廖雪峰《python3 基础教程》读书笔记——第二十一章 Web开发

第二十一章 Web开发

1、CS架构：

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。

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。

2、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。

3、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：

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；

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。

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。

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。

21.1 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：

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：

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：

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：

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：

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POST，GET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；

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请求中把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

 

21.2 HTML简介

1、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, 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：

hello.html

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...和...（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。

2、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, world!

效果如下：

hello-css

3、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, world!

点击标题后效果如下：

hello-js-change-color

【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。

 

21.3 WSG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：

environ：一个包含所有HTTP请求信息的dict对象；

start_response：一个发送HTTP响应的函数。

在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str的tuple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environ和start_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。

1、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：

wsgiref-start

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：

hello-web

在命令行可以看到wsgiref打印的log信息：

wsgiref-log

按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!：

hello-michael

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。

21.4 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：

GET /：首页，返回Home；

GET /signin：登录页，显示登录表单；

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 '''

              

              

              

Sign In

              

'''

@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：

$ python app.py

 * Running on http://127.0.0.1:5000/

打开浏览器，输入首页地址http://localhost:5000/：

 

flask-home

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：

flask-signin-form

输入预设的用户名admin和口令password，登录成功：

flask-signin-ok

输入其他错误的用户名和口令，登录失败：

flask-signin-failed

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：

Django：全能型Web框架；

web.py：一个小巧的Web框架；

Bottle：和Flask类似的Web框架；

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。

 

21.5 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：

mvc-seq

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

form.html

用来显示登录表单的模板：

  

  {% if message %}

  

{{ message }}

  {% endif %}

  

    

Please sign in:

    

    

    

Sign In

  

signin-ok.html

登录成功的模板：

  

  

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，templates和app.py在同级目录下：

mvc-dir

启动python app.py，看看使用模板的页面效果：

mvc-form

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：

Mako：用<% ... %>和${xxx}的一个模板；

Cheetah：也是用<% ... %>和${xxx}的一个模板；

Django：Django是一站式框架，内置一个用{% ... %}和{{ 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。