsgiapp.py文件,或者直接从我的Github仓库下载,然后利用 Web 服务器运行该应用:

(lsbaws) $ python webserver2.py wsgiapp:app
WSGIServer: Serving HTTP on port 8888 ...

在浏览器中输入下图中的地址,然后按回车键。结果应该是这样的:

简单的WSGI应用

你刚刚自己编写了一个极简的WSGI网络框架!太不可思议了。

接下来,我们重新分析服务器返回给客户端的对象。下面这张图展示的是你通过HTTP客户端调用Pyramid应用后,服务器生成的HTTP响应:

HTTP响应对象

上图中的响应与你在第一篇中看到的有些类似,但是也有明显不同之处。举个例子,其中就出现了你之前没有看到过的4个HTTP报头:Content-Type,Content-Length,Date和Server。这些事 Web 服务器返回的响应对象通常都会包含的报头。不过,这四个都不是必须的。报头的目的是传递有关HTTP请求/响应的额外信息。

既然你已经对WSGI接口有了更深的理解,下面这张图对响应对象的内容进行了更详细的解释,说明了每条内容是如何产生的。

HTTP响应对象2

到目前为止,我还没有介绍过environ字典的具体内容,但简单来说,它是一个必须包含着WSGI协议所指定的某些WSGI和CGI变量。服务器从HTTP请求中获取字典所需的值。下面这张图展示的是字典的详细内容:

Environ字典的详细内容

网络框架通过该字典提供的信息,根据指定的路由和请求方法等参数来决定使用哪个视图views,从哪里读取请求正文,以及如何输出错误信息。

截至目前,你已经成功创建了自己的支持WSGI协议的 Web 服务器,还利用不同的网络框架开发了多个网络应用。另外,你还自己开发了一个极简的网络框架。本文介绍的内容不可谓不丰富。我们接下来回顾一下WSGI Web 服务器如何处理HTTP请求:

  • 首先,服务器启动并加载网络框架/应用提供的application可调用对象
  • 然后,服务器读取一个请求信息
  • 然后,服务器对请求进行解析
  • 然后,服务器使用请求数据创建一个名叫environ的字典
  • 然后,服务器以environ字典和start_response可调用对象作为参数,调用application,并获得应用生成的响应正文。
  • 然后,服务器根据调用application对象后返回的数据,以及start_response设置的状态码和响应标头,构建一个HTTP响应。
  • 最后,服务器将HTTP响应返回至客户端。

服务器工作原理梳理

以上就是第二部分的所有内容。你现在已经拥有了一个正常运行的WSGI服务器,可以支持通过遵守WSGI协议的网络框架所写的网络应用。最棒的是,这个服务器可以不需要作任何代码修改,就可以与多个网络框架配合使用。

最后,我再给大家留一道思考题:怎样让服务器一次处理多个请求?

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