django框架--底层架构

零、参考
一、对于web服务的理解
二、对于wsgi协议的理解
三、自定义一个简单的基于wsgi协议的web框架
四、django中的server实现
五、django中的application实现
六、django的底层调用链
七、总结

零、参考

https://www.jianshu.com/p/679dee0a4193

https://www.letiantian.me/2015-09-10-understand-python-wsgi/

一、对于web服务的理解

web服务应该至少包含两个模块：web服务器和web应用程序，两个模块在功能和代码上解耦。

web服务器负责处理socket调用、http数据解析和封装等底层操作。

web应用程序负责业务处理、数据增删改查、页面渲染/生成等高层操作。

web服务器一旦接收到http请求，经过自身的解析后就会调用web应用程序来处理业务逻辑，并得到web应用程序的返回值，再经过自身的封装发送给客户端。

二、对于wsgi协议的理解

在web服务器和web应用程序之间需要定义一个接口规则，这也叫协议，用于明确两者之间以什么样的形式交互数据。即：web服务器应该以什么样的形式调用web应用程序，而web应用程序又应该定义成什么形式。

python下规定的web服务的接口规则叫做wsgi，wsgi协议对于server和application的接口定义如下：

对于server调用规则的定义：

response = application(environ, start_response)

对于application接口编码的定义：

def application(environ, start_response):
    status = '200 OK'
    response_headers = [('Content-Type', 'text/plain'),]
    start_response(status, response_headers)
    return [b'hello',]

只要是遵从如上形式进一步封装server和application的，均称为实现了wsgi协议的server/application。

python内置提供了一个wsigref模块用于提供server，但是只能用于开发测试，django框架就是使用此模块作为它的server部分，也就说，实际生产中的server部分，还需要使用其他模块来实现。

任何web框架，可能没有实现server部分或者只实现一个简单的server，但是，web框架肯定实现了application部分。application部分完成了对一次请求的全流程处理，其中各环节都可以提供丰富的功能，比如请求和响应对象的封装、model/template的实现、中间件的实现等，让我们可以更加细粒度的控制请求/响应的流程。

三、自定义一个简单的基于wsgi协议的web框架

django框架的server部分由python内置的wsgiref模块提供，我们只需要编写application应用程序部分。

from wsgiref.simple_server import make_server
def app(environ, start_response):  # wsgi协议规定的application部分的编码形式，可在此基础上扩展
    status = '200 OK'
    respones_headers = []
    start_response(status, response_headers)
    return [b'hello',]
if __name__ == '__main__':
    httpd = make_server('127.0.0.1', 8080, app)
    httpd.serve_forever()

用以下图示表示简单的web请求流程架构（伪代码）

web服务器就像是一颗心脏不停的跳动，驱动整个web系统为用户提供http访问服务，并调用application返回响应

四、django中的server实现

django使用的底层server模块是基于python内置的wsgiref模块中的simple_server，每次django的启动都会执行如下run函数。run函数中会执行serve_forever，此步骤将会启动socket_server的无限循环，此时就可以循环提供请求服务，每次客户端请求到来，服务端就执行django提供的application模块。

django中server的启动----django.core.servers.basehttp.py

"""
HTTP server that implements the Python WSGI protocol (PEP 333, rev 1.21).
Based on wsgiref.simple_server which is part of the standard library since 2.5.
This is a simple server for use in testing or debugging Django apps. It hasn't
been reviewed for security issues. DON'T USE IT FOR PRODUCTION USE!
"""
def run(addr, port, wsgi_handler, ipv6=False, threading=False, server_cls=WSGIServer):
    server_address = (addr, port)
    if threading:
        httpd_cls = type('WSGIServer', (socketserver.ThreadingMixIn, server_cls), {})
    else:
        httpd_cls = server_cls
    httpd = httpd_cls(server_address, WSGIRequestHandler, ipv6=ipv6)
    if threading:
        # ThreadingMixIn.daemon_threads indicates how threads will behave on an
        # abrupt shutdown; like quitting the server by the user or restarting
        # by the auto-reloader. True means the server will not wait for thread
        # termination before it quits. This will make auto-reloader faster
        # and will prevent the need to kill the server manually if a thread
        # isn't terminating correctly.
        httpd.daemon_threads = True
    httpd.set_app(wsgi_handler)
    httpd.serve_forever()

底层无限循环将作为web服务的主要驱动----socektserver.py

def serve_forever(self, poll_interval=0.5):
    """Handle one request at a time until shutdown.
    Polls for shutdown every poll_interval seconds. Ignores
    self.timeout. If you need to do periodic tasks, do them in
    another thread.
    """
    self.__is_shut_down.clear()
    try:
        # XXX: Consider using another file descriptor or connecting to the
        # socket to wake this up instead of polling. Polling reduces our
        # responsiveness to a shutdown request and wastes cpu at all other
        # times.
        with _ServerSelector() as selector:
            selector.register(self, selectors.EVENT_READ)
            while not self.__shutdown_request:
                ready = selector.select(poll_interval)
                if ready:
                    self._handle_request_noblock()
                self.service_actions()
    finally:
        self.__shutdown_request = False
        self.__is_shut_down.set()

server对于application的调用----wsgiref.handlers.py

def run(self, application):
    """Invoke the application"""
    # Note to self: don't move the close()!  Asynchronous servers shouldn't
    # call close() from finish_response(), so if you close() anywhere but
    # the double-error branch here, you'll break asynchronous servers by
    # prematurely closing.  Async servers must return from 'run()' without
    # closing if there might still be output to iterate over.
    try:
        self.setup_environ()
        self.result = application(self.environ, self.start_response)
        self.finish_response()
    except:
        try:
            self.handle_error()
        except:
            # If we get an error handling an error, just give up already!
            self.close()
            raise   # ...and let the actual server figure it out.

五、django中的application实现

django的application模块是通过WSGIHandler的一个实例来提供的，此实例可以被call，然后根据wsgi的接口规则传入environ和start_response。所以本质上，django就是使用的内置python提供的wsgiref.simple_server再对application进行丰富的封装。大部分的django编码工作都在application部分。

application的编码定义部分----django.core.handlers.wsgi.py

class WSGIHandler(base.BaseHandler):
    request_class = WSGIRequest
    def __init__(self, *args, **kwargs):
        super().__init__(*args, **kwargs)
        self.load_middleware()
    def __call__(self, environ, start_response):
        set_script_prefix(get_script_name(environ))
        signals.request_started.send(sender=self.__class__, environ=environ)
        request = self.request_class(environ)
        response = self.get_response(request)
        response._handler_class = self.__class__
        status = '%d %s' % (response.status_code, response.reason_phrase)
        response_headers = list(response.items())
        for c in response.cookies.values():
            response_headers.append(('Set-Cookie', c.output(header='')))
        start_response(status, response_headers)
        if getattr(response, 'file_to_stream', None) is not None and environ.get('wsgi.file_wrapper'):
            response = environ['wsgi.file_wrapper'](response.file_to_stream)
        return response

六、django的底层调用链

七、总结

web服务是基于socket的高层服务，所以web服务必须含有web服务器这一模块。

web服务需要动态渲染数据，需要中间件来丰富功能，需要封装和解析来处理数据，所以web服务必须含有web应用程序这一模块。

web框架是一种工具集，封装了各种功能的底层代码，提供给我们方便开发的接口。但不论是哪一种框架，它们的底层原理基本都是一致的。

应该深入学习、研究一个web框架，精通一门框架的实现原理和设计理念。