用一个文件,实现迷你 Web 框架(建议收藏)
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2022-04-01 10:27
当下网络就如同空气一样在我们的周围，它以无数种方式改变着我们的生活，但要说网络的核心技术变化甚微。
随着开源文化的蓬勃发展，诞生了诸多优秀的开源 Web 框架，让我们的开发变得轻松。但同时也让我们不敢停下学习新框架的脚步，其实万变不离其宗，只要理解了 Web 框架的核心技术部分，当有一个新的框架出来的时候，基础部分大同小异只需要重点了解：它有哪些特点，用到了哪些技术解决了什么痛点？这样接受和理解起新技术来会更加得心应手，不至于疲于奔命。
还有那些只会用 Web 框架的同学，是否无数次打开框架的源码，想学习提高却无从下手？
今天我们就抽丝剥茧、去繁存简，用一个文件，实现一个迷你 Web 框架，从而把其核心技术部分清晰地讲解清楚，配套的源码均已开源。
GitHub 地址：https://github.com/521xueweihan/OneFile
在线查看：https://hellogithub.com/onefile/
如果你觉得我做的这件事对你有帮助，就请给我一个 ✨Star，多多转发让更多人受益。
闲言少叙，下面就开始我们今天的提高之旅。
一、介绍原理
说到 Web 不得不提的就是网络协议，如果我们从 OSI 七层网络模型开始，我敢断定看完的绝对不超过三成！
所以今天我们就直接聊最上面的一层，也就是 Web 框架接触最多的 HTTP 应用层，至于 TCP/IP 部分会在聊 socket 的时候粗略带过。期间我会刻意打码非必要讲解技术的细枝末节，切断远离本期主题的技术话题，一个文件只讲一个技术点！绝不拖堂请大家放心阅读。
首先让我们先回忆下，平常浏览网站的流程。
如果我们把在网上冲浪，比做在一间教室听课，那么老师就是服务器（server），学生就是客户端（client）。当同学有问题的时候会先举手（请求建立 TCP），老师发现学生的提问请求，同意学生回答问题后，学生起立提出问题（发送请求），如果老师承诺会给提问的学生加课堂表现分，那么提问的时候就需要有个高效的提问方式（请求格式），即：
- 先报学号
- 再提问题
师接收到学生的提问后就可以立即回答问题（返回响应）无需再问学号，回答格式（响应格式）如下：
- 回答问题
- 根据学号加分！
有了约定好的提问格式（协议），就可以省去老师每次询问学生的学号，即高效又严谨。最后，老师回答完问题让学生坐下（关闭连接）。
其实，我们在网络上通信流程也大致如此：
只不过机器执行起来更加严格，大家都是遵循某种协议来开发软件，这样就可以实现在某种协议下进行通信，而这种网络通信协议就叫做 HTTP（超文本传输协议）。
而我们要做的 Web 框架就是处理上面的流程：建立连接、接收请求、解析请求、处理请求、返回请求。
原理部分就聊这么多，目前你只需要记住网络上通信分为两大步：建立连接（用于通信）和处理请求。
所谓框架就是处理大多数情况下要处理的事情，所以我们要写的 Web 框架也就是处理两件事，即：
- 处理连接（socket）
- 处理请求（request）
一定要记住：连接和请求是两个东西，建立起连接才能发送请求。
而想要建立连接发起通信，就需要通过 socket 来实现（建立连接），socket 可以理解为两个虚拟的本子（文件句柄），通信的双方人手一个，它既能读也能写，只要把传输的内容写到本子上（处理请求），对方就可以看到了。
下面我把 Web 框架分为两部分进行讲解，所有代码将采用简单易懂的 Python3 进行实现。
二、编写 Web 框架
代码+注释一共 457 行，请放心绝对简单易懂。
2.1 处理连接（HTTPServer）
这里需要简单聊一下 socket 这个东西，在编程语言层面它就是一个类库，负责搞定连接建立网络通信。但本质上是系统级别提供通信的进程，而一台电脑可以建立多条通信线路，所以每一个端口号后面都是一个 socket 进程，它们相互独立、互不干涉，这也是为什么我们在启动服务的时候要指定端口号的原因。
最后，上面所说的服务器其实就是一台性能好一点、一直开着的电脑，而客户端就是浏览器、手机、电脑，它们都有 socket 这个东西（操作系统级别的一个进程）。
如果上面这段话没有看懂也不碍事，能看懂下面的图就行，得搞明白 socket 处理连接的步骤和流程，才能编写 Web 框架处理连接的部分。
下面分别展示基于 socket 编写的 server.py 和 client.py 代码。
# coding: utf-8
# 服务器端代码（server.py）
import socket
print('我是服务端！')
HOST = ''
PORT = 50007
s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) # 创建 TCP socket 对象
s.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1) # 重启时释放端口
s.bind((HOST, PORT)) # 绑定地址
s.listen(1) # 监听TCP，1代表：操作系统可以挂起(未处理请求时等待状态)的最大连接数量。该值至少为1
print('监听端口：', PORT)
while 1:
conn, _ = s.accept() # 开始被动接受TCP客户端的连接。
data = conn.recv(1024) # 接收TCP数据，1024表示缓冲区的大小
print('接收到:', repr(data))
conn.sendall(b'Hi, '+data) # 给客户端发送数据
conn.close()
因为 HTTP 是建立在相对可靠的 TCP 协议上，所以这里创建的是 TCP socket 对象。
# coding: utf-8
# 客户端代码（client.py）
import socket
print('我是客户端！')
HOST = 'localhost' # 服务器的IP
PORT = 50007 # 需要连接的服务器的端口
s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
s.connect((HOST, PORT))
print("发送'HelloGitHub'")
s.sendall(b'HelloGitHub') # 发送‘HelloGitHub’给服务器
data = s.recv(1024)
s.close()
print('接收到', repr(data)) # 打印从服务器接收回来的数据
运行效果如下：
结合上面的代码，可以更加容易理解 socket 建立通信的流程：
- socket：创建socket
- bind：绑定端口号
- listen：开始监听
- accept：接收请求
- recv：接收数据
- close：关闭连接
所以，Web 框架中处理连接的 HTTPServer 类要做的事情就呼之欲出了。即：一开始在 __init__方法中创建 socket，接着绑定端口（server_bind）然后开始监听端口（server_activate)
# 处理连接进行数据通信
class HTTPServer(object):
def __init__(self, server_address, RequestHandlerClass):
self.server_address = server_address # 服务器地址
self.RequestHandlerClass = RequestHandlerClass # 处理请求的类
# 创建 TCP Socket
self.socket = socket.socket(socket.AF_INET,
socket.SOCK_STREAM)
# 绑定 socket 和端口
self.server_bind()
# 开始监听端口
self.server_activate()
通过传入的 RequestHandlerClass 参数可以看出，处理请求与建立连接是分开处理。
下面就要开始启动服务接收请求了，也就是 HTTPServer 的启动方法 serve_forever，这里包含了接收请求、接收数据、开始处理请求、结束请求的全过程。
def serve_forever(self):
while True:
ready = selector.select(poll_interval)
# 当客户端请求的数据到位，则执行下一步
if ready:
# 有准备好的可读文件句柄，则与客户端的链接建立完毕
request, client_address = self.socket.accept()
# 可以进行下面的处理请求了，通过 RequestHandlerClass 处理请求和连接独立
self.RequestHandlerClass(request, client_address, self)
# 关闭连接
self.socket.close()
如此循环下去，就是 HTTPServer 处理连接、建立起 HTTP 连接的全部代码，就这？对！是不是很简单？
代码中的 RequestHandlerClass 形参是处理请求的类，下面将深入讲解其对应的 HTTPRequestHandler 是如何处理 HTTP 请求。
2.2 处理请求（HTTPRequestHandler）
还记得上面介绍的 socket 如何实现两端通信吗？通过两个可读写的“虚拟本子”。
再加上还要保证通信的高效和严谨，就需要有对应的“通信格式”。
所以，处理请求只需要三步走：
- setup：初始化两个本子
- 读请求的文件句柄（rfile）
- 写响应的文件句柄（wfile）
对应的代码：
# 处理请求
class HTTPRequestHandler(object):
def __init__(self, request, client_address, server):
self.request = request # 接收来的请求（socket）
# 1、初始化两个本子
self.setup()
try:
# 2、读取、解析、处理请求，构造响应
self.handle()
finally:
# 3、返回响应，释放资源
self.finish()
def setup(self):
self.rfile = self.request.makefile('rb', -1) # 读请求的本子
self.wfile = self.request.makefile('wb', 0) # 写响应的本子
def handle(self):
# 根据 HTTP 协议，解析请求
# 具体的处理逻辑，即业务逻辑
# 构造响应并写入本子
def finish(self):
# 返回响应
self.wfile.flush()
# 关闭请求和响应的句柄，释放资源
self.wfile.close()
self.rfile.close()
以上就是处理请求的整体流程，下面将详细介绍 handle 如何解析 HTTP 请求和构造 HTTP 响应，以及如何实现把框架和具体的业务代码（处理逻辑）分开。
在解析 HTTP 之前，需要先看一个实际的 HTTP 请求，当我打开 hellogithub.com 网站首页的时候，浏览器发送的 HTTP 请求如下：
整理归纳可得 HTTP 请求格式，如下：
{HTTP method} {PATH} {HTTP version}\r\n
{header field name}:{field value}\r\n
...
\r\n
{request body}
得到了请求格式，那么 handle 解析请求的方法也就有了。
def handle(self):
# --- 开始解析 --- #
self.raw_requestline = self.rfile.readline(65537) # 读取请求第一行数据，即请求头
requestline = str(self.raw_requestline, 'iso-8859-1') # 转码
requestline = requestline.rstrip('\r\n') # 去换行和空白行
# 就可以得到 "GET / HTTP/1.1" 请求头了，下面开始解析
self.command, self.path, self.request_version = requestline.split()
# 根据空格分割字符串，可得到("GET", "/", "HTTP/1.1")
# command 对应的是 HTTP method，path 对应的是请求路径
# request_version 对应 HTTP 版本，不同版本解析规则不一样这里不做展开讲解
self.headers = self.parse_headers() # 解析请求头也是处理字符串，但更为复杂标准库有工具函数这里略过
# --- 业务逻辑 --- #
# do_HTTP_method 对应到具体的处理函数
mname = ('do_' + self.command).lower()
method = getattr(self, mname)
# 调用对应的处理方法
method()
# --- 返回响应 --- #
self.wfile.flush()
def do_GET(self):
# 根据 path 区别处理
if self.path == '/':
self.send_response(200) # status code
# 加入响应 header
self.send_header("Content-Type", "text/html; charset=utf-8")
self.send_header("Content-Length", str(len(content)))
self.end_headers() # 结束头部分，即：'\r\n'
self.wfile.write(content.encode('utf-8')) # 写入响应 body，即：页面内容
def send_response(self, code, message=None):
# 响应体格式
"""
{HTTP version} {status code} {status phrase}\r\n
{header field name}:{field value}\r\n
...
\r\n
{response body}
"""
# 写响应头行
self.wfile.write("%s %d %s\r\n" % ("HTTP/1.1", code, message))
# 加入响应 header
self.send_header('Server', "HG/Python ")
self.send_header('Date', self.date_time_string())
以上就是 handle 处理请求和返回响应的核心代码片段了，至此 HTTPRequestHandler 全部内容均已讲解完毕，下面将演示运行效果。
2.3 运行
class RequestHandler(HTTPRequestHandler):
# 处理 GET 请求
def do_get(self):
# 根据 path 对应到具体的处理方法
if self.path == '/':
self.handle_index()
elif self.path.startswith('/favicon'):
self.handle_favicon()
else:
self.send_error(404)
if __name__ == '__main__':
server = HTTPServer(('', 8080), RequestHandler)
# 启动服务
server.serve_forever()
这里通过继承 Web 框架的 HTTPRequestHandler 实现的子类 RequestHandler 重写 do_get 方法，实现业务代码和框架的分离。这样保证了框架的灵活性和解耦。
接下来服务毫无意外地运行起来了，效果如下：
本文中涉及 Web 框架的代码，为方便阅读都经过了简化。如果想要获取完整可运行的代码，可前往 GitHub 地址获取：
https://github.com/521xueweihan/OneFile/blob/main/src/python/web-server.py
该框架并不包含 Web 框架应有的丰富功能，旨在通过最简单的代码，实现一个迷你 Web 框架，让不了解基本 Web 框架结构的同学，得以一探究竟。
如果本文的内容勾起了你对 Web 框架的兴趣，你还想更加深入的了解更加全面、适用于生产环境、代码和结构同样的简洁的 Web 框架。我建议的学习路径：
- Python3 的 HTTPServer、BaseHTTPRequestHandler
- bottle：单文件、无三方依赖、持续更新，可用于生产环境的开源 Web 框架：
- 地址：https://github.com/bottlepy/bottle
有的时候阅读框架源码不是为了写一个新的框架，而是向前辈学习和靠拢。
最后
新的技术总是学不完的，掌握核心的技术原理，不仅可以在接受新的知识时快人一步，还可以在排查问题时一针见血。
不知道这种一个文件讲解一个技术点，力求通过简单的文字和精简的代码描述原理，期间抹去了细枝末节的技术专注于一门技术，最后给出完整可运行的开源代码的文章，是否符合你的胃口？
本文是我对新的系列一种尝试，接受任何指点和批评。
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