Python中web服务器、web框架以及WSGI的作用和关系浅析

在Python实现web服务器入门学习笔记（6）——多进程实现并发HTTP服务器的面向对象封装中，我们已经实现了并发HTTP服务器，并且将代码进行了面向对象封装。

实际上，在真实的web开发中，为了提高开发效率、复用已有成果、降低系统耦合度，实际运行在服务器上的程序可以大致解耦为web服务器、web框架。

常用的web服务器有Apache、Nginx等，常用的Python后端web框架有Django、Flask、Tornado等。

在Python的web开发中，一般web服务器和web框架之间为了实现互通，二者还会遵循web服务器网关接口（WSGI：Web Server Gateway Interface）

一、web服务器、web框架

web服务器的功能一般为：

• 用于以并发方式处理来自多客户端基于HTTP协议的连接请求；
• 当客户端请求静态资源时，web服务器直接将部署在其上的静态资源在响应中返回客户端；
• 当客户端请求动态资源，以及当后端希望实现复杂的业务逻辑（如：用户注册、登录、验证等）时，web服务器负责先将收到的响应请求发送web框架，而后web服务器负责将web框架处理的结果以HTTP协议应答方式返回。

web框架的功能一般为：

• 处理web服务器转发过来的动态资源请求；
• 处理复杂的业务逻辑，如：用户注册、登录、验证、订单管理等。

总体来说：

进行web服务器和web框架的功能划分是为了实现功能解耦，即：

• 对于Apache、Nginx这类web服务器来说，其主要需解决的问题是高并发：和数以千万计的用户同时保持连接；能够在一定时间内传送大量数据（吞吐量）；以HTTP协议接收请求并返回应答；
• 对于Django、Flask这类web框架来说，其主要需解决的问题是“重复造轮子”的困境：在web后端开发中，很多业务逻辑是共通的，如：用户管理、会话保持等。

二、网络服务器网关接口（WSGI）

现今，虽然开发者使用Python语言进行web后端开发时，可以根据需要搭配使用web服务器和web框架，以使得二者的组合可以最大限度满足自己的需求，但是事实并非一直如此。

因为web服务器和web框架的开发者并不是同一批人，二者内部的功能封装并不遵循相同的接口，故早先时候，开发者对web服务器的选择会影响其对可用web框架的选择，反之亦然。

鉴于上述原因，在PEP（Python Enhancement Proposal） 333中，Python社区提出了WSGI，这是一套简单、通用的接口，用于web服务器和web框架之间，使得web服务器和web框架的开发者专注于各自的领域，也能降低web后端的开发者进行web服务器和web框架之间适配的工作。

简单来说：

WSGI是一套用于web服务器和Python web框架之间的协议，用于规定二者之间交换数据的要求。

三、web服务器、web框架和WSGI

下图是遵循WSGI协议的web服务器和web框架配合完成浏览器一次动态资源请求的时序图。

四、代码示例

下面是自定义遵循WSGI协议的web服务器和web框架：

1. web服务器程序

import socket
import re
import multiprocessing
import mini_web_frame


class WSGIServer(object):
    def __init__(self):
        # 1.创建套接字
        self.tcp_server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

        # 通过设定套接字选项解决[Errno 98]错误
        self.tcp_server_socket.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)

        # 2.绑定端口
        self.tcp_server_socket.bind(("", 7899))

        # 3.变为监听套接字
        self.tcp_server_socket.listen(128)

        # 定义两个实例属性，用于存储response_header信息
        self.status = None
        self.headers = None

    def set_response_header(self, status, headers):
        self.status = status
        # 在服务器程序中指定web服务器的信息
        self.headers = [("Server", "user-defined web server v1.0")]
        self.headers += headers

    def serve_client(self, new_client_socket):
        """为这个客户端返回数据"""
        # 6.接收浏览器发送过来的http请求
        request = new_client_socket.recv(1024).decode("utf-8")

        # 7.将请求报文分割成字符串列表
        request_lines = request.splitlines()

        print(request_lines)

        # 8.通过正则表达式提取浏览器请求的文件名
        file_name = None
        ret = re.match(r"^[^/]+(/[^ ]*)", request_lines[0])
        if ret:
            file_name = ret.group(1)
            print("file_name:", file_name)
            if file_name == "/":
                file_name = "/index.html"

        # 9.返回http格式的应答数据给浏览器
        # 9.1 如果请求的资源不是以.py结尾，那么就认为浏览器请求的是静态资源（HTML、CSS、JPG、PNG等）
        if not file_name.endswith(".py"):
            # 静态资源处理逻辑
            pass
        else:
            # 9.2 如果浏览器请求的资源是以.py结尾，则表示浏览器请求的是动态资源
            env = dict()

            env["PATH_INFO"] = file_name

            body = mini_web_frame.application(env, self.set_response_header)

            header = "HTTP/1.1 %s\r\n" % self.status

            for each in self.headers:
                header += "%s:%s\r\n" % (each[0], each[1])

            header += "\r\n"

            response = header + body
            new_client_socket.send(response.encode("utf-8"))

        # 10. 关闭此次服务的套接字
        new_client_socket.close()

    def run_forever(self):
        """用来完成程序整体控制"""
        while True:
            # 4.等待新客户端连接
            new_client_socket, client_addr = self.tcp_server_socket.accept()

            # 5.为连接上的客户端服务
            process = multiprocessing.Process(target=self.serve_client, args=(new_client_socket,))
            process.start()

            new_client_socket.close()

        # 关闭监听套接字
        self.tcp_server_socket.close()


def main():
    """
    控制整体，创建一个web服务器对象，然后调用这个对象的run_forever()方法运行
    :return:
    """
    wsgi_server = WSGIServer()
    wsgi_server.run_forever()


if __name__ == "__main__":
    main()

2. web框架程序

import time


def index():
    return "这是主页"


def login():
    return "这是登录页面"


def application(environ, start_response):
    start_response("200 OK", [("Content-Type", "text/html;charset=utf-8")])

    file_name = environ['PATH_INFO']
    print("file_name = ", file_name)
    if file_name == "/index.py":
        return index()
    elif file_name == "/login.py":
        return login()
    else:
        return "Hello World, 你好，世界: %s" % time.ctime()

3. 代码分析

上述代码中，假设动态资源是以.py结尾的，启动服务器程序后，假设在浏览器的地址栏输入：127.0.0.1:7899/index.py（服务器程序和浏览器处于同一台物理服务器上），则浏览器成功连接上服务器后：

• 服务器程序执行至第45行，提取出资源名称index.py；
• 服务器程序执行至第52行，判断此请求为动态资源；
• 服务器程序执行至第55行，而后定义待传入框架的字典变量；
• 服务器程序执行至第61行，根据WSGI协议，服务器调用web框架中符合WSGI协议的application()函数，并传入两个参数：
  • 字典：用于以键值对形式向web框架传入资源名称；
  • web服务器中符合WSGI协议的函数的引用：用于后续被web框架调用以设置应答的header。
• 转入web框架第12行，开始执行application()函数；
• web框架程序执行至第13行，调用start_response引用的web服务器方法set_response_header()，以设置应答状态和其他header信息，分别存储于服务器的实例属性status和headers中；
• web框架程序继续向下执行，进行业务逻辑处理，处理完成后，application()函数返回；
• 程序回到web服务器程序中，此时application()函数的返回值即作为应答的body；
• 服务器程序执行至第63行，开始拼接应答的header；
• 最后，拼接好的应答response被发送至浏览器。