Python Web框架本质——Python Web开发系列一

　　前言：了解一件事情本质的那一瞬间总能让我获得巨大的愉悦感，希望这篇文章也能帮助到您。

　　目的：本文主要简单介绍Web开发中三大基本功能：Socket实现、路由系统、模板引擎渲染。

　　进入正题。

　　

　一. 基础知识

• • Http/Https协议：简单的对象访问协议，对应于应用层。Http协议是基于TCP链接的。特点是无状态、短连接。
  • Socket：Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层，是介于传输层和应用层之间的一个协议，是一组接口。所有支持网络编程的语言都会有对Socket的实现，而几乎所有的Web开发框架底层都是由Socket实现的。在Socket编程中，主动发起连接的叫客户端，被动响应连接的叫服务器，如在浏览网页时浏览器本质上就是一个Socket客户端，网站服务器就是一个Socket服务端。
  • Web框架：“Web应用框架（Web application framework）是一种开发框架，用来支持动态网站、网络应用程序及网络服务的开发。” （引用自百度百科），简而言之是用于开发Web应用的，Python常见Web框架有Flask、Django、Tornado等。

　　　　Web开发中最基础的三大功能分别是：

• • Socket服务端实现
  • 路由系统
  • 模板引擎渲染

　　　　下面将对这三部分一一说明。

　二. Socket编程

　　既然几乎所有的Web开发框架底层都是由Socket实现的，我们就从Socket编程开始，用Socket实现一个服务端和浏览器进行通信（细想一下，这就是Web服务最基本的需求了吧）。

# 例1
import socket

# 生成一个socket对象
server = socket.socket()
# 绑定机器的ip端口
server.bind(("127.0.0.1", 8001))
# 配置最多只能有五个请求在等待连接
server.listen(5)

while True:
    # 阻塞，等待接受请求
    conn, addr = server.accept()
    # 建立连接后接受数据，规定一次数据大小为8096字节
    data = conn.recv(8096)
    print(data)
    # 在该连接通道中发送数据，注意要是字节形式
    conn.send(b"HTTP/1.1 200 OK\r\n\r\n")
    conn.send(b"Hello World!")
    # 关闭连接
    conn.close()

　　

　　这段代码实现了一个Socket服务端，server.accept()会让服务器阻塞等待客户端的连接，当接收到连接请求，就返回数据。下面用浏览器发送连接请求：

　　

　　可以看到，浏览器已经成功接收到了Socket服务端发来"Hello World"，成功解析并显示在了网页上，一个最基本的Web服务就顺利完成啦！

　　

　三. Socket编程中的HTTP/HTTPS协议

　　Http/Https协议，简单的对象访问协议，对应于应用层，简单而言就是一个大家都遵循的格式、规范，根据这个规范我们可以获取自己所需的信息。Http协议是基于TCP链接的。但与TCP一直保存连接不主动断开相比，HTTP/HTTPS的连接在一次传输后就会断开，并且不会保存连接信息，下次再连接时没有上次连接的状态，所以说特点是无状态、短连接。

　　先来看看上面代码中在服务端接收到连接请求的内容（具体对应代码：data = conn.recv(8096)）

b'GET / HTTP/1.1\r\nAccept: text/html,application/xhtml+xml,application/xml;q=0.9,*/*;q=0.8\r\nAccept-Language: zh-CN\r\nUpgrade-Insecure-Requests: 1\r\nUser-Agent: Mozilla/5.0 (Windows NT 10.0; Win64; x64) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/70.0.3538.102 Safari/537.36 Edge/18.18362\r\nAccept-Encoding: gzip, deflate\r\nHost: 127.0.0.1:8001\r\nConnection: Keep-Alive\r\n\r\n'

解释：
　'method url protocol\r\nheaders-param1\r\nheaders-param2\r\nheaders-param3...headers-paramn\r\n\r\n'

　　由此我们可以窥见一点HTTP/HTTPS协议内容，它规定GET请求的格式就如上面所示，那么我们拿到请求的数据后，通过简单的字符串处理就能拿到这个请求的method，url，protocol，headers，例如url = data.split('\r\n')[0].split(' ')[1]。

　　此外，因为这个请求只是一个简单的GET请求，请求信息到\r\n\r\n就结束了，事实上\r\n\r\n也是一个分割符，分割的是请求头和请求体，当一个请求是POST请求时，POST的参数就在请求体中，也就是说post_params  = data.split("\r\n\r\n")[1]。而在例1中，也用"\r\n\r\n"分割开了响应头和响应体：conn.send(b"HTTP/1.1 200 OK\r\n\r\n")，conn.send(b"Hello World!")。

　四. 路由系统

　　路由系统要完成的功能是：根据不同的请求信息做不同的数据处理，返回不同的数据响应。例如分别访问“https://www.cnblogs.com/hyonline/p/11812977.html”、“https://i-beta.cnblogs.com/posts/edit”，请求都会发送到博客园的服务器，根据url的不同，第一个请求会响应对应文章内容，而第二个请求会响应编辑后台。

　　接回上面的话题，当接收到一个遵循HTTP/HTTPS协议的请求时，我们可以通过字符串处理获取到请求的url，然后根据不同的url调用不同功能的模块或者函数来处理该请求，生成不同的数据来响应请求。现在来改写我们的Socket服务端，加入路由系统：

# 例2
import socket

def index():
    return b'Hello World!'

def func1():
    return b"I'm not hungry yet!"

def func2():
    return b"Cheers!"

# 路由表
routers = [
    ('/', index),
    ('/eat', func1),
    ('/drank', func2),
]

server = socket.socket()
server.bind(("127.0.0.1", 8001))
server.listen(5)

while True:

    conn, addr = server.accept()
    data = str(conn.recv(8096), encoding='utf-8')
    headers, bodys = data.split('\r\n\r\n') # 分割出请求头，请求体
    temp_list = headers.split('\r\n')
    method, url, protocal = temp_list[0].split(' ') # 分割出请求方法，url，协议
    conn.send(b'HTTP/1.1 200 OK\r\n\r\n')

    func_name = None
    for item in routers: # 路由匹配，根据url获取相应的处理函数
        if url == item[0]:
            func_name = item[1]
            break

    if func_name:
        response = func_name()
    else:
        response = b'404 not found'  # 假如url不在路由系统中，模拟返回404
    conn.send(response)
    conn.close()

　　在例2中，我们加入了路由表，通过字符串处理分割出请求url，并根据url去匹配路由表，找到合适的处理函数，如果没有则返回404，再看看浏览器访问结果：

　　可以看到，例2的Socket服务器已经能够根据请求url的不同调用合适的处理函数来处理返回正确的数据了，这就是Web开发框架中路由系统的本质！

　五. 模板引擎渲染

　　由上面的例子中我们可以发现，Socket编程中的数据传输的数据都是字节，而我们获取请求信息和响应信息构造其实都是字符串的处理。前面的例子我们响应的数据是简单的字节串，此外我们响应的数据还可以是HTML代码，这些代码传输到浏览器等客户端时会被渲染成我们常常看到的网页。看下个例子：

# 例3
# server.py
import socket

def index():
    with open('index.html', 'r') as f: # 读取html文件内容作为响应体数据
        response = f.read()
    return response.encode('utf-8')

# 路由表
routers = [
    ('/', index),
]

server = socket.socket()
server.bind(("127.0.0.1", 8001))
server.listen(5)

while True:
    conn, addr = server.accept()
    data = str(conn.recv(8096), encoding='utf-8')
    headers, bodys = data.split('\r\n\r\n')
    temp_list = headers.split('\r\n')
    method, url, protocal = temp_list[0].split(' ')
    conn.send(b'HTTP/1.1 200 OK\r\n\r\n')

    func_name = None
    for item in routers:
        if url == item[0]:
            func_name = item[1]
            break

    if func_name:
        response = func_name()
    else:
        response = b'404 not found'
    conn.send(response)
    conn.close()

# index.html
<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
    <meta charset="UTF-8">
    <title>"HELLO WORLD"</title>
</head>
<body>
    <table border="">
        <tr>
            <th>Month</th>
            <th>Savings</th>
        </tr>
        <tr>
            <td>January</td>
            <td>$100</td>
        </tr>
    </table>
</body>
</html>

　

　　在这个例子中，我们修改了index()，在例2中的直接返回字节串作为响应体数据，而例3中我们读取了index.html文件内容作为响应体数据返回，在浏览器中已被渲染成一个带表格的网页了。在Web开发中，这个html文件就称之为模板，这种一成不变的网页，称之为静态网页。

　　

　　在本例中我们已经实现渲染静态页面了，但是目前大部分的网页并不是静态的，存在着大量的动态数据，动态网页的渲染需要我们获取最新的数据，拼接到模板合适的位置，然后作为响应体数据返回。动态拼接的功能我们可以通过字符串替换来实现，在模板中合适的位置用特殊字符来做占位符，当要响应数据时候，拿到最新的数据替换掉模板中的占位符，即可做到用最新的数据作为返回结果了。看下个例子：

# 例4
# server.py
import socket
import datetime

def index():
    with open('index2.html', 'r') as f:  # 读取html文件内容作为响应体数据
        response = f.read()
    response = response.replace('@temp@', str(datetime.datetime.now())) # 获取当前时间，替换html文件内容中的占位符
    return response.encode('utf-8')

# 路由表
routers = [
    ('/', index),
]

server = socket.socket()
server.bind(("127.0.0.1", 8001))
server.listen(5)

while True:
    conn, addr = server.accept()
    data = str(conn.recv(8096), encoding='utf-8')
    headers, bodys = data.split('\r\n\r\n')
    temp_list = headers.split('\r\n')
    method, url, protocal = temp_list[0].split(' ')
    conn.send(b'HTTP/1.1 200 OK\r\n\r\n')

    func_name = None
    for item in routers:
        if url == item[0]:
            func_name = item[1]
            break

    if func_name:
        response = func_name()
    else:
        response = b'404 not found'
    conn.send(response)
    conn.close()

# index2.html
<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
    <meta charset="UTF-8">
    <title>"HELLO WORLD"</title>
</head>
<body>
    <table border="">
        <tr>
            <th>Month</th>
            <th>Savings</th>
        </tr>
        <tr>
            <td>January</td>
            <td>$100</td>
        </tr>
        <tr>
            <td>time</td>
            <!--用特殊符号作为占位符-->
            <td>@temp@</td>
        </tr>
    </table>
</body>
</html>

　　在这个例子中，我们修改了index.html，添加了一个占位符，并在server.py中对这个占位符用当前时间替换，于是在新的访问结果中，可以看到网页已经显示了最新的时间，用简单的字符串替换我们就实现了动态网页的模板渲染啦！这其实就是模板渲染的本质，用于模板渲染的模块称之为模板引擎，当然我们不需要自己实现，常用的python模板引擎有：jinjia2。

　

　六. 结语

　　介绍完基本Web框架功能的本质后，我们来简单聊聊Python Web框架。如果按照上面介绍的Web开发基本功能来分类，可以分为三类：

• • 框架包含Socket实现、路由匹配、模板引擎渲染功能：Tornado
  • 框架包含路由匹配、模板引擎渲染功能：Django（其Socket实现通过引用wsgiref模块实现）
  • 框架包含路由匹配：Flask（其Socket实现通过引用werkzeug模块实现，模板引擎渲染实现通过引用jinjia2模块实现）

　　当然Web框架除了以上介绍的基础功能外还实现了很多其他的功能，正是有了这些利器，我们的Web开发才能得心应手。