**本文内容摘录自《Python高效开发实战——Django、Tornado、Flask、Twisted》一书。**该书分为三部分:第1部分是基础篇,带领初学者实践Python开发环境和掌握基本语法,同时对网络协议、Web客户端技术、数据库建模编程等网络编程基础深入浅出地进行学习;第2部分是框架篇,学习当前最流行的Python Web框架,即Django、Tornado、Flask和Twisted,达到对各种Python网络技术融会贯通的目的;第3部分是实战篇,分别对4种框架进行项目实践,利用其各自的特点开发适用于不同场景的网络程序。
目前Python的网络编程框架已经多达几十个,逐个学习它们显然不现实。但这些框架在系统架构和运行环境中有很多共通之处,本文带领读者学习基于Python网络框架开发的常用知识,及目前的4种主流Python网络框架:Django、Tornado、Flask、Twisted。
所谓网络框架是指这样的一组Python包,它能够使开发者专注于网站应用业务逻辑的开发,而无须处理网络应用底层的协议、线程、进程等方面。这样能大大提高开发者的工作效率,同时提高网络应用程序的质量。
在目前Python语言的几十个开发框架中,几乎所有的全栈网络框架都强制或引导开发者使用MVC架构开发Web应用。所谓全栈网络框架,是指除了封装网络和线程操作,还提供HTTP栈、数据库读写管理、HTML模板引擎等一系列功能的网络框架。本文重点讲解的Django、Tornado和Flask是全栈网络框架的典型标杆;而Twisted更专注于网络底层的高性能封装而不提供HTML模板引擎等界面功能,所以不能称之为全栈框架。
MVC(Model-View-Controller)模式最早由Trygve Reenskaug在1978年提出,在20世纪80年代是程序语言Smalltalk的一种内部架构。后来MVC被其他语言所借鉴,成为了软件工程中的一种软件架构模式。MVC把Web应用系统分为3个基本部分。
模型(Model):用于封装与应用程序的业务逻辑相关的数据及对数据的处理方法,是Web应用程序中用于处理应用程序的数据逻辑的部分,Model只提供功能性的接口,通过这些接口可以获取Model的所有功能。Model不依赖于View和Controller,它们可以在任何时候调用Model访问数据。有些Model还提供了事件通知机制,为在其上注册过的View或Controller提供实时的数据更新。
视图(View):负责数据的显示和呈现,View是对用户的直接输出。MVC中的一个Model通常为多个View提供服务。为了获取Model的实时更新数据,View应该尽早地注册到Model中。
控制器(Controller):负责从用户端收集用户的输入,可以看成提供View的反向功能。当用户的输入导致View发生变化时,这种变化必须是通过Model反映给View的。在MVC架构下,Controller一般不能与View直接通信,这样提高了业务数据的一致性,即以Model作为数据中心。
这3个基本部分互相分离,使得在改进和升级界面及用户交互流程时,不需要重写业务逻辑及数据访问代码。MVC架构如图1所示。
MVC架构图
注意:MVC在除Python外的其他语言中也有广泛应用,例如VC++的MFC、Java的Structs及Spring、C#的.NET开发框架,读者应该有深刻的体会。
接下来带领大家学习当今主流的4种Python网络框架。
Django于2003年诞生于美国堪萨斯(Kansas)州,最初用来制作在线新闻Web站点,于2005年加入了BSD许可证家族,成为开源网络框架。Django根据比利时的爵士音乐家Django Reinhardt命名,作者这样命名Django意味着Django能优雅地演奏(开发)功能丰富的乐曲(Web应用)。
它是当前Python世界里最负盛名且最成熟的网络框架。最初用来制作在线新闻的Web站点,目前已发展为应用最广泛的Python网络框架。Django的各模块之间结合得比较紧密,所以在功能强大的同时又是一个相对封闭的系统,但是其健全的在线文档及开发社区,使开发者在遇到问题时能找到解决方法。
Django框架的特点
相对于Python的其他Web框架,Django的功能是最完整的,Django定义了服务发布、路由映射、模板编程、数据处理的一整套功能。这也意味着Django模块之间紧密耦合,开发者需要学习Django自己定义的这一整套技术。Django的主要特点如下。
Django的组成结构
Django是遵循MVC架构的Web开发框架,其主要由以下几部分组成。
Tornado是使用Python编写的一个强大的可扩展的Web服务器。它在处理高网络流量时表现得足够强健,却在创建和编写时有着足够的轻量级,并能够被用在大量的应用和工具中。Tornado作为FriendFeed网站的基础框架,于2009年9月10日发布,目前已经获得了很多社区的支持,并且在一系列不同的场合中得到应用。除FriendFeed和Facebook外,还有很多公司在生产上转向Tornado,包括Quora、Turntable.fm、Bit.ly、Hipmunk及MyYearbook等。
相对于其他Python网络框架,Tornado有如下特点。
因为Tornado的上述特点,Tornado常被用作大型站点的接口服务框架,而不像Django那样着眼于建立完整的大型网站,所以本章着重讲解Tornado的异步及协程编程、身份认证框架、独特的非WSGI部署方式。
Flask是Python Web框架族里比较年轻的一个,于2010年出现,这使得它吸收了其他框架的优点,并且把自己的主要领域定义在了微小项目上。同时,它是可扩展的,Flask让开发者自己选择用什么数据库插件存储他们的数据。很多功能简单但性能卓越的网站就是基于Flask框架而搭建的,比如http://httpbin.org/就是一个功能简单但性能强大的HTTP测试项目。Flask是一个面向简单需求和小型应用的微框架。
相对于其他Python语言的Web框架而言,Flask的特点可以归结如下。
以上讲到的3个Python Web框架都是围绕着应用层HTTP展开的,而Twisted是一个例外。Twisted是一个用Python语言编写的事件驱动的网络框架,对于追求服务器程序性能的应用,Twisted框架是一个很好的选择。
Twisted是一个有着10多年历史的开源事件驱动框架。Twisted支持很多种协议,包括传输层的UDP、TCP、TLS,以及应用层的HTTP、FTP等。对于所有这些协议,Twisted提供了客户端和服务器方面的开发工具。
Twisted框架的历史悠久,其主要发行版本都以Python 2为基础,最新的版本为基于Python 2.7的Twisted-15.4.0。Twisted社区正在开发基于Python 3的版本,但目前为止尚没有基于Python 3的Twisted稳定发行版。
Twisted是一个高性能的编程框架。在不同的操作系统平台上,Twisted利用不同的底层技术实现了高效能通信。在Windows中,Twisted的实现基于I/O完成端口(IOCP,Input/Output Completion Port)技术,它保证了底层高效地将I/O事件通知给框架及应用程序;在Linux中,Twisted的实现基于epoll技术,epoll是Linux下多路复用I/O接口select/poll的增强版本,它能显著提高程序在大量并发连接中只有少量活跃的情况下的系统CPU利用率。
在开发方法上,Twisted引导程序员使用异步编程模型。Twisted提供了丰富的Defer、Threading等特性来支持异步编程。
欲进一步了解Python四大主流网络编程框架的编程方法、项目实战,可参见《Python高效开发实战——Django、Tornado、Flask、Twisted》一书。