作者：陳秋歌 | 編輯：真經(jīng)君
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碼農(nóng)真經(jīng)(ID:coder_experience)第 28 次推文 圖片來自網(wǎng)絡
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正文
本文內(nèi)容摘錄自《Python高效開發(fā)實戰(zhàn)——Django、Tornado、Flask、Twisted》一書。該書分為三部分：第1部分是基礎篇，帶領初學者實踐Python開發(fā)環(huán)境和掌握基本語法，同時對網(wǎng)絡協(xié)議、Web客戶端技術、數(shù)據(jù)庫建模編程等網(wǎng)絡編程基礎深入淺出地進行學習；第2部分是框架篇，學習當前最流行的Python Web框架，即Django、Tornado、Flask和Twisted，達到對各種Python網(wǎng)絡技術融會貫通的目的；第3部分是實戰(zhàn)篇，分別對4種框架進行項目實踐，利用其各自的特點開發(fā)適用于不同場景的網(wǎng)絡程序。
目前Python的網(wǎng)絡編程框架已經(jīng)多達幾十個，逐個學習它們顯然不現(xiàn)實。但這些框架在系統(tǒng)架構(gòu)和運行環(huán)境中有很多共通之處，本文帶領讀者學習基于Python網(wǎng)絡框架開發(fā)的常用知識,及目前的4種主流Python網(wǎng)絡框架：Django、Tornado、Flask、Twisted。
網(wǎng)絡框架及MVC架構(gòu)
所謂網(wǎng)絡框架是指這樣的一組Python包，它能夠使開發(fā)者專注于網(wǎng)站應用業(yè)務邏輯的開發(fā)，而無須處理網(wǎng)絡應用底層的協(xié)議、線程、進程等方面。這樣能大大提高開發(fā)者的工作效率，同時提高網(wǎng)絡應用程序的質(zhì)量。
在目前Python語言的幾十個開發(fā)框架中，幾乎所有的全棧網(wǎng)絡框架都強制或引導開發(fā)者使用MVC架構(gòu)開發(fā)Web應用。所謂全棧網(wǎng)絡框架，是指除了封裝網(wǎng)絡和線程操作，還提供HTTP棧、數(shù)據(jù)庫讀寫管理、html模板引擎等一系列功能的網(wǎng)絡框架。本文重點講解的Django、Tornado和Flask是全棧網(wǎng)絡框架的典型標桿；而Twisted更專注于網(wǎng)絡底層的高性能封裝而不提供HTML模板引擎等界面功能，所以不能稱之為全棧框架。
MVC（Model-View-Controller）模式最早由Trygve Reenskaug在1978年提出，在20世紀80年代是程序語言Smalltalk的一種內(nèi)部架構(gòu)。后來MVC被其他語言所借鑒，成為了軟件工程中的一種軟件架構(gòu)模式。MVC把Web應用系統(tǒng)分為3個基本部分。
模型（Model）：用于封裝與應用程序的業(yè)務邏輯相關的數(shù)據(jù)及對數(shù)據(jù)的處理方法，是Web應用程序中用于處理應用程序的數(shù)據(jù)邏輯的部分，Model只提供功能性的接口，通過這些接口可以獲取Model的所有功能。Model不依賴于View和Controller，它們可以在任何時候調(diào)用Model訪問數(shù)據(jù)。有些Model還提供了事件通知機制，為在其上注冊過的View或Controller提供實時的數(shù)據(jù)更新。
視圖（View）：負責數(shù)據(jù)的顯示和呈現(xiàn)，View是對用戶的直接輸出。MVC中的一個Model通常為多個View提供服務。為了獲取Model的實時更新數(shù)據(jù)，View應該盡早地注冊到Model中。
控制器（Controller）：負責從用戶端收集用戶的輸入，可以看成提供View的反向功能。當用戶的輸入導致View發(fā)生變化時，這種變化必須是通過Model反映給View的。在MVC架構(gòu)下，Controller一般不能與View直接通信，這樣提高了業(yè)務數(shù)據(jù)的一致性，即以Model作為數(shù)據(jù)中心。
這3個基本部分互相分離，使得在改進和升級界面及用戶交互流程時，不需要重寫業(yè)務邏輯及數(shù)據(jù)訪問代碼。MVC架構(gòu)如圖1所示。
MVC架構(gòu)圖
注意：MVC在除Python外的其他語言中也有廣泛應用，例如VC++的MFC、JAVA的Structs及Spring、C#的.NET開發(fā)框架，讀者應該有深刻的體會。
4種Python網(wǎng)絡框架：Django、Tornado、Flask、Twisted
接下來帶領大家學習當今主流的4種Python網(wǎng)絡框架。
企業(yè)級開發(fā)框架——Django
Django于2003年誕生于美國堪薩斯（Kansas）州，最初用來制作在線新聞Web站點，于2005年加入了BSD許可證家族，成為開源網(wǎng)絡框架。Django根據(jù)比利時的爵士音樂家Django Reinhardt命名，作者這樣命名Django意味著Django能優(yōu)雅地演奏（開發(fā)）功能豐富的樂曲（Web應用）。
它是當前Python世界里最負盛名且最成熟的網(wǎng)絡框架。最初用來制作在線新聞的Web站點，目前已發(fā)展為應用最廣泛的Python網(wǎng)絡框架。Django的各模塊之間結(jié)合得比較緊密，所以在功能強大的同時又是一個相對封閉的系統(tǒng)，但是其健全的在線文檔及開發(fā)社區(qū)，使開發(fā)者在遇到問題時能找到解決方法。
Django框架的特點
相對于Python的其他Web框架，Django的功能是最完整的，Django定義了服務發(fā)布、路由映射、模板編程、數(shù)據(jù)處理的一整套功能。這也意味著Django模塊之間緊密耦合，開發(fā)者需要學習Django自己定義的這一整套技術。Django的主要特點如下。
完善的文檔：經(jīng)過10多年的發(fā)展和完善，Django有廣泛的應用和完善的在線文檔，開發(fā)者遇到問題時可以搜索在線文檔尋求解決方案。
集成數(shù)據(jù)訪問組件：Django的Model層自帶數(shù)據(jù)庫ORM組件，使開發(fā)者無須學習其他數(shù)據(jù)庫訪問技術（dbi、SQLAlchemy等）。
強大的URL映射技術：Django使用正則表達式管理URL映射，因此給開發(fā)者帶來了極高的靈活性。
后臺管理系統(tǒng)自動生成：開發(fā)者只需通過簡單的幾行配置和代碼就可以實現(xiàn)完整的后臺數(shù)據(jù)管理Web控制臺。
錯誤信息非常完整：在開發(fā)調(diào)試過程中如果出現(xiàn)運行異常，則Django可以提供非常完整的錯誤信息幫助開發(fā)者定位問題，比如缺少xxx組件的配置引用等，這樣可以使開發(fā)者馬上改正錯誤。
Django的組成結(jié)構(gòu)
Django是遵循MVC架構(gòu)的Web開發(fā)框架，其主要由以下幾部分組成。
管理工具（Management）：一套內(nèi)置的創(chuàng)建站點、遷移數(shù)據(jù)、維護靜態(tài)文件的命令工具。
模型（Model）：提供數(shù)據(jù)訪問接口和模塊，包括數(shù)據(jù)字段、元數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)關系等的定義及操作。
視圖（View）：Django的視圖層封裝了HTTP Request和Response的一系列操作和數(shù)據(jù)流，其主要功能包括URL映射機制、綁定模板等。
模板（Template）：是一套Django自己的頁面渲染模板語言，用若干內(nèi)置的tags和filters定義頁面的生成方式。
表單（Form）：通過內(nèi)置的數(shù)據(jù)類型和控件生成HTML表單。
管理站（Admin）：通過聲明需要管理的Model，快速生成后臺數(shù)據(jù)管理網(wǎng)站。
高并發(fā)處理框架——Tornado
Tornado是使用Python編寫的一個強大的可擴展的Web服務器。它在處理高網(wǎng)絡流量時表現(xiàn)得足夠強健，卻在創(chuàng)建和編寫時有著足夠的輕量級，并能夠被用在大量的應用和工具中。Tornado作為FriendFeed網(wǎng)站的基礎框架，于2009年9月10日發(fā)布，目前已經(jīng)獲得了很多社區(qū)的支持，并且在一系列不同的場合中得到應用。除FriendFeed和Facebook外，還有很多公司在生產(chǎn)上轉(zhuǎn)向Tornado，包括Quora、Turntable.fm、Bit.ly、Hipmunk及MyYearbook等。
相對于其他Python網(wǎng)絡框架，Tornado有如下特點。
完備的Web框架：與Django、Flask等一樣，Tornado也提供了URL路由映射、Request上下文、基于模板的頁面渲染技術等開發(fā)Web應用的必備工具。
是一個高效的網(wǎng)絡庫，性能與Twisted、Gevent等底層Python框架相媲美：提供了異步I/O支持、超時事件處理。這使得Tornado除了可以作為Web應用服務器框架，還可以用來做爬蟲應用、物聯(lián)網(wǎng)關、游戲服務器等后臺應用。
提供高效HTTPClient：除了服務器端框架，Tornado還提供了基于異步框架的HTTP客戶端。
提供高效的內(nèi)部HTTP服務器：雖然其他Python網(wǎng)絡框架（Django、Flask）也提供了內(nèi)部HTTP服務器，但它們的HTTP服務器由于性能原因只能用于測試環(huán)境。而Tornado的HTTP服務器與Tornado異步調(diào)用緊密結(jié)合，可以直接用于生產(chǎn)環(huán)境。
完備的WebSocket支持：WebSocket是HTML5的一種新標準，實現(xiàn)了瀏覽器與服務器之間的雙向?qū)崟r通信。
因為Tornado的上述特點，Tornado常被用作大型站點的接口服務框架，而不像Django那樣著眼于建立完整的大型網(wǎng)站，所以本章著重講解Tornado的異步及協(xié)程編程、身份認證框架、獨特的非WSGI部署方式。
支持快速建站的框架——Flask
Flask是Python Web框架族里比較年輕的一個，于2010年出現(xiàn)，這使得它吸收了其他框架的優(yōu)點，并且把自己的主要領域定義在了微小項目上。同時，它是可擴展的，F(xiàn)lask讓開發(fā)者自己選擇用什么數(shù)據(jù)庫插件存儲他們的數(shù)據(jù)。很多功能簡單但性能卓越的網(wǎng)站就是基于Flask框架而搭建的，比如http://httpbin.org/就是一個功能簡單但性能強大的HTTP測試項目。Flask是一個面向簡單需求和小型應用的微框架。
相對于其他Python語言的Web框架而言，F(xiàn)lask的特點可以歸結(jié)如下。
內(nèi)置開發(fā)服務器和調(diào)試器
網(wǎng)絡程序調(diào)試是在將編制好的網(wǎng)站投入實際運行前，用手工或編譯程序等方法進行測試，修正語法錯誤和邏輯錯誤的過程。有經(jīng)驗的開發(fā)者都知道，這是保證網(wǎng)站系統(tǒng)能夠正式應用的必要步驟。
Flask 自帶的開發(fā)服務器使開發(fā)者在調(diào)試程序時無須再安裝其他任何網(wǎng)絡服務器，比如Tomcat、JBoss、Apache等。Flask默認處于調(diào)試狀態(tài)，使得運行中的任何錯誤會同時向兩個目標發(fā)送信息：一個是Python Console，即啟動Python程序的控制臺；另一個是HTTP客戶端，即Flask開發(fā)服務器將調(diào)試信息傳遞給了客戶端。
與Python單元測試功能無縫銜接
單元測試是對最小軟件開發(fā)單元的測試，其重點測試程序的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，主要采用白盒測試方法，由開發(fā)人員負責。單元測試的主要目標是保證函數(shù)在給定的輸入狀態(tài)下，能夠得到預想的輸出，在不符合要求時能夠提醒開發(fā)人員進行檢查。
Flask提供了一個與Python自帶的單元測試框架unitest無縫銜接的測試接口，即Flask對象的test_client()函數(shù)。通過test_client()函數(shù)，測試程序可以模擬進行HTTP訪問的客戶端來調(diào)用Flask路由處理函數(shù)，并且獲取函數(shù)的輸出來進行自定義的驗證。
使用Jinja2模板
將HTML頁面與后臺應用程序聯(lián)系起來一直是網(wǎng)站程序框架的一個重要目標。Flask通過使用Jinja2模板技術解決了這個問題。Jinja2是一個非常靈活的HTML模板技術，它是從Django模板發(fā)展而來的，但是比Django模板使用起來更加自由且更加高效。Jinja2模板使用配制的語義系統(tǒng)，提供靈活的模板繼承技術，自動抗擊XSS跨站攻擊并且易于調(diào)試。
完全兼容WSGI 1.0標準
WSGI（Web Server Gateway Interface）具有很強的伸縮性且能運行于多線程或多進程環(huán)境下，因為Python線程全局鎖的存在，使得WSGI的這個特性至關重要。WSGI已經(jīng)是Python界的一個主要標準，各種大型網(wǎng)路服務器對其都有良好的支持。WSGI位于Web應用程序與Web服務器之間，與WSGI完全兼容使得Flask能夠配置到各種大型網(wǎng)絡服務器中。
基于Unicode編碼
Flask是完全基于Unicode的。這對制作非純ASCII字符集的網(wǎng)站來說非常方便。HTTP本身是基于字節(jié)的，也就是說任何編碼格式都可以在HTTP中傳輸。但是，HTTP要求在HTTP Head中顯式地聲明在本次傳輸中所應用的編碼格式。在默認情況下，F(xiàn)lask會自動添加一個UTF-8編碼格式的HTTP Head，使程序員無須擔心編碼的問題。
底層自定義協(xié)議網(wǎng)絡框架——Twisted
以上講到的3個Python Web框架都是圍繞著應用層HTTP展開的，而Twisted是一個例外。Twisted是一個用Python語言編寫的事件驅(qū)動的網(wǎng)絡框架，對于追求服務器程序性能的應用，Twisted框架是一個很好的選擇。
Twisted是一個有著10多年歷史的開源事件驅(qū)動框架。Twisted支持很多種協(xié)議，包括傳輸層的UDP、TCP、TLS，以及應用層的HTTP、FTP等。對于所有這些協(xié)議，Twisted提供了客戶端和服務器方面的開發(fā)工具。
Twisted框架的歷史悠久，其主要發(fā)行版本都以Python 2為基礎，最新的版本為基于Python 2.7的Twisted-15.4.0。Twisted社區(qū)正在開發(fā)基于Python 3的版本，但目前為止尚沒有基于Python 3的Twisted穩(wěn)定發(fā)行版。
Twisted是一個高性能的編程框架。在不同的操作系統(tǒng)平臺上，Twisted利用不同的底層技術實現(xiàn)了高效能通信。在windows中，Twisted的實現(xiàn)基于I/O完成端口（IOCP，Input/Output Completion Port）技術，它保證了底層高效地將I/O事件通知給框架及應用程序；在linux中，Twisted的實現(xiàn)基于epoll技術，epoll是Linux下多路復用I/O接口select/poll的增強版本，它能顯著提高程序在大量并發(fā)連接中只有少量活躍的情況下的系統(tǒng)CPU利用率。
在開發(fā)方法上，Twisted引導程序員使用異步編程模型。Twisted提供了豐富的Defer、Threading等特性來支持異步編程。
欲進一步了解Python四大主流網(wǎng)絡編程框架的編程方法、項目實戰(zhàn)，可參見《Python高效開發(fā)實戰(zhàn)——Django、Tornado、Flask、Twisted》一書。
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