搭个 Web 服务器（二）

在第一部分中，我提出了一个问题：“如何在你刚刚搭建起来的 Web 服务器上适配 Django, Flask 或 Pyramid 应用，而不用单独对 Web 服务器做做出改动以适应各种不同的 Web 框架呢？”我们可以从这一篇中找到答案。

曾几何时，你所选择的 Python Web 框架会限制你所可选择的 Web 服务器，反之亦然。如果某个框架及服务器设计用来协同工作的，那么一切正常：

但你可能正面对着（或者曾经面对过）尝试将一对无法适配的框架和服务器搭配在一起的问题：

基本上，你需要选择那些能够一起工作的框架和服务器，而不能选择你想用的那些。

所以，你该如何确保在不对 Web 服务器或框架的代码做任何更改的情况下，让你的 Web 服务器和多个不同的 Web 框架一同工作呢？这个问题的答案，就是 Python Web 服务器网关接口 （ Web Server Gateway Interface ） （缩写为 WSGI，念做“wizgy”）。

WSGI 允许开发者互不干扰地选择 Web 框架及 Web 服务器的类型。现在，你可以真正将 Web 服务器及框架任意搭配，然后选出你最中意的那对组合。比如，你可以使用 Django，Flask 或者 Pyramid，与 Gunicorn，Nginx/uWSGI 或 Waitress 进行结合。感谢 WSGI 同时对服务器与框架的支持，我们可以真正随意选择它们的搭配了。

所以，WSGI 就是我在第一部分中提出，又在本文开头重复了一遍的那个问题的答案。你的 Web 服务器必须实现 WSGI 接口的服务器部分，而现代的 Python Web 框架均已实现了 WSGI 接口的框架部分，这使得你可以直接在 Web 服务器中使用任意框架，而不需要更改任何服务器代码，以对特定的 Web 框架实现兼容。

现在，你已经知道 Web 服务器及 Web 框架对 WSGI 的支持使得你可以选择最合适的一对来使用，而且它也有利于服务器和框架的开发者，这样他们只需专注于其擅长的部分来进行开发，而不需要触及另一部分的代码。其它语言也拥有类似的接口，比如：Java 拥有 Servlet API，而 Ruby 拥有 Rack。

这些理论都不错，但是我打赌你在说：“Show me the code!” 那好，我们来看看下面这个很小的 WSGI 服务器实现：

### 使用 Python 2.7.9，在 Linux 及 Mac OS X 下测试通过
import socket
import StringIO
import sys

class WSGIServer(object):

    address_family = socket.AF_INET
    socket_type = socket.SOCK_STREAM
    request_queue_size = 1

    def __init__(self, server_address):
        ### 创建一个监听的套接字
        self.listen_socket = listen_socket = socket.socket(
            self.address_family,
            self.socket_type
        )
        ### 允许复用同一地址
        listen_socket.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)
        ### 绑定地址
        listen_socket.bind(server_address)
        ### 激活套接字
        listen_socket.listen(self.request_queue_size)
        ### 获取主机的名称及端口
        host, port = self.listen_socket.getsockname()[:2]
        self.server_name = socket.getfqdn(host)
        self.server_port = port
        ### 返回由 Web 框架/应用设定的响应头部字段
        self.headers_set = []

    def set_app(self, application):
        self.application = application

    def serve_forever(self):
        listen_socket = self.listen_socket
        while True:
            ### 获取新的客户端连接
            self.client_connection, client_address = listen_socket.accept()
            ### 处理一条请求后关闭连接，然后循环等待另一个连接建立
            self.handle_one_request()

    def handle_one_request(self):
        self.request_data = request_data = self.client_connection.recv(1024)
        ### 以 'curl -v' 的风格输出格式化请求数据
        print(''.join(
            '< {line}\n'.format(line=line)
            for line in request_data.splitlines()
        ))

        self.parse_request(request_data)

        ### 根据请求数据构建环境变量字典
        env = self.get_environ()

        ### 此时需要调用 Web 应用来获取结果，
        ### 取回的结果将成为 HTTP 响应体
        result = self.application(env, self.start_response)

        ### 构造一个响应，回送至客户端
        self.finish_response(result)

    def parse_request(self, text):
        request_line = text.splitlines()[0]
        request_line = request_line.rstrip('\r\n')
        ### 将请求行分成几个部分
        (self.request_method,  # GET
         self.path,            # /hello
         self.request_version  # HTTP/1.1
         ) = request_line.split()

    def get_environ(self):
        env = {}
        ### 以下代码段没有遵循 PEP8 规则，但这样排版，是为了通过强调
        ### 所需变量及它们的值，来达到其展示目的。
        ###
        ### WSGI 必需变量
        env['wsgi.version']      = (1, 0)
        env['wsgi.url_scheme']   = 'http'
        env['wsgi.input']        = StringIO.StringIO(self.request_data)
        env['wsgi.errors']       = sys.stderr
        env['wsgi.multithread']  = False
        env['wsgi.multiprocess'] = False
        env['wsgi.run_once']     = False
        ### CGI 必需变量
        env['REQUEST_METHOD']    = self.request_method    # GET
        env['PATH_INFO']         = self.path              # /hello
        env['SERVER_NAME']       = self.server_name       # localhost
        env['SERVER_PORT']       = str(self.server_port)  # 8888
        return env

    def start_response(self, status, response_headers, exc_info=None):
        ### 添加必要的服务器头部字段
        server_headers = [
            ('Date', 'Tue, 31 Mar 2015 12:54:48 GMT'),
            ('Server', 'WSGIServer 0.2'),
        ]
        self.headers_set = [status, response_headers + server_headers]
        ### 为了遵循 WSGI 协议，start_response 函数必须返回一个 'write'
        ### 可调用对象（返回值.write 可以作为函数调用）。为了简便，我们
        ### 在这里无视这个细节。
        ### return self.finish_response

    def finish_response(self, result):
        try:
            status, response_headers = self.headers_set
            response = 'HTTP/1.1 {status}\r\n'.format(status=status)
            for header in response_headers:
                response += '{0}: {1}\r\n'.format(*header)
            response += '\r\n'
            for data in result:
                response += data
            ### 以 'curl -v' 的风格输出格式化请求数据
            print(''.join(
                '> {line}\n'.format(line=line)
                for line in response.splitlines()
            ))
            self.client_connection.sendall(response)
        finally:
            self.client_connection.close()

SERVER_ADDRESS = (HOST, PORT) = '', 8888

def make_server(server_address, application):
    server = WSGIServer(server_address)
    server.set_app(application)
    return server

if __name__ == '__main__':
    if len(sys.argv) < 2:
        sys.exit('Provide a WSGI application object as module:callable')
    app_path = sys.argv[1]
    module, application = app_path.split(':')
    module = __import__(module)
    application = getattr(module, application)
    httpd = make_server(SERVER_ADDRESS, application)
    print('WSGIServer: Serving HTTP on port {port} ...\n'.format(port=PORT))
    httpd.serve_forever()

当然，这段代码要比第一部分的服务器代码长不少，但它仍然很短（只有不到 150 行），你可以轻松理解它，而不需要深究细节。上面的服务器代码还可以做更多——它可以用来运行一些你喜欢的框架写出的 Web 应用，可以是 Pyramid，Flask，Django 或其它 Python WSGI 框架。

不相信吗？自己来试试看吧。把以上的代码保存为 webserver2.py，或直接从 Github 上下载它。如果你打算不加任何参数而直接运行它，它会抱怨一句，然后退出。

$ python webserver2.py
Provide a WSGI application object as module:callable

它想做的其实是为你的 Web 应用服务，而这才是重头戏。为了运行这个服务器，你唯一需要的就是安装好 Python。不过，如果你希望运行 Pyramid，Flask 或 Django 应用，你还需要先安装那些框架。那我们把这三个都装上吧。我推荐的安装方式是通过 virtualenv 安装。按照以下几步来做，你就可以创建并激活一个虚拟环境，并在其中安装以上三个 Web 框架。

$ [sudo] pip install virtualenv
$ mkdir ~/envs
$ virtualenv ~/envs/lsbaws/
$ cd ~/envs/lsbaws/
$ ls
bin  include  lib
$ source bin/activate
(lsbaws) $ pip install pyramid
(lsbaws) $ pip install flask
(lsbaws) $ pip install django

现在，你需要创建一个 Web 应用。我们先从 Pyramid 开始吧。把以下代码保存为 pyramidapp.py，并与刚刚的 webserver2.py 放置在同一目录，或直接从 Github 下载该文件：

from pyramid.config import Configurator
from pyramid.response import Response

def hello_world(request):
    return Response(
        'Hello world from Pyramid!\n',
        content_type='text/plain',
    )

config = Configurator()
config.add_route('hello', '/hello')
config.add_view(hello_world, route_name='hello')
app = config.make_wsgi_app()

现在，你可以用你自己的 Web 服务器来运行你的 Pyramid 应用了：

(lsbaws) $ python webserver2.py pyramidapp:app
WSGIServer: Serving HTTP on port 8888 ...

你刚刚让你的服务器去加载 Python 模块 pyramidapp 中的可执行对象 app。现在你的服务器可以接收请求，并将它们转发到你的 Pyramid 应用中了。在浏览器中输入 http://localhost:8888/hello ，敲一下回车，然后看看结果：

你也可以使用命令行工具 curl 来测试服务器：

$ curl -v http://localhost:8888/hello
...

看看服务器和 curl 向标准输出流打印的内容吧。

现在来试试 Flask。运行步骤跟上面的一样。

from flask import Flask
from flask import Response
flask_app = Flask('flaskapp')

@flask_app.route('/hello')
def hello_world():
    return Response(
        'Hello world from Flask!\n',
        mimetype='text/plain'
    )

app = flask_app.wsgi_app

将以上代码保存为 flaskapp.py，或者直接从 Github 下载，然后输入以下命令运行服务器：

(lsbaws) $ python webserver2.py flaskapp:app
WSGIServer: Serving HTTP on port 8888 ...

现在在浏览器中输入 http://localhost:8888/hello ，敲一下回车：

同样，尝试一下 curl，然后你会看到服务器返回了一条 Flask 应用生成的信息：

$ curl -v http://localhost:8888/hello
...

这个服务器能处理 Django 应用吗？试试看吧！不过这个任务可能有点复杂，所以我建议你将整个仓库克隆下来，然后使用 Github 仓库中的 djangoapp.py 来完成这个实验。这里的源代码主要是将 Django 的 helloworld 工程（已使用 Django 的 django-admin.py startproject 命令创建完毕）添加到了当前的 Python 路径中，然后导入了这个工程的 WSGI 应用。（LCTT 译注：除了这里展示的代码，还需要一个配合的 helloworld 工程才能工作，代码可以参见 Github 仓库。）

import sys
sys.path.insert(0, './helloworld')
from helloworld import wsgi

app = wsgi.application

将以上代码保存为 djangoapp.py，然后用你的 Web 服务器运行这个 Django 应用：

(lsbaws) $ python webserver2.py djangoapp:app
WSGIServer: Serving HTTP on port 8888 ...

输入以下链接，敲回车：

你这次也可以在命令行中测试——你之前应该已经做过两次了——来确认 Django 应用处理了你的请求：

$ curl -v http://localhost:8888/hello
...

你试过了吗？你确定这个服务器可以与那三个框架搭配工作吗？如果没试，请去试一下。阅读固然重要，但这个系列的内容是重新搭建，这意味着你需要亲自动手干点活。去试一下吧。别担心，我等着你呢。不开玩笑，你真的需要试一下，亲自尝试每一步，并确保它像预期的那样工作。

好，你已经体验到了 WSGI 的威力：它可以使 Web 服务器及 Web 框架随意搭配。WSGI 在 Python Web 服务器及框架之间提供了一个微型接口。它非常简单，而且在服务器和框架端均可以轻易实现。下面的代码片段展示了 WSGI 接口的服务器及框架端实现：

def run_application(application):
    """服务器端代码。"""
    ### Web 应用/框架在这里存储 HTTP 状态码以及 HTTP 响应头部，
    ### 服务器会将这些信息传递给客户端
    headers_set = []
    ### 用于存储 WSGI/CGI 环境变量的字典
    environ = {}

    def start_response(status, response_headers, exc_info=None):
        headers_set[:] = [status, response_headers]

    ### 服务器唤醒可执行变量“application”，获得响应头部
    result = application(environ, start_response)
    ### 服务器组装一个 HTTP 响应，将其传送至客户端
    …

def app(environ, start_response):
    """一个空的 WSGI 应用"""
    start_response('200 OK', [('Content-Type', 'text/plain')])
    return ['Hello world!']

run_application(app)

这是它的工作原理：

1. Web 框架提供一个可调用对象 application （WSGI 规范没有规定它的实现方式）。
2. Web 服务器每次收到来自客户端的 HTTP 请求后，会唤醒可调用对象 applition。它会向该对象传递一个包含 WSGI/CGI 变量的环境变量字典 environ，以及一个可调用对象 start_response。
3. Web 框架或应用生成 HTTP 状态码和 HTTP 响应头部，然后将它传给 start_response 函数，服务器会将其存储起来。同时，Web 框架或应用也会返回 HTTP 响应正文。
4. 服务器将状态码、响应头部及响应正文组装成一个 HTTP 响应，然后将其传送至客户端（这一步并不在 WSGI 规范中，但从逻辑上讲，这一步应该包含在工作流程之中。所以为了明确这个过程，我把它写了出来）

这是这个接口规范的图形化表达：

到现在为止，你已经看过了用 Pyramid、Flask 和 Django 写出的 Web 应用的代码，你也看到了一个 Web 服务器如何用代码来实现另一半（服务器端的） WSGI 规范。你甚至还看到了我们如何在不使用任何框架的情况下，使用一段代码来实现一个最简单的 WSGI Web 应用。

其实，当你使用上面的框架编写一个 Web 应用时，你只是在较高的层面工作，而不需要直接与 WSGI 打交道。但是我知道你一定也对 WSGI 接口的框架部分感兴趣，因为你在看这篇文章呀。所以，我们不用 Pyramid、Flask 或 Django，而是自己动手来创造一个最朴素的 WSGI Web 应用（或 Web 框架），然后将它和你的服务器一起运行：

def app(environ, start_response):
    """一个最简单的 WSGI 应用。

    这是你自己的 Web 框架的起点 ^_^
    """
    status = '200 OK'
    response_headers = [('Content-Type', 'text/plain')]
    start_response(status, response_headers)
    return ['Hello world from a simple WSGI application!\n']

同样，将上面的代码保存为 wsgiapp.py 或直接从 Github 上下载该文件，然后在 Web 服务器上运行这个应用，像这样：

(lsbaws) $ python webserver2.py wsgiapp:app
WSGIServer: Serving HTTP on port 8888 ...

在浏览器中输入下面的地址，然后按下回车。这是你应该看到的结果：

你刚刚在学习如何创建一个 Web 服务器的过程中自己编写了一个最朴素的 WSGI Web 框架！棒极了！

现在，我们再回来看看服务器传给客户端的那些东西。这是在使用 HTTP 客户端调用你的 Pyramid 应用时，服务器生成的 HTTP 响应内容：

这个响应和你在本系列第一部分中看到的 HTTP 响应有一部分共同点，但它还多出来了一些内容。比如说，它拥有四个你曾经没见过的 HTTP 头部：Content-Type, Content-Length, Date 以及 Server。这些头部内容基本上在每个 Web 服务器返回的响应中都会出现。不过，它们都不是被严格要求出现的。这些 HTTP 请求/响应头部字段的目的在于它可以向你传递一些关于 HTTP 请求/响应的额外信息。

既然你对 WSGI 接口了解的更深了一些，那我再来展示一下上面那个 HTTP 响应中的各个部分的信息来源：

我现在还没有对上面那个 environ 字典做任何解释，不过基本上这个字典必须包含那些被 WSGI 规范事先定义好的 WSGI 及 CGI 变量值。服务器在解析 HTTP 请求时，会从请求中获取这些变量的值。这是 environ 字典应该有的样子：

Web 框架会利用以上字典中包含的信息，通过字典中的请求路径、请求动作等等来决定使用哪个视图来处理响应、在哪里读取请求正文、在哪里输出错误信息（如果有的话）。

现在，你已经创造了属于你自己的 WSGI Web 服务器，你也使用不同 Web 框架做了几个 Web 应用。而且，你在这个过程中也自己创造出了一个朴素的 Web 应用及框架。这个过程真是累人。现在我们来回顾一下，你的 WSGI Web 服务器在服务请求时，需要针对 WSGI 应用做些什么：

• 首先，服务器开始工作，然后会加载一个可调用对象 application，这个对象由你的 Web 框架或应用提供
• 然后，服务器读取一个请求
• 然后，服务器会解析这个请求
• 然后，服务器会使用请求数据来构建一个 environ 字典
• 然后，它会用 environ 字典及一个可调用对象 start_response 作为参数，来调用 application，并获取响应体内容。
• 然后，服务器会使用 application 返回的响应体，和 start_response 函数设置的状态码及响应头部内容，来构建一个 HTTP 响应。
• 最终，服务器将 HTTP 响应回送给客户端。

这基本上是服务器要做的全部内容了。你现在有了一个可以正常工作的 WSGI 服务器，它可以为使用任何遵循 WSGI 规范的 Web 框架（如 Django、Flask、Pyramid，还有你刚刚自己写的那个框架）构建出的 Web 应用服务。最棒的部分在于，它可以在不用更改任何服务器代码的情况下，与多个不同的 Web 框架一起工作。真不错。

在结束之前，你可以想想这个问题：“你该如何让你的服务器在同一时间处理多个请求呢？”

敬请期待，我会在第三部分向你展示一种解决这个问题的方法。干杯！

顺便，我在撰写一本名为《搭个 Web 服务器：从头开始》的书。这本书讲解了如何从头开始编写一个基本的 Web 服务器，里面包含本文中没有的更多细节。订阅邮件列表，你就可以获取到这本书的最新进展，以及发布日期。

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via: https://ruslanspivak.com/lsbaws-part2/

作者：Ruslan 译者：StdioA 校对：wxy

本文由 LCTT 原创编译，Linux中国 荣誉推出