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什么是 Web 框架?

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原文:http://cizixs.com/2015/09/21/what-is-a-web-framework

全文约 6805 字,读完可能需要 10 分钟。

原文地址: http://jeffknupp.com/blog/2014/03/03/what-is-a-web-framework/

Web 应用框架,简称为 web 框架,是编写 web 应用程序的基石。不管简单的博客系统,还是 Ajax 为主的应用,网络上所有的页面都是代码构成的。进来我发现,很多想学习诸如 Flask 或者 Django 等 web 框架的开发者,并不很了解 web 框架是什么,它们的作用和工作原理。

这篇文章,我将会讲一下这个通常会被忽略的话题。希望读完这篇文章,你能比较深刻地理解 web 框架到底是什么,还有为什么会有 web 框架。这些知识将有利于你学习新的 web 框架,而且在选择 web 框架的时候有法可依。

1.WEB 是什么工作的?

在讨论框架之前,我们要先了解一下网页是怎么工作。我们就从你在浏览器输入一个网址,摁下 enter 键说起。打开你的浏览器,输入 http://jeffknupp.com(译者注:原作者的个人网站首页),我们来看看你的浏览器做了那些事情(DNS 查询的 buffer 就略过),才能显示你看到的网页。

1.1.web servers,和 web … servers …

浏览器接接收到的网页都是 HTML 文件, HTML 是一种描述网页内容和结构的语言。负责给浏览器发送 HTML 的程序称为 web server,容易混淆的是,这个应用程序所在的机器通常也被称为 web server。

最重要的一点是,所有的 web 应用做的事情就是把 HTML 内容发送给浏览器。不论这个 web 应用有多么复杂,最终的任务都是把 HTML(我故意忽略掉其他格式的内容,比如 JSON,CSS 文件,因为原理都是一样的)发送给浏览器。

问题来了:web 应用如何知道要发送什么内容给浏览器呢?答案:它会发送浏览器请求的内容。

1.2.HTTP

浏览器从 web server 下载内容所用的是 HTTP 协议(协议在计算机科学中,指的是双方通信所共同遵循的数据格式和通信步骤)。 HTTP 协议的基础是 请求-应答 ( request-response) 模型。客户端(你的浏览器) 请求 某台物理机上 web 应用的数据,web server 则负责 应答请求的数据。

有个重要的事情是:所有的通信都是客户端(你的浏览器)发起的。服务端(web server)是不可能主动连接你,发送没有请求的数据的。如果你收到了数据,只是因为你的浏览器主动请求了这些数据。

1.2.1.HTTP 方法

HTTP 协议的每条消息都有对应的方法(method),不同的方法对应了客户端能发起的不同请求,也对应了客户端不同的意图。比如,请求 网页的 HTML 和提交一个表格在逻辑上是不同的,所以这两种方法需要两种不同的方法。

1.2.2.HTTP GET

顾名思义, GET 方法就是从 web server 获取(get)数据, GET 请求也是目前最常用的 HTTP 请求。 处理 GET 请求的过程中,web 应用只需要返回请求的数据,无需其他操作。尤其是,不应该修改应用的状态(比如, GET 请求不应该导致一个新用户被创建)。因为这个原因, GET 请求通常被看做是 安全 的。

1.2.3.HTTP POST

和网站的交互,明显不只是查看网页的。我们还会通过表格等形式发送数据给 web 应用,这些操作需要用到另外一种请求: POST。 POST 请求通常会传递用户创建的信息,导致 web 应用执行某些动作。输入自己的信息,来注册某个网站就会用到 POST 请求,请求中会包含你输入的数据。

和 GET 请求不同的是, POST 请求通常会导致 web 应用状态的改变。上面提及的例子中,表单被提交后,一个新的用户会被创建。还有一点不同, POST 请求的结果可能不会返回 HTML 数据给客户端,客户端需要通过 response code 来判断操作是否成功。

1.2.4.HTTP response code

正常情况下,web server 会返回 200 的 response code,意思是:我已经完成了你要我做的事情,并且一切都没有问题。 response code 是三位的数字,每次应答都要包含一个 response code,来标识请求的结果。 200 表示 OK,是 GET 方法常见的返回值。 POST请求经常会返还 204(No contnet),表示:一切正常,但是我没有数据可以展示给你。

还需要注意的是: POST 请求发送给的 url,可能和数据发送出去的 url 不同。继续以我们的注册页面为例,注册表可能位于 http://foo.com/signup,点击 submit 之后,包含着注册数据的 POST 请求可能被发送到 http://foo.com/process_signup。 POST 请求要发送到的地址,一般在注册表格的 HTML 源码里指定。

1.3.4.Web 应用

掌握 GET 和 POST 方法就能做很多事情,因为它们是 web 上最常用的两个方法。总结一下,web 应用就是接收 HTTP 请求,然后返回 HTTP 应答,一般是包含请求数据的 HTML。 POST 方法会导致 web 应用执行某些动作,例如在数据库添加一条记录。当然还有其他的 HTTP 方法,但目前我们只需要关心 GET 和 POST 就足够啦。

最简单的 web 应用长什么样呢?我们就来写一个监听在 80 端口的 web 应用,一旦和客户端建立连接,就等待客户端发起请求,并返回非常简单的 HTML

这个程序是这样的:

  1. import socket

  2. HOST = ''

  3. PORT = 80

  4. listen_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

  5. listen_socket.bind((HOST, PORT))

  6. listen_socket.listen(1)

  7. connection, address = listen_socket.accept()

  8. request = connection.recv(1024)

  9. connection.sendall("""HTTP/1.1 200 OK

  10. Content-type: text/html

  11.    

  12.        

    1.1.Hello, World!

  13.    

  14. """)

  15. connection.close()

(如果上面的程序报端口错误,可以把 PORT 的值修改成其他值,比如 8080。)

上面的代码只会接收一个连接和一个请求,不管请求的 URL 是什么,都会返回同样的 HTTP内容,response code 是 200。(很明显,这不算真正的 web server)。在这个例子,我们告诉客户端,返回的数据格式为 HTML,而不是其他的格式,比如 JSON

2.1.1.1.request 请求解析

如果看一下上面例子中发送的 HTTP 请求(译者注:可以使用 chrome 的 inspect elements -> Network,或者抓包工具 tcpdump 等工具查看发送的 HTTP 请求),就会发现它和应答很相似。请求的第一行是:

  1. Method> version>

在这个例子里就是 GET / HTTP/1.1。第一行后面跟着的是请求的头部(headers),比如 Accept: */*(表示可以接收任何格式的内容作为应答)。基本上就这么多。

我们发送的应答也是类似的格式,第一行是:

  1. version> Status-Code> Reason-Phrase>

这个例子中就是 HTTP/1.1 200 OK。然后是头部,和请求的头部一样。最后是应答的实际内容。注意:应答也可能是字符串或者二进制对象,头部的 Content-typ 就是来标识应答内容,让客户端来解析的。

2.1.1.2.web server 更多琐碎的细节

要在上面的例子基础上继续扩展的话,还有很多需要我们来解决的问题:

  1. 怎么查看请求的 URL,然后返回不同的页面?

  2. 除了 GET 请求,怎么处理 POST 请求?

  3. 怎么处理很复杂的概念,比如 sessions 和 cookies?

  4. 如何扩展这个应用,让它可以同时处理数千条连接?

可以想象,没人会愿意每次编写 web 应用的时候都要自己处理这些问题。为了解决这个难题,就会存在很多的软件包帮你处理这些烦人的细节,让开发者可以把心思放到业务逻辑上。记住,不管 web 框架多么负责,其最核心的功能和我们上面的例子是一样的:监听客户端请求,然后返回 HTML 给客户端。

NOTE:客户端的框架和上面的内容迥然不同。

2.1.2.解决两个难题:路由(routing)和模板(templates)

在构建 web 应用的所有的问题中,有两个比较突出:

  1. 怎么把请求 URL 和处理它的那部分代码对应起来?

  2. 怎么动态地生产请求内容?包括所有要计算的值,和从数据库获取的信息?

每个 web 框架解决这两个问题的方法都不太相同,我们就举 Flask 和 Django 的例子来说明这个问题。首先,我们还要来说一下 MVC 模式。

2.1.3.Django 中的 MVC

Django 采用 MVC 模式, 所以要求使用这个框架的代码都遵循这个模式。MVC,是 Model-View-Controller 的缩写,用来分离应用的不同责任。数据库表所代表的资源用 models 来表示,controllers 负责应用的业务逻辑和操作 models。Views 则负责动态生成代表页面的 HTML

不过容易让人混淆的是,django 中 controllers 被称作 views,而 views 被称为 templates。除了命名外,django 算是比较直接的 MVC 架构。

2.1.4.Django 的路由(routing)机制

这里说的路由(routing)就是把请求的 URL 对应到处理生成相关 HTML 的代码。最简单的例子,所有的请求都是相同的代码处理(就是我们之前编写的代码)。复杂一点呢,每个的 URL 都对应一个不同的 view function。比如,有个地方的逻辑是接收到 www.foo.com/bar请求,就把它交给 handle_bar() 函数处理。我们可以这样依次编写出所有 url 对应的处理函数。

不过,这个方法有个致命伤:没有办法处理带有动态数据的 URL,比如说资源的 ID(例如 http://www.foo.com/users/3)。我们怎么把这个 URL 映射到函数,同时能传过去用户 ID 信息呢?

Django 采用的方法是利用正则表达式:用正则表达式匹配 URL,然后把匹配的数据作为参数传递给处理函数。比如,我可以说匹配 ^/users/(?P\d+)/$ 的 URL 会调用 display_user(id) 函数,其中 id 就是正则表达式括号里匹配的内容。利用这种方式,任何 /users/<some number> 类型的 URL 都能对应到 display_user 函数,并且正则表达式可以无限复杂,包含任意的关键字和未知参数。

2.1.5.Flask 的 路由机制

Flask 采用的是另外一种方法。把 url 对应到函数参照的是 route() 装饰器。下面的 Flask 代码和上面提到的正则表达式代码功能相同:

  1. @app.route('/users//')

  2. def display_user(id):

  3.    # ...

如你所见,装饰器使用的是简化版的正则表达式来传递参数,参数被 route 参数中  的指令捕获。要路由 /info/about.html 这样的页面,就需要 @app.route('/info/about_us.html')

2.1.6.根据模板生成 HTML

继续上面的例子,一旦我们知道怎么把 URL 对应到逻辑代码,那么要怎么动态地生成 HTML,并且方便开发者手动编辑呢?Django 和 Flask 两者这次方法一样,那就是 —- HTML 模板。

HTML 模板 有点像 string.format():预期的输出首先要用站位标识,然后再填入动态的数据。可以把这个网页想象成一个字符串,里面用括号标识动态的数据,最后调用 str.format() 生成最终的结果。Django 的 模板引擎和 Flask 采用的 jinja2 都是这个原理。

不过,并不是所有的模板引擎地位都一样。Django 的模板只支持简单的变成,而 Jinja2 却能让你执行任意的代码(当然并发完全可以,不过已经很近似)。Jinja2 很会 cache 渲染的结果,下次有同样的参数传过来的时候,就会直接从 cache 获取结果,而不需要重新渲染。

2.1.7.数据库集成

Django,宣称”自带电池”(batteries included),然后也会包含 ORM(Object Relational Mapper)。 ORM 的目的有两个:把 python 的类映射到数据的表结构,和通过封装隐藏不同数据库之间的差异(第一点是它更主要的功能)。没有人喜欢 ORM(因为不同域之间的 mapping 从不完美),不过这些缺点都是可以接受的。 Django 功能比较全面,Flask 作为一个微框架,并不自带 ORM(不过它很好兼容 SQLAlchemy,Django ORM 最大的竞争者)。

因为包含 ORM,Django 能够创建功能齐全的 CRUD 应用。 CRUD(Create Read Update Delete)是 web 框架(服务器端)最美好的地方,Django 和 Flask-SQLAlchemy 使得 CRUD 操作很直接。

3.1.Web 框架总结

写到这,web 框架出现的目的也比较明确了:隐藏基础而又烦人的处理 HTTP 请求和应答的代码。至于要隐藏多少内容,就要看框架啦。Django 和 Flask 代表了两个极端。Django 每种情况都有涉及,而 Flask 标榜自己是”微框架”,只处理 web 程序最核心的功能,依赖其他三方插件来完成其他不常用的工作。

写了这么多,记住,所有的 python web 框架功能方式都一样:它们接收 HTTP 请求,然后分发任务,并生成 HTML,然后返回包含 HTML 的 HTTP 应答。事实上,所有的 server 端框架(除了 Javascript 框架)都是这么工作的。希望,看完这篇文章,你已经知道 web 框架的目的,也知道怎么去选择 web 框架啦。


题图:pexels,CC0 授权。

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