web框架本质--学Django、flask、tornado框架前必读

小咪咪 2021-12-15 03:47 261阅读 0赞

### Web框架本质 ###

众所周知，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。

上述通过socket来实现了其本质，而对于真实开发中的python web程序来说，一般会分为两部分：服务器程序和应用程序。服务器程序负责对socket服务器进行封装，并在请求到来时，对请求的各种数据进行整理。应用程序则负责具体的逻辑处理。为了方便应用程序的开发，就出现了众多的Web框架，例如：Django、Flask、web.py 等。不同的框架有不同的开发方式，但是无论如何，开发出的应用程序都要和服务器程序配合，才能为用户提供服务。这样，服务器程序就需要为不同的框架提供不同的支持。这样混乱的局面无论对于服务器还是框架，都是不好的。对服务器来说，需要支持各种不同框架，对框架来说，只有支持它的服务器才能被开发出的应用使用。这时候，标准化就变得尤为重要。我们可以设立一个标准，只要服务器程序支持这个标准，框架也支持这个标准，那么他们就可以配合使用。一旦标准确定，双方各自实现。这样，服务器可以支持更多支持标准的框架，框架也可以使用更多支持标准的服务器。

## 什么是 Web 服务器 ##

平时我们都是通过浏览器（比如Chrome，Firefox等）上网的，当我们在浏览器的地址栏里输入地址后，会得到一个网页。

这个网页就是 web 服务器返回给我们的，而浏览器就称为客户端，当我们输入网址并按下回车后，就像web服务器发送了一个web请求。

这种模式成为 B/S 模式 ,即  Browse / Server  模式

1.  建立连接：客户机通过TCP/IP协议建立到服务器的TCP连接。
2.  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文档。
3.  应答过程：服务器向客户机发送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。
4.  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，可以读读《HTTP 权威指南》

但是实际中的 Web 服务器远远比上面示例的复杂的多，因为要考虑的因素实在是太多了，比如：

*  缓存机制：讲一些经常被访问的页面缓存起来，提高响应速度；
 *  安全：防止黑客的各种攻击，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：记录访问日至，方便做一些分析。

目前在UNIX和LINUX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遵守 HTTP 协议的。

所以可以称他们为HTTP服务器，只是可以通过HTTP协议语言的解析转换。

## 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，使用框架可以帮你快速开发特定的系统，简单地说，就是你用别人搭建好的舞台来做表演。

1、以 python web 框架** flask** 为例，框架本身并不限定我们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 MCV 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）`首先会拿到请求
3.     然后用`模型（Models）`从数据库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。

2、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,Django的MTV分别代表：

1.         Model(模型)：负责业务对象与数据库的对象(ORM)
2.         Template(模版)：负责如何把页面展示给用户
3.         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

## 第一个Web框架 ##

###     半成品自定义Web框架 ###

import socket
     
    sk = socket.socket()
    sk.bind(("127.0.0.1", 80))
    sk.listen()
     
     
    while True:
        conn, addr = sk.accept()
        data = conn.recv(8096)
        conn.send(b"OK")
        conn.close()

可以说Web服务本质上都是在这十几行代码基础上扩展出来的。这段代码就是它们的祖宗。

用户的浏览器一输入网址，会给服务端发送数据，那浏览器会发送什么数据？怎么发？这个谁来定？ 你这个网站是这个规定，他那个网站按照他那个规定，这互联网还能玩么？

所以，必须有一个统一的规则，让大家发送消息、接收消息的时候有个格式依据，不能随便写。

这个规则就是HTTP协议，以后浏览器发送请求信息也好，服务器回复响应信息也罢，都要按照这个规则来。

HTTP协议主要规定了客户端和服务器之间的通信格式，那HTTP协议是怎么规定消息格式的呢？

让我们首先打印下我们在服务端接收到的消息是什么。

import socket
     
    sk = socket.socket()
    sk.bind(("127.0.0.1", 80))
    sk.listen()
     
     
    while True:
        conn, addr = sk.accept()
        data = conn.recv(8096)
        print(data)  # 将浏览器发来的消息打印出来
        conn.send(b"OK")
        conn.close()

输出：

b'GET / HTTP/1.1\r\nHost: 127.0.0.1:8080\r\nConnection: keep-
    alive\r\nUpgrade-Insecure-Requests: 1\r\nUser-Agent: Mozilla/5.0 
    (Windows NT 10.0; Win64; x64) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like 
    Gecko) Chrome/64.0.3282.186 Safari/537.36\r\nAccept: 
    text/html,application/xhtml+xml,application/xml;q=0.9,image/webp,
    image/apng,*/*;q=0.8\r\nDNT: 1\r\nAccept-Encoding: gzip, deflate, 
    br\r\nAccept-Language: zh-CN,zh;q=0.9\r\nCookie: 
    csrftoken=RKBXh1d3M97iz03Rpbojx1bR6mhHudhyX5PszUxxG3bOEw
    h1lxFpGOgWN93ZH3zv\r\n\r\n'

## 最简单版本自定义Web框架 ##

经过上面的补充学习，我们知道了要想让我们自己写的web server端正经起来，必须要让我们的Web server在给客户端回复消息的时候按照HTTP协议的规则加上响应状态行，这样我们就实现了一个正经的Web框架了。

import socket
     
    sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    sock.bind(('127.0.0.1', 8000))
    sock.listen()
     
    while True:
        conn, addr = sock.accept()
        data = conn.recv(8096)
        # 给回复的消息加上响应状态行
        conn.send(b"HTTP/1.1 200 OK\r\n\r\n")
        conn.send(b"OK")
        conn.close()

我们通过十几行代码简单地演示了web 框架的本质。

接下来就让我们继续完善我们的自定义web框架吧！

## 根据路径的不同返回不同内容 ##

这样就结束了吗？ 如何让我们的Web服务根据用户请求的URL不同而返回不同的内容呢？

小事一桩，我们可以从请求相关数据里面拿到请求URL的路径，然后拿路径做一个判断...

"""
    根据URL中不同的路径返回不同的内容
    """
     
    import socket
    sk = socket.socket()
    sk.bind(("127.0.0.1", 8080))  # 绑定IP和端口
    sk.listen()  # 监听
     
     
    while 1:
        # 等待连接
        conn, add = sk.accept()
        data = conn.recv(8096)  # 接收客户端发来的消息
        # 从data中取到路径
        data = str(data, encoding="utf8")  # 把收到的字节类型的数据转换成字符串
        # 按\r\n分割
        data1 = data.split("\r\n")[0]
        url = data1.split()[1]  # url是我们从浏览器发过来的消息中分离出的访问路径
        conn.send(b'HTTP/1.1 200 OK\r\n\r\n')  # 因为要遵循HTTP协议，所以回复的消息也要加状态行
        # 根据不同的路径返回不同内容
        if url == "/index/":
            response = b"index"
        elif url == "/home/":
            response = b"home"
        else:
            response = b"404 not found!"
     
        conn.send(response)
        conn.close()

## 根据不同的路径返回不同的内容---函数版 ##

上面的代码解决了不同URL路径返回不同内容的需求。

但是问题又来了，如果有很多很多路径要判断怎么办？难道要挨个写if判断？ 当然不用，我们有更聪明的办法。

"""
    根据URL中不同的路径返回不同的内容--函数版
    """
     
    import socket
    sk = socket.socket()
    sk.bind(("127.0.0.1", 8080))  # 绑定IP和端口
    sk.listen()  # 监听
     
     
    # 将返回不同的内容部分封装成函数
    def index(url):
        s = "这是{}页面！".format(url)
        return bytes(s, encoding="utf8")
     
     
    def home(url):
        s = "这是{}页面！".format(url)
        return bytes(s, encoding="utf8")
     
     
    while 1:
        # 等待连接
        conn, add = sk.accept()
        data = conn.recv(8096)  # 接收客户端发来的消息
        # 从data中取到路径
        data = str(data, encoding="utf8")  # 把收到的字节类型的数据转换成字符串
        # 按\r\n分割
        data1 = data.split("\r\n")[0]
        url = data1.split()[1]  # url是我们从浏览器发过来的消息中分离出的访问路径
        conn.send(b'HTTP/1.1 200 OK\r\n\r\n')  # 因为要遵循HTTP协议，所以回复的消息也要加状态行
        # 根据不同的路径返回不同内容，response是具体的响应体
        if url == "/index/":
            response = index(url)
        elif url == "/home/":
            response = home(url)
        else:
            response = b"404 not found!"
     
        conn.send(response)
        conn.close()

## 根据不同的路径返回不同的内容---函数进阶版 ##

看起来上面的代码还是要挨个写if判断，怎么办？我们还是有办法！（只要思想不滑坡，方法总比问题多！）

"""
    根据URL中不同的路径返回不同的内容--函数进阶版
    """
     
    import socket
    sk = socket.socket()
    sk.bind(("127.0.0.1", 8080))  # 绑定IP和端口
    sk.listen()  # 监听
     
     
    # 将返回不同的内容部分封装成函数
    def index(url):
        s = "这是{}页面！".format(url)
        return bytes(s, encoding="utf8")
     
     
    def home(url):
        s = "这是{}页面！".format(url)
        return bytes(s, encoding="utf8")
     
     
    # 定义一个url和实际要执行的函数的对应关系
    list1 = [
        ("/index/", index),
        ("/home/", home),
    ]
     
    while 1:
        # 等待连接
        conn, add = sk.accept()
        data = conn.recv(8096)  # 接收客户端发来的消息
        # 从data中取到路径
        data = str(data, encoding="utf8")  # 把收到的字节类型的数据转换成字符串
        # 按\r\n分割
        data1 = data.split("\r\n")[0]
        url = data1.split()[1]  # url是我们从浏览器发过来的消息中分离出的访问路径
        conn.send(b'HTTP/1.1 200 OK\r\n\r\n')  # 因为要遵循HTTP协议，所以回复的消息也要加状态行
        # 根据不同的路径返回不同内容
        func = None  # 定义一个保存将要执行的函数名的变量
        for i in list1:
            if i[0] == url:
                func = i[1]
                break
        if func:
            response = func(url)
        else:
            response = b"404 not found!"
     
        # 返回具体的响应消息
        conn.send(response)
        conn.close()

## 返回具体的HTML文件 ##

完美解决了不同URL返回不同内容的问题。 但是我不想仅仅返回几个字符串，我想给浏览器返回完整的HTML内容，这又该怎么办呢？

没问题，不管是什么内容，最后都是转换成字节数据发送出去的。 我们可以打开HTML文件，读取出它内部的二进制数据，然后再发送给浏览器。

"""
    根据URL中不同的路径返回不同的内容--函数进阶版
    返回独立的HTML页面
    """
     
    import socket
    sk = socket.socket()
    sk.bind(("127.0.0.1", 8080))  # 绑定IP和端口
    sk.listen()  # 监听
     
     
    # 将返回不同的内容部分封装成函数
    def index(url):
        # 读取index.html页面的内容
        with open("index.html", "r", encoding="utf8") as f:
            s = f.read()
        # 返回字节数据
        return bytes(s, encoding="utf8")
     
     
    def home(url):
        with open("home.html", "r", encoding="utf8") as f:
            s = f.read()
        return bytes(s, encoding="utf8")
     
     
    # 定义一个url和实际要执行的函数的对应关系
    list1 = [
        ("/index/", index),
        ("/home/", home),
    ]
     
    while 1:
        # 等待连接
        conn, add = sk.accept()
        data = conn.recv(8096)  # 接收客户端发来的消息
        # 从data中取到路径
        data = str(data, encoding="utf8")  # 把收到的字节类型的数据转换成字符串
        # 按\r\n分割
        data1 = data.split("\r\n")[0]
        url = data1.split()[1]  # url是我们从浏览器发过来的消息中分离出的访问路径
        conn.send(b'HTTP/1.1 200 OK\r\n\r\n')  # 因为要遵循HTTP协议，所以回复的消息也要加状态行
        # 根据不同的路径返回不同内容
        func = None  # 定义一个保存将要执行的函数名的变量
        for i in list1:
            if i[0] == url:
                func = i[1]
                break
        if func:
            response = func(url)
        else:
            response = b"404 not found!"
     
        # 返回具体的响应消息
        conn.send(response)
        conn.close()

## 在返回具体HTML文件同时让网页动起来 ##

这网页能够显示出来了，但是都是静态的啊。页面的内容都不会变化的，我想要的是动态网站。

没问题，我也有办法解决。我选择使用字符串替换来实现这个需求。（这里使用时间戳来模拟动态的数据）

"""
    根据URL中不同的路径返回不同的内容--函数进阶版
    返回HTML页面
    让网页动态起来
    """
     
    import socket
    import time
     
    sk = socket.socket()
    sk.bind(("127.0.0.1", 8080))  # 绑定IP和端口
    sk.listen()  # 监听
     
     
    # 将返回不同的内容部分封装成函数
    def index(url):
        with open("index.html", "r", encoding="utf8") as f:
            s = f.read()
            now = str(time.time())
            s = s.replace("@@oo@@", now)  # 在网页中定义好特殊符号，用动态的数据去替换提前定义好的特殊符号
        return bytes(s, encoding="utf8")
     
     
    def home(url):
        with open("home.html", "r", encoding="utf8") as f:
            s = f.read()
        return bytes(s, encoding="utf8")
     
     
    # 定义一个url和实际要执行的函数的对应关系
    list1 = [
        ("/index/", index),
        ("/home/", home),
    ]
     
    while 1:
        # 等待连接
        conn, add = sk.accept()
        data = conn.recv(8096)  # 接收客户端发来的消息
        # 从data中取到路径
        data = str(data, encoding="utf8")  # 把收到的字节类型的数据转换成字符串
        # 按\r\n分割
        data1 = data.split("\r\n")[0]
        url = data1.split()[1]  # url是我们从浏览器发过来的消息中分离出的访问路径
        conn.send(b'HTTP/1.1 200 OK\r\n\r\n')  # 因为要遵循HTTP协议，所以回复的消息也要加状态行
        # 根据不同的路径返回不同内容
        func = None  # 定义一个保存将要执行的函数名的变量
        for i in list1:
            if i[0] == url:
                func = i[1]
                break
        if func:
            response = func(url)
        else:
            response = b"404 not found!"
     
        # 返回具体的响应消息
        conn.send(response)
        conn.close()

# 服务器程序和应用程序 #

对于真实开发中的python web程序来说，一般会分为两部分：服务器程序和应用程序。

服务器程序负责对socket服务器进行封装，并在请求到来时，对请求的各种数据进行整理。

应用程序则负责具体的逻辑处理。为了方便应用程序的开发，就出现了众多的Web框架，例如：Django、Flask、web.py 等。不同的框架有不同的开发方式，但是无论如何，开发出的应用程序都要和服务器程序配合，才能为用户提供服务。

这样，服务器程序就需要为不同的框架提供不同的支持。这样混乱的局面无论对于服务器还是框架，都是不好的。对服务器来说，需要支持各种不同框架，对框架来说，只有支持它的服务器才能被开发出的应用使用。

这时候，标准化就变得尤为重要。我们可以设立一个标准，只要服务器程序支持这个标准，框架也支持这个标准，那么他们就可以配合使用。一旦标准确定，双方各自实现。这样，服务器可以支持更多支持标准的框架，框架也可以使用更多支持标准的服务器。

WSGI（Web Server Gateway Interface）就是一种规范，它定义了使用Python编写的web应用程序与web服务器程序之间的接口格式，实现web应用程序与web服务器程序间的解耦。

常用的WSGI服务器有uwsgi、Gunicorn。而Python标准库提供的独立WSGI服务器叫wsgiref，Django开发环境用的就是这个模块来做服务器。

## Wsgiref ##

我们利用wsgiref模块来替换我们自己写的web框架的socket server部分：

"""
    根据URL中不同的路径返回不同的内容--函数进阶版
    返回HTML页面
    让网页动态起来
    wsgiref模块版
    """
     
    import time
    from wsgiref.simple_server import make_server
     
     
    # 将返回不同的内容部分封装成函数
    def index(url):
        with open("index.html", "r", encoding="utf8") as f:
            s = f.read()
            now = str(time.time())
            s = s.replace("@@oo@@", now)
        return bytes(s, encoding="utf8")
     
     
    def home(url):
        with open("home.html", "r", encoding="utf8") as f:
            s = f.read()
        return bytes(s, encoding="utf8")
     
     
    # 定义一个url和实际要执行的函数的对应关系
    list1 = [
        ("/index/", index),
        ("/home/", home),
    ]
     
     
    def run_server(environ, start_response):
        start_response('200 OK', [('Content-Type', 'text/html;charset=utf8'), ])  # 设置HTTP响应的状态码和头信息
        url = environ['PATH_INFO']  # 取到用户输入的url
        func = None
        for i in list1:
            if i[0] == url:
                func = i[1]
                break
        if func:
            response = func(url)
        else:
            response = b"404 not found!"
        return [response, ]
     
     
    if __name__ == '__main__':
        httpd = make_server('127.0.0.1', 8090, run_server)
        print("我在8090等你哦...")
        httpd.serve_forever()

## jinja2 ##

上面的代码实现了一个简单的动态，我完全可以从数据库中查询数据，然后去替换我html中的对应内容，然后再发送给浏览器完成渲染。 这个过程就相当于HTML模板渲染数据。 本质上就是HTML内容中利用一些特殊的符号来替换要展示的数据。 我这里用的特殊符号是我定义的，其实模板渲染有个现成的工具： `jinja2`

下载jinja2:

pip install jinja2

index2.html文件

<!DOCTYPE html>
    <html lang="zh-CN">
    <head>
      <meta charset="UTF-8">
      <meta http-equiv="x-ua-compatible" content="IE=edge">
      <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1">
      <title>Title</title>
    </head>
    <body>
        <h1>姓名：{
       {name}}</h1>
        <h1>爱好：</h1>
        <ul>
            {% for hobby in hobby_list %}
            <li>{
       {hobby}}</li>
            {% endfor %}
        </ul>
    </body>
    </html>

使用jinja2渲染index2.html文件：

from wsgiref.simple_server import make_server
    from jinja2 import Template
     
     
    def index():
        with open("index2.html", "r") as f:
            data = f.read()
        template = Template(data)  # 生成模板文件
        ret = template.render({"name": "Alex", "hobby_list": ["烫头", "泡吧"]})  # 把数据填充到模板里面
        return [bytes(ret, encoding="utf8"), ]
     
     
    def home():
        with open("home.html", "rb") as f:
            data = f.read()
        return [data, ]
     
     
    # 定义一个url和函数的对应关系
    URL_LIST = [
        ("/index/", index),
        ("/home/", home),
    ]
     
     
    def run_server(environ, start_response):
        start_response('200 OK', [('Content-Type', 'text/html;charset=utf8'), ])  # 设置HTTP响应的状态码和头信息
        url = environ['PATH_INFO']  # 取到用户输入的url
        func = None  # 将要执行的函数
        for i in URL_LIST:
            if i[0] == url:
                func = i[1]  # 去之前定义好的url列表里找url应该执行的函数
                break
        if func:  # 如果能找到要执行的函数
            return func()  # 返回函数的执行结果
        else:
            return [bytes("404没有该页面", encoding="utf8"), ]
     
     
    if __name__ == '__main__':
        httpd = make_server('', 8000, run_server)
        print("Serving HTTP on port 8000...")
        httpd.serve_forever()

现在的数据是我们自己手写的，那可不可以从数据库中查询数据，来填充页面呢？

使用pymysql连接数据库：

conn = pymysql.connect(host="127.0.0.1", port=3306, user="root", passwd="xxx", db="xxx", charset="utf8")
    cursor = conn.cursor(cursor=pymysql.cursors.DictCursor)
    cursor.execute("select name, age, department_id from userinfo")
    user_list = cursor.fetchall()
    cursor.close()
    conn.close()

创建一个测试的user表：

CREATE TABLE user(
      id int auto_increment PRIMARY KEY,
      name CHAR(10) NOT NULL,
      hobby CHAR(20) NOT NULL
    )engine=innodb DEFAULT charset=UTF8;

模板的原理就是字符串替换，我们只要在HTML页面中遵循jinja2的语法规则写上，其内部就会按照指定的语法进行相应的替换，从而达到动态的返回内容。

## 结束语： ##

web框架就是按照上述过程搭建和运行的，Django,Flask,Tornado等框架只不过是将功能代码进行封装而已。掌握了上述的流程，之后再学上述web框架将会事半功倍。