Python 搭建Web站点之Web服务器网关接口

在 Python 搭建Web站点之Web服务器与Web框架 中我们弄清楚了Web 服务器、Web 应用程序、Web框架的概念。对于 Python 来说，越来越多的 Web 框架面世，在给我们更多选择机会的同时，也限制了我们对于 Web Server 的选择。同样是有着很多 Web 框架的Java，因为有着 servlet API 的存在，任何Java Web框架写的应用程序都可以运行在任意一个 Web Server 上。

Python 社区当然也需要这样一套 API，来适配Web服务器和应用程序，这套 API 就是 WSGI(Python Web Server Gateway Interface)，在 PEP 3333 里有详细的说明。简单来说，WSGI是连接Web服务器和Web应用程序的桥梁，一方面从Web server 拿到原始 HTTP 数据，处理成统一格式后交给 Web 应用程序，另一方面从应用程序/框架这边进行业务逻辑处理，生成响应内容后交给服务器。

Web服务器和框架通过 WSGI 来进行耦合的详细过程如下图所示：

WSGI Server 适配

具体解释如下：

应用程序(网络框架)提供一个命名为application的可调用对象(WSGI协议并没有指定如何实现这个对象)。 服务器每次从HTTP客户端接收请求之后，调用可调用对象application，调用时传递一个名叫environ的字典作为参数，以及一个名为start_response的可调用对象。 框架/应用生成HTTP状态码以及HTTP响应报头，然后将二者传递至start_response，等待服务器保存。此外，框架/应用还将返回响应的正文。 服务器将状态码、响应报头和响应正文组合成HTTP响应，并返回给客户端(这一步并不属于WSGI协议)。

下面分别从服务器端和应用程序端来看看 WSGI 是如何做适配的。

服务器端

我们知道客户端(通常是浏览器)发出的每个HTTP请求由请求行、消息报头、请求正文三部分组成，里面包含了本次请求的相关细节内容。比如：

Method：指出在由Request-URI标识的资源上所执行的方法，包括GET，POST 等 User-Agent：允许客户端将它的操作系统、浏览器和其它属性告诉服务器;

服务器从客户端接收HTTP请求之后，WSGI 接口必须要对这些请求字段进行统一化处理，方便传给应用服务器接口(其实就是给框架)。Web服务器具体传递哪些数据给应用程序，早在CGI(Common Gateway Interface，通用网关接口)里就有详细规定，这些数据被叫做 CGI 环境变量。WSGI 沿用了 CGI 环境变量的内容，要求 Web 服务器必须创建一个字典用来保存这些环境变量(一般将其命名为 environ)。除了 CGI 定义的变量，environ 还必须保存一些WSGI定义的变量，此外还可以保存一些客户端系统的环境变量，可以参考environ Variables 来看看具体有哪些变量。

接着 WSGI 接口必须将 environ 交给应用程序去处理，这里 WSGI 规定应用程序提供一个可调用对象 application，然后服务器去调用 application，获得返回值为HTTP响应正文。服务器在调用 application 的时候，需要提供两个变量，一个是前面提到的变量字典environ，另一个是可调用对象 start_response，它产生状态码和响应头，这样我们就得到了一个完整的HTTP响应。Web 服务器将响应返回给客户端，一次完整的HTTP请求-响应过程就完成了。

wsgiref 分析

Python 中内置了一个实现了WSGI接口的 Web 服务器，在模块wsgiref中，它是用纯Python编写的WSGI服务器的参考实现，我们一起来简单分析一下它的实现。首先假设我们用下面代码启动一个 Web 服务器：

    # Instantiate the server 
    httpd = make_server( 
     'localhost', # The host name 
     8051,   # A port number where to wait for the request 
     application  # The application object name, in this case a function 
    ) 
    # Wait for a single request, serve it and quit 
    httpd.handle_request() 

然后我们以Web服务器接收一个请求、生成 environ，然后调用 application 来处理请求这条主线来分析源码的调用过程，简化如下图所示：

WSGI Server 调用流程

这里主要有三个类，WSGIServer，WSGIRequestHandler，ServerHandle。WSGIServer 是Web服务器类，可以提供server_address(IP:Port)和 WSGIRequestHandler 类来进行初始化获得一个server对象。该对象监听响应的端口，收到HTTP请求后通过 finish_request 创建一个RequestHandler 类的实例，在该实例的初始化过程中会生成一个 Handle 类实例，然后调用其 run(application) 函数，在该函数里面再调用应用程序提供的 application对象来生成响应。

这三个类的继承关系如下图所示：

WSGI 类继承关系图

其中 TCPServer 使用 socket 来完成 TCP 通信，HTTPServer 则是用来做 HTTP 层面的处理。同样的，StreamRequestHandler 来处理 stream socket，BaseHTTPRequestHandler 则是用来处理 HTTP 层面的内容，这部分和 WSGI 接口关系不大，更多的是 Web 服务器的具体实现，可以忽略。

微服务器实例

如果上面的 wsgiref 过于复杂的话，下面一起来实现一个微小的 Web 服务器，便于我们理解 Web 服务器端 WSGI 接口的实现。代码摘自 自己动手开发网络服务器(二)，放在 gist 上，主要结构如下：

    class WSGIServer(object): 
     # 套接字参数 
     address_family, socket_type = socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM 
     request_queue_size = 1 
     def __init__(self, server_address): 
      # TCP 服务端初始化：创建套接字，绑定地址，监听端口 
      # 获取服务器地址，端口 
     def set_app(self, application): 
      # 获取框架提供的 application 
      self.application = application 
     def serve_forever(self): 
      # 处理 TCP 连接：获取请求内容，调用处理函数 
     def handle_request(self): 
      # 解析 HTTP 请求，获取 environ，处理请求内容，返回HTTP响应结果 
      env = self.get_environ() 
      result = self.application(env, self.start_response) 
      self.finish_response(result) 
     def parse_request(self, text): 
      # 解析 HTTP 请求 

     def get_environ(self): 
      # 分析 environ 参数，这里只是示例，实际情况有很多参数。 
      env['wsgi.url_scheme'] = 'http' 
      ... 
      env['REQUEST_METHOD'] = self.request_method # GET 
      ... 
      return env 
     def start_response(self, status, response_headers, exc_info=None): 
      # 添加响应头，状态码 
      self.headers_set = [status, response_headers + server_headers] 
     def finish_response(self, result): 
      # 返回 HTTP 响应信息 
    SERVER_ADDRESS = (HOST, PORT) = '', 8888 
    # 创建一个服务器实例 
    def make_server(server_address, application): 
     server = WSGIServer(server_address) 
     server.set_app(application) 
     return server

目前支持 WSGI 的成熟Web服务器有很多，Gunicorn是相当不错的一个。它脱胎于ruby社区的Unicorn，成功移植到python上，成为一个WSGI HTTP Server。有以下优点：

容易配置 可以自动管理多个worker进程 选择不同的后台扩展接口(sync, gevent, tornado等) 应用程序端(框架)

和服务器端相比，应用程序端(也可以认为框架)要做的事情就简单很多，它只需要提供一个可调用对象(一般习惯将其命名为application)，这个对象接收服务器端传递的两个参数 environ 和 start_response。这里的可调用对象不仅可以是函数，还可以是类(下面第二个示例)或者拥有 call 方法的实例，总之只要可以接受前面说的两个参数，并且返回值可以被服务器进行迭代即可。

Application 具体要做的就是根据 environ 里面提供的关于 HTTP 请求的信息，进行一定的业务处理，返回一个可迭代对象，服务器端通过迭代这个对象，来获得 HTTP 响应的正文。如果没有响应正文，那么可以返回None。

同时，application 还会调用服务器提供的 start_response，产生HTTP响应的状态码和响应头，原型如下：

def start_response(self, status, headers,exc_info=None):  

Application 需要提供 status：一个字符串，表示HTTP响应状态字符串，还有 response_headers: 一个列表，包含有如下形式的元组：(header_name, header_value)，用来表示HTTP响应的headers。同时 exc_info 是可选的，用于出错时，server需要返回给浏览器的信息。

到这里为止，我们就可以实现一个简单的 application 了，如下所示：

    def simple_app(environ, start_response): 
     """Simplest possible application function""" 
     HELLO_WORLD = "Hello world!\n" 
     status = '200 OK' 
     response_headers = [('Content-type', 'text/plain')] 
     start_response(status, response_headers) 
     return [HELLO_WORLD] 

或者用类实现如下。

    class AppClass: 
     """Produce the same output, but using a class""" 
     def __init__(self, environ, start_response): 
      self.environ = environ 
      self.start = start_response 
     def __iter__(self): 
      ... 
      HELLO_WORLD = "Hello world!\n" 
      yield HELLO_WORLD 

注意这里 AppClass 类本身就是 application，用 environ 和 start_response 调用(实例化)它返回一个实例对象，这个实例对象本身是可迭代的，符合 WSGI 对 application 的要求。

如果想使用 AppClass 类的对象作为 application，那么必须给类添加一个 call 方法，接受 environ 和 start_response 为参数，返回可迭代对象，如下所示：

    class AppClass: 
     """Produce the same output, but using an object""" 
     def __call__(self, environ, start_response): 

这部分涉及到python的一些高级特性，比如 yield 和 magic method，可以参考我总结的python语言要点来理解。

Flask 中的 WSGI

flask 是一个轻量级的Python Web框架，符合 WSGI 的规范要求。它的最初版本只有 600 多行，相对便于理解。下面我们来看下它最初版本中关于 WSGI 接口的部分。

    def wsgi_app(self, environ, start_response): 
     """The actual WSGI application. 
     This is not implemented in `__call__` so that middlewares can be applied: 
      app.wsgi_app = MyMiddleware(app.wsgi_app) 
     """ 
     with self.request_context(environ): 
      rv = self.preprocess_request() 
      if rv is None: 
       rv = self.dispatch_request() 
      response = self.make_response(rv) 
      response = self.process_response(response) 
      return response(environ, start_response) 
    def __call__(self, environ, start_response): 
     """Shortcut for :attr:`wsgi_app`""" 
     return self.wsgi_app(environ, start_response) 

这里的 wsgi_app 实现了我们说的 application 功能，rv 是 对请求的封装，response 是框架用来处理业务逻辑的具体函数。这里对 flask 源码不做过多解释，感兴趣的可以去github下载，然后check 到最初版本去查看。

中间件

前面 flask 代码 wsgi_app 函数的注释中提到不直接在 call 中实现 application 部分，是为了可以使用中间件。 那么为什么要使用中间件，中间件又是什么呢?

回顾前面的 application/server 端接口，对于一个 HTTP 请求，server 端总是会调用一个 application 来进行处理，并返回 application 处理后的结果。这足够应付一般的场景了，不过并不完善，考虑下面的几种应用场景：

对于不同的请求(比如不同的 URL)，server 需要调用不同的 application，那么如何选择调用哪个呢; 为了做负载均衡或者是远程处理，需要使用网络上其他主机上运行的 application 来做处理; 需要对 application 返回的内容做一定处理后才能作为 HTTP 响应;

上面这些场景有一个共同点就是，有一些必需的操作不管放在服务端还是应用(框架)端都不合适。对应用端来说，这些操作应该由服务器端来做，对服务器端来说，这些操作应该由应用端来做。为了处理这种情况，引入了中间件。

中间件就像是应用端和服务端的桥梁，来沟通两边。对服务器端来说，中间件表现的像是应用端，对应用端来说，它表现的像是服务器端。如下图所示：

中间件

中间件的实现

flask 框架在 Flask 类的初始化代码中就使用了中间件：

    self.wsgi_app = SharedDataMiddleware(self.wsgi_app, { self.static_path: target }) 

这里的作用和 python 中的装饰器一样，就是在执行 self.wsgi_app 前后执行 SharedDataMiddleware 中的一些内容。中间件做的事，很类似python中装饰器做的事情。SharedDataMiddleware 中间件是 werkzeug 库提供的，用来支持站点托管静态内容。此外，还有DispatcherMiddleware 中间件，用来支持根据不同的请求，调用不同的 application，这样就可以解决前面场景 1, 2 中的问题了。

下面来看看 DispatcherMiddleware 的实现：

    class DispatcherMiddleware(object): 
     """Allows one to mount middlewares or applications in a WSGI application. 
     This is useful if you want to combine multiple WSGI applications:: 
      app = DispatcherMiddleware(app, { 
       '/app2':  app2, 
       '/app3':  app3 
      }) 
     """ 
     def __init__(self, app, mounts=None): 
      self.app = app 
      self.mounts = mounts or {} 
     def __call__(self, environ, start_response): 
      script = environ.get('PATH_INFO', '') 
      path_info = '' 
      while '/' in script: 
       if script in self.mounts: 
        app = self.mounts[script] 
        break 
       script, last_item = script.rsplit('/', 1) 
       path_info = '/%s%s' % (last_item, path_info) 
      else: 
       app = self.mounts.get(script, self.app) 
      original_script_name = environ.get('SCRIPT_NAME', '') 
      environ['SCRIPT_NAME'] = original_script_name + script 
      environ['PATH_INFO'] = path_info 
      return app(environ, start_response) 

初始化中间件时需要提供一个 mounts 字典，用来指定不同 URL 路径到 application 的映射关系。这样对于一个请求，中间件检查其路径，然后选择合适的 application 进行处理。

关于 WSGI 的原理部分基本结束，下一篇我会介绍下对 flask 框架的理解。