從零開始搭建論壇（一）：Web服務器與Web框架
【引自selfboot的博客】之前用 Django 做過一個小的站點，感覺Django太過笨重，于是就準備換一個比較輕量級的 Web 框架來玩玩。Web.py 作者已經掛掉，項目好久沒有更新，所以不準備用它。而 Flask 也是一個成熟的輕量級 Web 框架，在 github 上有眾多的 Star 和 Fork，文檔和擴展也很豐富，值得學習。
學習一個框架最好的方式就是用框架做一個項目，在實戰(zhàn)中理解掌握框架。這里我用 Flask 框架，使用 Mysql 數據庫做了一個論壇系統。麻雀雖小，五臟俱全，論壇效果圖如下：
論壇系統截圖
下面是論壇的基本功能：
- 完整的用戶模塊(注冊、登錄，更改、找回密碼、信息修改、站內消息通知);
- 豐富的論壇模塊(創(chuàng)建、回復話題，站內搜索，markdown支持，@user 提醒);
- 強大的后臺管理，支持屏蔽用戶、話題、評論，支持各種條件搜索話題、評論;
本博客將會用一系列文章，記錄論壇系統搭建的過程，希望對剛入門Web開發(fā)的同學有所幫助。
我們經常聽說 Django, Flask 這些 python 語言的Web 框架，那么框架到底是什么，Web框架和Web服務器(Nginx, Apache等)有什么區(qū)別?離開框架還能用 Python 搭建Web站點嗎?要解決這些疑問，我們有必要來理解下 Web 服務器的工作原理，以及 Web 框架的本質。
Web 服務器
當我們在瀏覽器輸入URL后，瀏覽器會先請求DNS服務器，獲得請求站點的 IP 地址。然后發(fā)送一個HTTP Request(請求)給擁有該 IP 的主機，接著就會接收到服務器給我們的 HTTP Response(響應)，瀏覽器經過渲染后，以一種較好的效果呈現給我們。這個過程中，正是Web服務器在幕后默默做貢獻。
簡單來說，Web服務器是在運行在物理服務器上的一個程序，它永久地等待客戶端(主要是瀏覽器，比如Chrome，Firefox等)發(fā)送請求。當收到請求之后，它會生成相應的響應并將其返回至客戶端。Web服務器通過HTTP協議與客戶端通信，因此也被稱為HTTP服務器。
Web 服務器
Web服務器的工作原理并不復雜，一般可分成如下4個步驟：建立連接、請求過程、應答過程以及關閉連接。
- 建立連接：客戶機通過TCP/IP協議建立到服務器的TCP連接。
- 請求過程：客戶端向服務器發(fā)送HTTP協議請求包，請求服務器里的資源文檔。
- 應答過程：服務器向客戶機發(fā)送HTTP協議應答包，如果請求的資源包含有動態(tài)語言的內容，那么服務器會調用動態(tài)語言的解釋引擎負責處理“動態(tài)內容”，并將處理得到的數據返回給客戶端。由客戶端解釋HTML文檔，在客戶端屏幕上渲染圖形結果。
- 關閉連接：客戶機與服務器斷開。
下面我們實現一個簡單的 Web 服務器。運行示例程序后，會監(jiān)聽本地端口 8000，在瀏覽器訪問 http://localhost:8000 就能看到響應內容。而我們的程序也能夠打印出客戶端發(fā)來的請求內容，如下圖：
簡單Web服務器
這里Request 和 Response 都需要遵守 HTTP 協議，關于 HTTP 協議的詳細內容，可以讀讀《HTTP 權威指南》，或者看我整理的HTTP 部分內容。
雖然說web服務器的主要工作是根據request返回response，但是實際中的 Web 服務器遠遠比上面示例的復雜的多，因為要考慮的因素實在是太多了，比如：
- 緩存機制：講一些經常被訪問的頁面緩存起來，提高響應速度;
- 安全：防止黑客的各種攻擊，比如 SYN Flood 攻擊;
- 并發(fā)處理：如何響應不同客戶端同時發(fā)起的請求;
- 日志：記錄訪問日至，方便做一些分析。
目前在UNIX和LINUX平臺下使用最廣泛的免費 Web 服務器有Apache和 Nginx 。
Web 應用程序
Web 服務器接受 Http Request，返回 Response，很多時候 Response 并不是靜態(tài)文件，因此需要有一個應用程序根據 Request 生成相應的 Response。這里的應用程序主要用來處理相關業(yè)務邏輯，讀取或者更新數據庫，根據不同 Request 返回相應的 Response。注意這里并不是 Web 服務器本身來做這件事，它只負責 Http 協議層面和一些諸如并發(fā)處理，安全，日志等相關的事情。
應用程序可以用各種語言編寫(Java, PHP, Python, Ruby等)，這個應用程序會從Web服務器接收客戶端的請求，處理完成后，再返回響應給Web服務器，最后由Web服務器返回給客戶端。整個架構如下：
Web應用程序
以 Python 為例，使用Python開發(fā)Web，最原始和直接的辦法是使用CGI標準，在1998年這種方式很流行。首先確保 Web 服務器支持CGI及已經配置了CGI的處理程序，然后設置好CGI目錄，在目錄里面添加相應的 python 文件，每一個 python 文件處理相應輸入，生成一個 html 文件即可，如下例：
- # !/usr/bin/python
- # -*- coding: UTF-8 -*-
- print "Content-type:text/html"
- print # 空行，告訴服務器結束頭部
- print '<html>'
- print '<head>'
- print '<meta charset="utf-8">'
- print '</head>'
- print '<body>'
- print '<h2>Hello Word! 我是一個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簡單的 Hello World 網頁內容。直接通過 CGI 寫 Web 應用程序看起來很簡單，每一個文件處理輸入，生成html。但是實際開發(fā)中，可能會遇到許多不方便的地方。比如：
- 每個獨立的CGI腳本可能會重復寫數據庫連接，關閉的代碼;
- 后端開發(fā)者會看到一堆 Content-Type 等和自己無關的 html 頁面元素;
Web 框架
早期開發(fā)站點確做了許多重復性勞動，后來為了減少重復，避免寫出龐雜，混亂的代碼，人們將 Web 開發(fā)的關鍵性過程提取出來，開發(fā)出了各種 Web 框架。有了框架，就可以專注于編寫清晰、易維護的代碼，無需關心數據庫連接之類的重復性工作。
其中一種比較經典的Web框架采用了 MVC 架構，如下圖所示：
MVC 架構
用戶輸入 URL，客戶端發(fā)送請求，控制器(Controller)首先會拿到請求，然后用模型(Models)從數據庫取出所有需要的數據，進行必要的處理，將處理后的結果發(fā)送給 視圖(View)，視圖利用獲取到的數據，進行渲染生成 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來組織我們的應用，不過 flask 可以很好地支持以 MVC 方式組織應用。
控制器：flask 可以用裝飾器來添加路由項，如下：
- @app.route('/')
- def main_page():
- pass
模型：主要用來取出需要的數據，如下面函數中操作：
- @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 來渲染頁面，下面的模版文件指定了頁面的樣式：
- {% 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 服務器網關接口
我們知道Python有著許多的 Web 框架，而同時又有著許多的 Web 服務器(Apache, Nginx, Gunicorn等)，框架和Web服務器之間需要進行通信，如果在設計時它們之間不可以相互匹配的，那么選擇了一個框架就會限制對 Web 服務器的選擇，這顯然是不合理的。
那么，怎樣確?？梢栽诓恍薷腤eb服務器代碼或網絡框架代碼的前提下，使用自己選擇的服務器，并且匹配多個不同的網絡框架呢?答案是接口，設計一套雙方都遵守的接口就可以了。對python來說，就是WSGI(Web Server Gateway Interface，Web服務器網關接口)。其他編程語言也擁有類似的接口：例如Java的Servlet API和Ruby的Rack。
Python WSGI的出現，讓開發(fā)者可以將 Web 框架與 Web 服務器的選擇分隔開來，不再相互限制?，F在，你可以真正地將不同的 Web 服務器與Web框架進行混合搭配，選擇滿足自己需求的組合。例如，可以使用 Gunicorn 或Nginx/uWSGI來運行Django、Flask或web.py應用。
WSGI 適配
下一篇我們將會仔細分析 WSGI 接口標準，然后一起來寫一個簡單的 WSGI Web 服務器。
