Python基础Pro | (19) Web开发

本文取自廖雪峰Python教程,原文地址https://www.liaoxuefeng.com/wiki/1016959663602400。

目录

1. 前言

2. HTTP协议简介

3. HTML简介

4. WSGI接口

5. 使用Web框架

6. 使用模板


1. 前言

最早的软件都是运行在大型机上的,软件使用者通过“哑终端”登陆到大型机上去运行软件。后来随着PC机的兴起,软件开始主要运行在桌面上,而数据库这样的软件运行在服务器端,这种Client/Server模式简称CS架构。

随着互联网的兴起,人们发现,CS架构不适合Web,最大的原因是Web应用程序的修改和升级非常迅速,而CS架构需要每个客户端逐个升级桌面App,因此,Browser/Server模式开始流行,简称BS架构。

在BS架构下,客户端只需要浏览器,应用程序的逻辑和数据都存储在服务器端。浏览器只需要请求服务器,获取Web页面,并把Web页面展示给用户即可。

当然,Web页面也具有极强的交互性。由于Web页面是用HTML编写的,而HTML具备超强的表现力,并且,服务器端升级后,客户端无需任何部署就可以使用到新的版本,因此,BS架构迅速流行起来。

今天,除了重量级的软件如Office,Photoshop等,大部分软件都以Web形式提供。比如,新浪提供的新闻、博客、微博等服务,均是Web应用。

Web应用开发可以说是目前软件开发中最重要的部分。Web开发也经历了好几个阶段:

1)静态Web页面:由文本编辑器直接编辑并生成静态的HTML页面,如果要修改Web页面的内容,就需要再次编辑HTML源文件,早期的互联网Web页面就是静态的;

2)CGI:由于静态Web页面无法与用户交互,比如用户填写了一个注册表单,静态Web页面就无法处理。要处理用户发送的动态数据,出现了Common Gateway Interface,简称CGI,用C/C++编写。

3)ASP/JSP/PHP:由于Web应用特点是修改频繁,用C/C++这样的低级语言非常不适合Web开发,而脚本语言由于开发效率高,与HTML结合紧密,因此,迅速取代了CGI模式。ASP是微软推出的用VBScript脚本编程的Web开发技术,而JSP用Java来编写脚本,PHP本身则是开源的脚本语言。

4)MVC:为了解决直接用脚本语言嵌入HTML导致的可维护性差的问题,Web应用也引入了Model-View-Controller的模式,来简化Web开发。ASP发展为ASP.Net,JSP和PHP也有一大堆MVC框架。

目前,Web开发技术仍在快速发展中,异步开发、新的MVVM前端技术层出不穷。

Python的诞生历史比Web还要早,由于Python是一种解释型的脚本语言,开发效率高,所以非常适合用来做Web开发。

Python有上百种Web开发框架,有很多成熟的模板技术,选择Python开发Web应用,不但开发效率高,而且运行速度快。

本章我们会详细讨论Python Web开发技术。

 

2. HTTP协议简介

在Web应用中,服务器把网页传给浏览器,实际上就是把网页的HTML代码发送给浏览器,让浏览器显示出来。而浏览器和服务器之间的传输协议是HTTP,所以:

1)HTML是一种用来定义网页的文本,会HTML,就可以编写网页;

2)HTTP是在网络上传输HTML的协议,用于浏览器和服务器的通信。

在举例子之前,我们需要安装Google的Chrome浏览器。

为什么要使用Chrome浏览器而不是IE呢?因为IE实在是太慢了,并且,IE对于开发和调试Web应用程序完全是一点用也没有。

我们需要在浏览器很方便地调试我们的Web应用,而Chrome提供了一套完整地调试工具,非常适合Web开发。

安装好Chrome浏览器后,打开Chrome,在菜单中选择“视图”,“开发者”,“开发者工具”,就可以显示开发者工具(快捷键 fn+F12):

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Elements显示网页的结构,Network显示浏览器和服务器的通信。我们点Network,确保第一个小红灯亮着,Chrome就会记录所有浏览器和服务器之间的通信:

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当我们在地址栏输入www.sina.com.cn时,浏览器将显示新浪的首页。在这个过程中,浏览器都干了哪些事情呢?通过Network的记录,我们就可以知道。在Network中,定位到第一条记录,点击,右侧将显示Request Headers,点击右侧的view source,我们就可以看到浏览器发给新浪服务器的请求:

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最主要的头两行分析如下,第一行:

GET / HTTP/1.1

GET表示一个读取请求,将从服务器获得网页数据,/表示URL的路径,URL总是以/开头,/就表示首页,最后的HTTP/1.1指示采用的HTTP协议版本是1.1。目前HTTP协议的版本就是1.1,但是大部分服务器也支持1.0版本,主要区别在于1.1版本允许多个HTTP请求复用一个TCP连接,以加快传输速度。

从第二行开始,每一行都类似于Xxx: abcdefg

Host: www.sina.com.cn

表示请求的域名是www.sina.com.cn。如果一台服务器有多个网站,服务器就需要通过Host来区分浏览器请求的是哪个网站。

继续往下找到Response Headers,点击view source,显示服务器返回的原始响应数据:

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HTTP响应分为Header和Body两部分(Body是可选项),我们在Network中看到的Header最重要的几行如下:

200 OK

200表示一个成功的响应,后面的OK是说明。失败的响应有404 Not Found:网页不存在,500 Internal Server Error:服务器内部出错,等等。

Content-Type: text/html

Content-Type指示响应的内容,这里是text/html表示HTML网页。请注意,浏览器就是依靠Content-Type来判断响应的内容是网页还是图片,是视频还是音乐。浏览器并不靠URL来判断响应的内容,所以,即使URL是http://example.com/abc.jpg,它也不一定就是图片。

HTTP响应的Body就是HTML源码,我们在菜单栏选择“视图”,“开发者”,“查看网页源码”就可以在浏览器中直接查看HTML源码(右键 查看网页源代码):

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当浏览器读取到新浪首页的HTML源码后,它会解析HTML,显示页面,然后,根据HTML里面的各种链接,再发送HTTP请求给新浪服务器,拿到相应的图片、视频、Flash、JavaScript脚本、CSS等各种资源,最终显示出一个完整的页面。所以我们在Network下面能看到很多额外的HTTP请求。

  • HTTP请求

跟踪了新浪的首页,我们来总结一下HTTP请求的流程:

步骤1:浏览器首先向服务器发送HTTP请求,请求包括:

方法:GET还是POSTGET仅请求资源,POST会附带用户数据;

路径:/full/url/path

域名:由Host头指定:Host: www.sina.com.cn

以及其他相关的Header;

如果是POST,那么请求还包括一个Body,包含用户数据。

步骤2:服务器向浏览器返回HTTP响应,响应包括:

响应代码:200表示成功,3xx表示重定向,4xx表示客户端发送的请求有错误,5xx表示服务器端处理时发生了错误;

响应类型:由Content-Type指定,例如:Content-Type: text/html;charset=utf-8表示响应类型是HTML文本,并且编码是UTF-8Content-Type: image/jpeg表示响应类型是JPEG格式的图片;

以及其他相关的Header;

通常服务器的HTTP响应会携带内容,也就是有一个Body,包含响应的内容,网页的HTML源码就在Body中。

步骤3:如果浏览器还需要继续向服务器请求其他资源,比如图片,就再次发出HTTP请求,重复步骤1、2。

Web采用的HTTP协议采用了非常简单的请求-响应模式,从而大大简化了开发。当我们编写一个页面时,我们只需要在HTTP响应中把HTML发送出去,不需要考虑如何附带图片、视频等,浏览器如果需要请求图片和视频,它会发送另一个HTTP请求,因此,一个HTTP请求只处理一个资源。

HTTP协议同时具备极强的扩展性,虽然浏览器请求的是http://www.sina.com.cn/的首页,但是新浪在HTML中可以链入其他服务器的资源,比如,从而将请求压力分散到各个服务器上,并且,一个站点可以链接到其他站点,无数个站点互相链接起来,就形成了World Wide Web,简称“三达不溜”(WWW)。

  • HTTP格式

每个HTTP请求和响应都遵循相同的格式,一个HTTP包含Header和Body两部分,其中Body是可选的。

HTTP协议是一种文本协议,所以,它的格式也非常简单。HTTP GET请求的格式:

GET /path HTTP/1.1
Header1: Value1
Header2: Value2
Header3: Value3

每个Header一行一个,换行符是\r\n

HTTP POST请求的格式:

POST /path HTTP/1.1
Header1: Value1
Header2: Value2
Header3: Value3

body data goes here...

当遇到连续两个\r\n时,Header部分结束,后面的数据全部是Body。

HTTP响应的格式:

200 OK
Header1: Value1
Header2: Value2
Header3: Value3

body data goes here...

HTTP响应如果包含body,也是通过\r\n\r\n来分隔的。请再次注意,Body的数据类型由Content-Type头来确定,如果是网页,Body就是文本,如果是图片,Body就是图片的二进制数据。

当存在Content-Encoding时,Body数据是被压缩的,最常见的压缩方式是gzip,所以,看到Content-Encoding: gzip时,需要将Body数据先解压缩,才能得到真正的数据。压缩的目的在于减少Body的大小,加快网络传输。

要详细了解HTTP协议,推荐“HTTP: The Definitive Guide”一书,非常不错,有中文译本:

HTTP权威指南

3. HTML简介

网页就是HTML?这么理解大概没错。因为网页中不但包含文字,还有图片、视频、Flash小游戏,有复杂的排版、动画效果,所以,HTML定义了一套语法规则,来告诉浏览器如何把一个丰富多彩的页面显示出来。

HTML长什么样?上次我们看了新浪首页的HTML源码,如果仔细数数,竟然有6000多行!

所以,学HTML,就不要指望从新浪入手了。我们来看看最简单的HTML长什么样:



  Hello


  

Hello, world!

可以用文本编辑器编写HTML,然后保存为hello.html,双击或者把文件拖到浏览器中,就可以看到效果:

Python基础Pro | (19) Web开发_第6张图片

HTML文档就是一系列的Tag组成,最外层的Tag是。规范的HTML也包含......(注意不要和HTTP的Header、Body搞混了),由于HTML是富文档模型,所以,还有一系列的Tag用来表示链接、图片、表格、表单等等。

  • css简介

CSS是Cascading Style Sheets(层叠样式表)的简称,CSS用来控制HTML里的所有元素如何展现,比如,给标题元素

加一个样式,变成48号字体,灰色,带阴影:



  Hello
  


  

Hello, world!

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  • JavaScript简介

JavaScript虽然名称有个Java,但它和Java真的一点关系没有。JavaScript是为了让HTML具有交互性而作为脚本语言添加的,JavaScript既可以内嵌到HTML中,也可以从外部链接到HTML中。如果我们希望当用户点击标题时把标题变成红色,就必须通过JavaScript来实现:



  Hello
  
  


  

Hello, world!

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  • 小结

如果要学习Web开发,首先要对HTML、CSS和JavaScript作一定的了解。HTML定义了页面的内容,CSS来控制页面元素的样式,而JavaScript负责页面的交互逻辑。

讲解HTML、CSS和JavaScript就可以写3本书,对于优秀的Web开发人员来说,精通HTML、CSS和JavaScript是必须的,这里推荐一个在线学习网站w3schools:

http://www.w3schools.com/

以及一个对应的中文版本:

http://www.w3school.com.cn/

当我们用Python或者其他语言开发Web应用时,我们就是要在服务器端动态创建出HTML,这样,浏览器就会向不同的用户显示出不同的Web页面。

 

4. WSGI接口

了解了HTTP协议和HTML文档,我们其实就明白了一个Web应用的本质就是:

1)浏览器发送一个HTTP请求;

2)服务器收到请求,生成一个HTML文档;

3)服务器把HTML文档作为HTTP响应的Body发送给浏览器;

4)浏览器收到HTTP响应,从HTTP Body取出HTML文档并显示。

所以,最简单的Web应用就是先把HTML用文件保存好,用一个现成的HTTP服务器软件,接收用户请求,从文件中读取HTML,返回。Apache、Nginx、Lighttpd等这些常见的静态服务器就是干这件事情的

如果要动态生成HTML,就需要把上述步骤自己来实现。不过,接受HTTP请求、解析HTTP请求、发送HTTP响应都是苦力活,如果我们自己来写这些底层代码,还没开始写动态HTML呢,就得花个把月去读HTTP规范。

正确的做法是底层代码由专门的服务器软件实现,我们用Python专注于生成HTML文档。因为我们不希望接触到TCP连接、HTTP原始请求和响应格式,所以,需要一个统一的接口,让我们专心用Python编写Web业务。

这个接口就是WSGI:Web Server Gateway Interface。

WSGI接口定义非常简单,它只要求Web开发者实现一个函数,就可以响应HTTP请求。我们来看一个最简单的Web版本的“Hello, web!”:

def application(environ, start_response):
    start_response('200 OK', [('Content-Type', 'text/html')])
    return [b'

Hello, web!

']

上面的application()函数就是符合WSGI标准的一个HTTP处理函数,它接收两个参数:

1)environ:一个包含所有HTTP请求信息的dict对象;

2)start_response:一个发送HTTP响应的函数。

application()函数中,调用:

start_response('200 OK', [('Content-Type', 'text/html')])

就发送了HTTP响应的Header,注意Header只能发送一次,也就是只能调用一次start_response()函数。start_response()函数接收两个参数,一个是HTTP响应码,一个是一组list表示的HTTP Header,每个Header用一个包含两个strtuple表示。

通常情况下,都应该把Content-Type头发送给浏览器。其他很多常用的HTTP Header也应该发送。

然后,函数的返回值b'

Hello, web!

'将作为HTTP响应的Body发送给浏览器。

有了WSGI,我们关心的就是如何从environ这个dict对象拿到HTTP请求信息,然后构造HTML,通过start_response()发送Header,最后返回Body。

整个application()函数本身没有涉及到任何解析HTTP的部分,也就是说,底层代码不需要我们自己编写,我们只负责在更高层次上考虑如何响应请求就可以了。

不过,等等,这个application()函数怎么调用?如果我们自己调用,两个参数environstart_response我们没法提供,返回的bytes也没法发给浏览器。

所以application()函数必须由WSGI服务器来调用。有很多符合WSGI规范的服务器,我们可以挑选一个来用。但是现在,我们只想尽快测试一下我们编写的application()函数真的可以把HTML输出到浏览器,所以,要赶紧找一个最简单的WSGI服务器,把我们的Web应用程序跑起来。

好消息是Python内置了一个WSGI服务器,这个模块叫wsgiref,它是用纯Python编写的WSGI服务器的参考实现。所谓“参考实现”是指该实现完全符合WSGI标准,但是不考虑任何运行效率,仅供开发和测试使用。

  • 运行WSGI服务

我们先编写hello.py,实现Web应用程序的WSGI处理函数:

# hello.py

def application(environ, start_response):
    start_response('200 OK', [('Content-Type', 'text/html')])
    return [b'

Hello, web!

']

然后,再编写一个server.py,负责启动WSGI服务器,加载application()函数:

# server.py
# 从wsgiref模块导入:
from wsgiref.simple_server import make_server
# 导入我们自己编写的application函数:
from hello import application

# 创建一个服务器,IP地址为空,端口是8000,处理函数是application:
httpd = make_server('', 8000, application)
print('Serving HTTP on port 8000...')
# 开始监听HTTP请求:
httpd.serve_forever()

确保以上两个文件在同一个目录下,然后在命令行输入python server.py来启动WSGI服务器:

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注意:如果8000端口已被其他程序占用,启动将失败,请修改成其他端口。

启动成功后,打开浏览器,输入http://localhost:8000/,就可以看到结果了:

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在命令行可以看到wsgiref打印的log信息:

Ctrl+C终止服务器。

如果你觉得这个Web应用太简单了,可以稍微改造一下,从environ里读取PATH_INFO,这样可以显示更加动态的内容:

# hello.py

def application(environ, start_response):
    start_response('200 OK', [('Content-Type', 'text/html')])
    body = '

Hello, %s!

' % (environ['PATH_INFO'][1:] or 'web') return [body.encode('utf-8')]

你可以在地址栏输入用户名作为URL的一部分,将返回Hello, xxx!

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是不是有点Web App的感觉了?

  • 小结

无论多么复杂的Web应用程序,入口都是一个WSGI处理函数。HTTP请求的所有输入信息都可以通过environ获得,HTTP响应的输出都可以通过start_response()加上函数返回值作为Body。

复杂的Web应用程序,光靠一个WSGI函数来处理还是太底层了,我们需要在WSGI之上再抽象出Web框架,进一步简化Web开发。

 

5. 使用Web框架

了解了WSGI框架,我们发现:其实一个Web App,就是写一个WSGI的处理函数,针对每个HTTP请求进行响应。

但是如何处理HTTP请求不是问题,问题是如何处理100个不同的URL。

每一个URL可以对应GET和POST请求,当然还有PUT、DELETE等请求,但是我们通常只考虑最常见的GET和POST请求。

一个最简单的想法是从environ变量里取出HTTP请求的信息,然后逐个判断:

def application(environ, start_response):
    method = environ['REQUEST_METHOD']
    path = environ['PATH_INFO']
    if method=='GET' and path=='/':
        return handle_home(environ, start_response)
    if method=='POST' and path='/signin':
        return handle_signin(environ, start_response)
    ...

只是这么写下去代码是肯定没法维护了。

代码这么写没法维护的原因是因为WSGI提供的接口虽然比HTTP接口高级了不少,但和Web App的处理逻辑比,还是比较低级,我们需要在WSGI接口之上能进一步抽象,让我们专注于用一个函数处理一个URL,至于URL到函数的映射,就交给Web框架来做。

由于用Python开发一个Web框架十分容易,所以Python有上百个开源的Web框架。这里我们先不讨论各种Web框架的优缺点,直接选择一个比较流行的Web框架——Flask来使用。

用Flask编写Web App比WSGI接口简单(这不是废话么,要是比WSGI还复杂,用框架干嘛?),我们先用pip安装Flask:

$ pip install flask

然后写一个app.py,处理3个URL,分别是:

1)GET /:首页,返回Home

2)GET /signin:登录页,显示登录表单;

3)POST /signin:处理登录表单,显示登录结果。

注意噢,同一个URL/signin分别有GET和POST两种请求,映射到两个处理函数中。

Flask通过Python的装饰器在内部自动地把URL和函数给关联起来,所以,我们写出来的代码就像这样:

from flask import Flask
from flask import request

app = Flask(__name__)

@app.route('/', methods=['GET', 'POST'])
def home():
    return '

Home

' @app.route('/signin', methods=['GET']) def signin_form(): return '''

''' @app.route('/signin', methods=['POST']) def signin(): # 需要从request对象读取表单内容: if request.form['username']=='admin' and request.form['password']=='password': return '

Hello, admin!

' return '

Bad username or password.

' if __name__ == '__main__': app.run()

运行python app.py,Flask自带的Server在端口5000上监听:

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打开浏览器,输入首页地址http://localhost:5000/

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首页显示正确!

再在浏览器地址栏输入http://localhost:5000/signin,会显示登录表单:

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输入预设的用户名admin和口令password,登录成功:

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输入其他错误的用户名和口令,登录失败:

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实际的Web App应该拿到用户名和口令后,去数据库查询再比对,来判断用户是否能登录成功。

除了Flask,常见的Python Web框架还有:

1)Django:全能型Web框架;

2)web.py:一个小巧的Web框架;

3)Bottle:和Flask类似的Web框架;

4)Tornado:Facebook的开源异步Web框架。

当然了,因为开发Python的Web框架也不是什么难事,我们后面也会讲到开发Web框架的内容。

  • 小结

有了Web框架,我们在编写Web应用时,注意力就从WSGI处理函数转移到URL+对应的处理函数,这样,编写Web App就更加简单了。

在编写URL处理函数时,除了配置URL外,从HTTP请求拿到用户数据也是非常重要的。Web框架都提供了自己的API来实现这些功能。Flask通过request.form['name']来获取表单的内容。

 

6. 使用模板

Web框架把我们从WSGI中拯救出来了。现在,我们只需要不断地编写函数,带上URL,就可以继续Web App的开发了。

但是,Web App不仅仅是处理逻辑,展示给用户的页面也非常重要。在函数中返回一个包含HTML的字符串,简单的页面还可以,但是,想想新浪首页的6000多行的HTML,你确信能在Python的字符串中正确地写出来么?反正我是做不到。

俗话说得好,不懂前端的Python工程师不是好的产品经理。有Web开发经验的同学都明白,Web App最复杂的部分就在HTML页面。HTML不仅要正确,还要通过CSS美化,再加上复杂的JavaScript脚本来实现各种交互和动画效果。总之,生成HTML页面的难度很大。

由于在Python代码里拼字符串是不现实的,所以,模板技术出现了。

使用模板,我们需要预先准备一个HTML文档,这个HTML文档不是普通的HTML,而是嵌入了一些变量和指令,然后,根据我们传入的数据,替换后,得到最终的HTML,发送给用户:

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这就是传说中的MVC:Model-View-Controller,中文名“模型-视图-控制器”。

Python处理URL的函数就是C:Controller,Controller负责业务逻辑,比如检查用户名是否存在,取出用户信息等等;

包含变量{{ name }}的模板就是V:View,View负责显示逻辑,通过简单地替换一些变量,View最终输出的就是用户看到的HTML。

MVC中的Model在哪?Model是用来传给View的,这样View在替换变量的时候,就可以从Model中取出相应的数据。

上面的例子中,Model就是一个dict

{ 'name': 'Michael' }

只是因为Python支持关键字参数,很多Web框架允许传入关键字参数,然后,在框架内部组装出一个dict作为Model。

现在,我们把上次直接输出字符串作为HTML的例子用高端大气上档次的MVC模式改写一下:

from flask import Flask, request, render_template

app = Flask(__name__)

@app.route('/', methods=['GET', 'POST'])
def home():
    return render_template('home.html')

@app.route('/signin', methods=['GET'])
def signin_form():
    return render_template('form.html')

@app.route('/signin', methods=['POST'])
def signin():
    username = request.form['username']
    password = request.form['password']
    if username=='admin' and password=='password':
        return render_template('signin-ok.html', username=username)
    return render_template('form.html', message='Bad username or password', username=username)

if __name__ == '__main__':
    app.run()

Flask通过render_template()函数来实现模板的渲染。和Web框架类似,Python的模板也有很多种。Flask默认支持的模板是jinja2,所以我们先直接安装jinja2:

$ pip install jinja2

然后,开始编写jinja2模板:

home.html

用来显示首页的模板:



  Home


  

Home

form.html

用来显示登录表单的模板:



  Please Sign In


  {% if message %}
  

{{ message }}

{% endif %}
Please sign in:

signin-ok.html

登录成功的模板:



  Welcome, {{ username }}


  

Welcome, {{ username }}!

登录失败的模板呢?我们在form.html中加了一点条件判断,把form.html重用为登录失败的模板。

最后,一定要把模板放到正确的templates目录下,templatesapp.py在同级目录下:

启动python app.py,看看使用模板的页面效果:

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通过MVC,我们在Python代码中处理M:Model和C:Controller,而V:View是通过模板处理的,这样,我们就成功地把Python代码和HTML代码最大限度地分离了。

使用模板的另一大好处是,模板改起来很方便,而且,改完保存后,刷新浏览器就能看到最新的效果,这对于调试HTML、CSS和JavaScript的前端工程师来说实在是太重要了。

在Jinja2模板中,我们用{{ name }}表示一个需要替换的变量。很多时候,还需要循环、条件判断等指令语句,在Jinja2中,用{% ... %}表示指令。

比如循环输出页码:

{% for i in page_list %}
    {{ i }}
{% endfor %}

如果page_list是一个list:[1, 2, 3, 4, 5],上面的模板将输出5个超链接。

除了Jinja2,常见的模板还有:

1)Mako:用<% ... %>${xxx}的一个模板;

2)Cheetah:也是用<% ... %>${xxx}的一个模板;

3)Django:Django是一站式框架,内置一个用{% ... %}{{ xxx }}的模板。

  • 小结

有了MVC,我们就分离了Python代码和HTML代码。HTML代码全部放到模板里,写起来更有效率。

 

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