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Python WSGI 与 Web 开发框架

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WSGI

WSGI（Web Server Gateway Interface，Web 服务器网关接口）是一个 Python Web Application 和 Web Server 之间的标准交互接口规范，定义了 Web Application 如何集成到不同的 Web Server（e.g. Apache、Nginx 等）、或高并发的网络框架（e.g. Eventlet）中的交互标准，包括调用接口函数、请求和响应的数据结构以及环境变量等等，使得它们能够协同工作。类似于 Java 的 Servlet。

WSGI 的核心思想就是将 Web Application 和 Web Server 进行解耦，在解耦之后，还可以在它们两者之间再加入一个 “中间层" 来完成灵活的功能组合：

  • WSGI Server：本质是一个 HTTP 服务器，提供 HTTP 协议的处理，例如：IP、Port、虚拟主机等。HTTP Request 首先到达 WSGI Server，然后再被转发到 WSGI Middleware 或 WSGI Application。
  • WSGI Middleware：作为一个中间层，可以在传递 HTTP Request 到 WSGI Application 的过程中完成一系列可组合的预先处理。例如：身份验证、日志记录等。
  • WSGI Application：是 Web Application 的核心业务实现，可以使用不同的 Web 框架（e.g. Flask、Django 等）进行开发，根据功能需求提供多样的 API 资源类型和处理逻辑。

通过这样的解耦，使得开发者可以选用理想的 Web 框架进行开发而无需关注 Web Server 的实现细节，同时也能够将这些 Web Application 部署到不同类型的 Web Server 上运行，例如：在 Apache 上安装 wsgi_mod 模块、在 Nginx 上安装 uWSGI 模块以支持 WSGI 规范。定义这些规范的目的是为了定义统一的标准，提升程序的可移植性。

WSGI 的工作原理

从 WSGI Server 的角度看，它首先需要知道如何调用 WSGI Application，并将 HTTP Request 传递给它，然后再从 Application 处接收到返回的 HTTP Response，再最终返回给 Client。

所以 WSGI 规范为 Server 和 Application 之间的交互定义了一个唯一且统一的 application() 接口，并由 Application 实现、由 Server 调用。接口的原型如下：

def application(environ, start_response):
      pass

Application 通常会以 Python Module 或 app 实例对象的方式来提供这个 application() 接口。以 web.py 框架为例，它本身是一个 Python Module 实现了 application()，可以被 Server 导入并调用。application() 作为 Application 的唯一入口，所以 Server 会将所有 HTTP Requests 都调用这个接口来进行处理。

import web

urls = (
    '/.*', 'hello',
)

class hello(object):
    def GET(self):
        return "Hello, world."

app = web.application(urls, globals()).wsgifunc()

environ 参数

environ（环境参数）是一个 Dict 类型对象，用于存放下列数据：

  1. HTTP Request 信息；
  2. CGI（通用网管接口规范）环境变量信息；
  3. WSGI 环境变量信息；
  4. OS 环境变量信息；
  5. Server 环境变量信息。

其中，CGI 环境变量信息包括：

  • SERVER_NAME 和 SERVER_PORT：HTTP Request 的 URL 中的 Hostname 和 Port。
  • PATH_INFO（URL 路径信息）：HTTP Request 的 URL 中核心的 API Resource 路径信息。
  • QUERY_STRING（查询字符串）： HTTP Request 的 URL 中可能会包含查询字符串，使用 ? 号标识。
  • SCRIPT_NAME（脚本名称）：HTTP Request 的 URL 中可能会包含一些脚本的名称。
  • REQUEST_METHOD（请求方法）：HTTP Request 的 Methods，包括：GET、POST、PUT、DELETE 等；
  • CONTENT_TYPE：HTTP Headers 中的 content-type 信息。
  • CONTENT_LENGTH：HTTP Headers 中的 content-length 信息。
  • SERVER_PROTOCOL：Server 的 HTTP 协议版本信息。

WSGI 环境变量信息包括：

  • wsgi.version：WSGI 规范的版本；
  • wsgi.url_scheme：HTTP 或 HTTPS；
  • wsgi.input：一个类文件的输入流，Application 通过这个获取 HTTP Request Body；
  • wsgi.errors： 一个类文件的输出流，当 Application 出错时，可以将错误信息写入这里；
  • wsgi.multithread：当 Application 可能被多个线程同时调用时，这个值需要为 True；
  • wsgi.multiprocess： 当 Application 对象可能被多个进程同时调用时，这个值需要为 True；
  • wsgi.run_once：当 Server 期望 Application 在进程的生命周期内只被调用一次时，该值需要为 True。

start_resposne 参数

start_resposne（回调函数参数）指向一个 Server 实现的回调函数，Application 通过这个回调函数返回 HTTP Response 给 Server。

WSGI 规范定义了这个由 Server 实现的回调函数可以接受 2 个必选参数和 1 个可选参数：

start_resposne(status, resposne_headers, exc_info=None)
  • status：必选，String 类型，返回 HTTP Response Status Code；
  • resposne_headers：必选，Dict 类型，返回 HTTP Response Headers；
  • exc_info：可选，返回可能的 HTTP Response Error Message 或 Body 信息。
def application(environ, start_response):
      status = '200 OK'
      response_headers = [('Content-type', 'text/plain')]
      start_response(status, response_headers)
      return ['hello, world']

WSGI 的中间件

如下图所示，WSGI Middleware 本身兼具了 WSGI Applicant 和 WSGI Server 的角色。因此它可以在两端之间起协调作用，经过不同的 Middleware，便拥有了不同的功能，例如：URL 路由转发、身份权限认证。

  1. Server 收到 HTTP Request 后，生成 environ_s，并且定义了 start_response_s 回调函数。
  2. Server 调用 Middleware 的 application()，传递 environ_s 和 start_response_s。
  3. Middleware 根据 environ_s 执行业务逻辑，生成 environ_m，并且定义了 start_response_m 回调函数。
  4. Middleware 再调用 Application 的 application()，传递 environ_m 和 start_response_m。
  5. Application 的 application() 处理完成后，调用 start_response_m 并且返回结果给 Middleware。Middleware 将结果存放在 result_m 中。
  6. Middleware 处理 result_m，然后生成 result_s，接着调用 start_response_s 返回结果 result_s 给 Server。
  7. Server 获取到 result_s 后封装 HTTP Response 返回给 Client。

Python WSGI 与 Web 开发框架-LMLPHP

WSGI Web 开发框架

Paste + PasteDeploy + Routes + WebOb 是一个常见的 WSGI Web 开发框架。

  • Paste：是一个 WSGI 工具库，用于处理 Python WSGI Application 和 WSGI Server 之间的通信标准，同时提供了许多 WSGI Middleware 组件，用于处理 Request 和 Response，包括：会话管理，身份验证等等。满足 WSGI 规范的解耦架构设计。

  • PasteDeploy：是 Paste 的一个用于加载 WSGI Application 到 WSGI Server 的插件模块，支持通过 api-paste.ini 配置文件的方式和机制来定义与管理 WSGI Middleware 和 WSGI Application 在 Web Server 上的部署形态。通过 api-paste.ini 配置文件，开发者可以通过可插拔的方式来组装一个 Web Application。

  • Routes：是一个基于 URL 的 HTTP Request 路由分发库，用于将不同的 HTTP URLs/Methods（API Resources）与 API Controllers/Functions（资源表现层状态转移控制器）映射起来，实现将 HTTP Request 转发到对应的 Functions 进行处理并返回。

  • WebOb：是一个将 HTTP 协议中的 Request 和 Response 标准进行 Python Object 封装的库。以 Python Object 的风格和形式提供了对 Request URL、Request Header、Request Body、Request Filter & Query Parameter 以及 Response Header、Response Status Codes、Response Message、Response Body 的操作方式。此外，WebOb 还提供了一些简便的方法来处理 Cookie、会话管理、文件上传等常见的 Web 功能。

Paste + PasteDeploy + Routes + WebOb 能够开发符合 WSGI 的 Web Application。但该框架的弊端是实现复杂，代码量大，所以在 OpenStack 中只有 Neutron 等几个初始项目在使用。后来的新项目都采用了更简单高效的 Pecan 框架。

OpenStack 中的应用案例

NOTE：下文中以早期的 neutron-icehouse-eol 版本的代码来进行说明，介绍 Neutron Server 启动 API Service（Web Application）的流程。

进程入口

# /Users/fanguiju/workspace/neutron-icehouse-eol/setup.cfg
[entry_points]
console_scripts =
......
    neutron-server = neutron.server:main


# /Users/fanguiju/workspace/neutron-icehouse-eol/neutron/server/__init__.py
        # 实例化 API Service
        neutron_api = service.serve_wsgi(service.NeutronApiService)
......
            # 实例化 RPC Worker
            neutron_rpc = service.serve_rpc()

WSGI Application 加载

# /Users/fanguiju/workspace/neutron-icehouse-eol/neutron/common/config.py
def load_paste_app(app_name):
    """Builds and returns a WSGI app from a paste config file.

    :param app_name: Name of the application to load
    :raises ConfigFilesNotFoundError when config file cannot be located
    :raises RuntimeError when application cannot be loaded from config file
    """

    config_path = cfg.CONF.find_file(cfg.CONF.api_paste_config)
    ......
        app = deploy.loadapp("config:%s" % config_path, name=app_name)

Paste/PasteDeploy

此时，PasteDeploy 通过 api-paste.ini 文件来配置 WSGI Middleware 和 WSGI Application 的组合。

Neutron 的 api-paste.ini 文件如下：

# /Users/fanguiju/workspace/neutron-icehouse-eol/etc/api-paste.ini

[composite:neutron]
use = egg:Paste#urlmap
/: neutronversions
/v2.0: neutronapi_v2_0

[composite:neutronapi_v2_0]
use = call:neutron.auth:pipeline_factory
noauth = request_id catch_errors extensions neutronapiapp_v2_0
keystone = request_id catch_errors authtoken keystonecontext extensions neutronapiapp_v2_0

[filter:request_id]
paste.filter_factory = neutron.openstack.common.middleware.request_id:RequestIdMiddleware.factory

[filter:catch_errors]
paste.filter_factory = neutron.openstack.common.middleware.catch_errors:CatchErrorsMiddleware.factory

[filter:keystonecontext]
paste.filter_factory = neutron.auth:NeutronKeystoneContext.factory

[filter:authtoken]
paste.filter_factory = keystoneclient.middleware.auth_token:filter_factory

[filter:extensions]
paste.filter_factory = neutron.api.extensions:plugin_aware_extension_middleware_factory

[app:neutronversions]
paste.app_factory = neutron.api.versions:Versions.factory

[app:neutronapiapp_v2_0]
paste.app_factory = neutron.api.v2.router:APIRouter.factory

入口是 composite Section，用于将 HTTP Request URL 分发到指定的 Middleware 和 Application。

  • use：指定了根据 URL 分发 Request 的方式。
  • egg:Paste#urlmap：表示使用 paste/urlmap.py 模块来根据 URL 分发 Request。
  • /v2.0、/v3、/：作为传递给 urlmap_factory() 函数进行 Request 分发的实参。urlmap_factory() 返回下一个 composite Section 或 app Section。

这里以 /v2.0 为例，urlmap_factory() 返回了 neutronapi_v2_0 composite Section，它包含了一个 Middleware Pipeline。Pipeline 用于把一系列 Middleware 和最终的 Application 串联起来，并遵守以下 2 点要求：

  1. 最后一个名字对应的 Section，一定要是一个 app 类型的。
  2. 非最后一个名字对应的 Sections，一定要是一个 filter 类型的。

在 filter 和 app Section 中定义了 paste.filter_factory 实际的入口函数。

Routes

Routes 的常规用法是首先构建一个 Mapper 实例对象，然后调用 Mapper 对象的 connect() 或 collection() 方法把相应的 URL、HTTP Method 映射到一个 Controller 的某个 Action 上。

Controller 是一个自定义的类实例，每一种 API Resource 都实现了一个 Controller，内含了多个与 HTTP Methods 对应的 Actions 成员方法，例如：list、show、create、update、delete 等。

通过 Paste/PasteDeploy 的配置处理之后进入到 neutronapiapp_v2_0 Application 的 factory() 函数，Paste 最终会调用它。在 APIRouter 类的实例化过程中会完成 Routes Mapper 的映射工作。

class APIRouter(wsgi.Router):

    @classmethod
    def factory(cls, global_config, **local_config):
        return cls(**local_config)

    def __init__(self, **local_config):
        mapper = routes_mapper.Mapper()
        plugin = manager.NeutronManager.get_plugin()  # Core Plugin
        ext_mgr = extensions.PluginAwareExtensionManager.get_instance()  # Service Plugins
        ext_mgr.extend_resources("2.0", attributes.RESOURCE_ATTRIBUTE_MAP)

        col_kwargs = dict(collection_actions=COLLECTION_ACTIONS,  # 集合操作类型：index、create
                          member_actions=MEMBER_ACTIONS)  # 成员操作类型：show、update、delete

        def _map_resource(collection, resource, params, parent=None):
            allow_bulk = cfg.CONF.allow_bulk
            allow_pagination = cfg.CONF.allow_pagination
            allow_sorting = cfg.CONF.allow_sorting
            controller = base.create_resource(
                collection, resource, plugin, params, allow_bulk=allow_bulk,
                parent=parent, allow_pagination=allow_pagination,
                allow_sorting=allow_sorting)
            path_prefix = None
            if parent:
                path_prefix = "/%s/{%s_id}/%s" % (parent['collection_name'],
                                                  parent['member_name'],
                                                  collection)
            mapper_kwargs = dict(controller=controller,
                                 requirements=REQUIREMENTS,
                                 path_prefix=path_prefix,
                                 **col_kwargs)
            return mapper.collection(collection, resource,
                                     **mapper_kwargs)

		# 顶级资源
        mapper.connect('index', '/', controller=Index(RESOURCES))

        for resource in RESOURCES:
            _map_resource(RESOURCES[resource], resource,
                          attributes.RESOURCE_ATTRIBUTE_MAP.get(
                              RESOURCES[resource], dict()))

        for resource in SUB_RESOURCES:
            _map_resource(SUB_RESOURCES[resource]['collection_name'], resource,
                          attributes.RESOURCE_ATTRIBUTE_MAP.get(
                              SUB_RESOURCES[resource]['collection_name'],
                              dict()),
                          SUB_RESOURCES[resource]['parent'])

        # Certain policy checks require that the extensions are loaded
        # and the RESOURCE_ATTRIBUTE_MAP populated before they can be
        # properly initialized. This can only be claimed with certainty
        # once this point in the code has been reached. In the event
        # that the policies have been initialized before this point,
        # calling reset will cause the next policy check to
        # re-initialize with all of the required data in place.
        policy.reset()
        super(APIRouter, self).__init__(mapper)

WebOb

WebOb 有 3 个重要的对象：

  1. webob.Request：对 HTTP Request 中的 environ 参数进行封装。
  2. webob.Response：对 HTTP Response 的所有元素进行封装。
  3. webob.exc：对 HTTP Error Code 和 Msg 进行封装。

此外，WebOb 还提供了一个 webob.dec.wsgify 装饰器，以便我们可以不使用原始的 WSGI 参数传递和返回格式，而全部使用 WebOb 替代。

@wsgify
def myfunc(req):
    return webob.Response('Hey!')

WSGI 原始调用方式：

app_iter = myfunc(environ, start_response)

WebOb 调用方式：

resp = myfunc(req)

WSGI Server 启动

# /Users/fanguiju/workspace/neutron-icehouse-eol/neutron/service.py

def _run_wsgi(app_name):
    ......
    server = wsgi.Server("Neutron")
    server.start(app, cfg.CONF.bind_port, cfg.CONF.bind_host,
                 workers=cfg.CONF.api_workers)
07-07 00:30
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