什么是 Web 框架？

浏览数：13 / 时间：2015年06月09日

Web 应用框架，或者简单的说是“Web 框架”，其实是建立 web 应用的一种方式。从简单的博客系统到复杂的富 AJAX 应用，web 上每个页面都是通过写代码来生成的。我发现很多人都热衷于学习 web 框架技术，例如 Flask 或这 Django 之类的，但是很多人并不理解什么是 web 框架，或者它们是如何工作的。这篇文章中，我将探索反复被忽略的 web 框架基础的话题。阅读完这篇文章，你应该首先对什么是 web 框架以及它们为什么会存在有更深的认识。这会让你学习一个新的 web 框架变得简单的多，还会让你在使用不同的框架的时候做个明知的选择。

Web 如何工作的？

在我们讨论框架之前，我们需要理解 Web 如何“工作”的。为此，我们将深入挖掘你在浏览器里输入一个 URL 按下 Enter 之后都发生了什么。在你的浏览器中打开一个新的标签，浏览http://www.jeffknupp.com 。我们讨论为了显示这个页面，浏览器都做了什么事情（不关心 DNS 查询）。

Web 服务器

每个页面都以 HTML 的形式传送到你的浏览器中，HTML 是一种浏览器用来描述页面内容和结构的语言。那些负责发送 HTML 到浏览器的应用称之为“Web 服务器”，会让你迷惑的是，这些应用运行的机器通常也叫做 web 服务器。

然而，最重要的是要理解，到最后所有的 web 应用要做的事情就是发送 HTML 到浏览器。不管应用的逻辑多么复杂，最终的结果总是将 HTML 发送到浏览器（我故意将应用可以响应像 JSON 或者 CSS 等不同类型的数据忽略掉，因为在概念上是相同的）。

web 应用如何知道发送什么到浏览器呢？它发送浏览器请求的任何东西。

HTTP

浏览器从 web 服务器（或者叫应用服务器）上使用 HTTP 协议下载网站，HTTP 协议是基于一种请求-响应（request-response）模型的。客户端（你的浏览器）从运行在物理机器上的 web 应用请求数据，web 应用反过来对你的浏览器请求进行响应。

重要的一点是，要记住通信总是由客户端（你的浏览器）发起的，服务器（也就是 web 服务器）没有办法创建一个链接，发送没有经过请求的数据给你的浏览器。如果你从 web 服务器上接收到数据，一定是因为你的浏览器显示地发送了请求。

HTTP Methods

在 HTTP 协议中，每条报文都关联方法（method 或者 verb），不同的 HTTP 方法对应客户端可以发送的逻辑上不同类型的请求，反过来也代表了客户端的不同意图。例如，请求一个 web 页面的 HTML，与提交一个表单在逻辑上是不同的，所以这两种行为就需要使用不同的方法。

HTTP GET

GET 方法就像其听起来的那样，从 web 服务器上 get（请求）数据。GET 请求是到目前位置最常见的一种 HTTP 请求，在一次 GET 请求过程中，web 应用对请求页面的 HTML 进行响应之外，就不需要做任何事情了。特别的，web 应用在 GET 请求的结果中，不应该改变应用的状态（比如，不能基于 GET 请求创建一个新帐号）。正是因为这个原因，GET 请求通常认为是“安全”的，因为他们不会导致应用的改变。

HTTP POST

显然，除了简单的查看页面之外，应该还有更多与网站进行交互的操作。我们也能够向应用发送数据，例如通过表单。为了达到这样的目的，就需要一种不同类型的请求方法：POST。POST 请求通常携带由用户输入的数据，web 应用收到之后会产生一些行为。通过在表单里输入你的信息登录一个网站，就是 POST 表单的数据给 web 应用的。

不同于 GET 请求，POST 请求通常会导致应用状态的改变。在我们的例子中，当表单 POST 之后，一个新的账户被创建。不同于 GET 请求，POST 请求不总是生成一个新的 HTML 页面发送到客户端，而是客户端使用响应的响应码（response code）来决定对应用的操作是否成功。

HTTTP Response Codes

通常来说，web 服务器返回 200 的响应码，意思是，“我已经完成了你要求我做的事情，一切都正常”。响应码总是一个三位数字的代号，web 应用在每个响应的同时都发送一个这样的代号，表明给定的请求的结果。响应码 200 字面意思是“OK”，是响应一个 GET 请求大多情况下都使用的代号。然而对于 POST 请求，可能会有 204（“No Content”）发送回来，意思是“一切都正常，但是我不准备向你显示任何东西”。

POST 请求仍然会发送一个特殊的 URL，这个 URL 可能和提交数据的页面不同，意识这一点是至关重要的。还是以我们的登录为例，表单可能是在 www.foo.com/signup 页面，然而点击 submit，可能会导致带有表单数据的 POST 请求发送到 www.foo.com/process_sigup 上。POST 请求要发送的位置在表单的 HTML 中有特别标明。

Web 应用

你可以仅仅使用 HTTP GET 和 POST 做很多事情。一个应用程序负责去接收一个 HTTP 请求，同时给以 HTTP 响应，通常包含了请求页面的 HTML。POST 请求会引起 web 应用做出一些行为，可能是往数据库中添加一条记录这样的。还有很多其它的 HTTP 方法，但是我们目前只关注 GET 和 POST。

那么最简单的 web 应用是什么样的呢？我们可以写一个应用，让它一直监听 80 端口（著名的 HTTP 端口，几乎所有 HTTP 都发送到这个端口上）。一旦它接收到等待的客户端发送的请求连接，然后它就会回复一些简单的 HTML。

下面是程序的代码：

import socket
HOST = ‘‘
PORT = 80
listen_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
listen_socket.bind((HOST, PORT))
listen_socket.listen(1)
connection, address = listen_socket.accept()
request = connection.recv(1024)
connection.sendall("""HTTP/1.1 200 OK
Content-type: text/html
<html>
    <body>
        <h1>Hello, World!</h1>
    </body>
</html>""")
connection.close()

（如果上面的代码不工作，试着将 PORT 改为类似 8080 这样的端口。）

这个代码接收简单的链接和简单的请求，不管请求的 URL 是什么，它都会响应 HTTP 200（所以，这不是一个真正意义上的 web 服务器）。Content-type:text/html 行代码的是 header 字段，header 用来提供请求或者响应的元信息。这样，我们就告诉了客户端接下来的数据是 HTML。

Anatomy of a Request 请求的剖析

如果看一下测试上面程序的 HTTP 请求，你会发现它和 HTTP 响应非常类似。第一行<HTTP Method> <URL> <HTTP version>，在这个例子中是 GET / HTTP/1.0。第一行之后就是一些类似Accept: */* 这样的头（意思是我们希望在响应中接收任何内容）。

我们响应和请求有着类似的第一行，格式是<HTTP version> <HTTP Status-code> <Status-code Reason Phrase>，在外面的例子中是HTTP/1.1 200 OK 。接下来是头部，与请求的头部有着相同的格式。最后是响应的实际包含的内容。注意，这会被解释为一个字符串或者二进制文件， Content-type 头告诉客户端怎样去解释响应。

Web 服务器之殇

如果我们继续以上面的例子为基础建立 web 应用，我们还需要解决很多问题：

我们怎样检测请求的 URL 以及返回正确的页面？
除了简单的 GET 请求之外我们如何处理 POST 请求？
我们如何理解更高级的概念，如 session 和 cookie？
我们如何扩展程序以使其处理上千个并发连接？

就像你想的那样，没有人愿意每次建立一个 web 应用都要解决这些问题。正是这个原因，就有处理 HTTP 协议本身和有效解决上面问题的办法的包存在。然而，记住了，它们的核心功能和我们的例子是相同的：监听请求，带有一些 HTML 发回 HTTP 响应。

解决两大问题：路由和模板

围绕建立 web 应用的所有问题中，两个问题尤其突出：

我们如何将请求的 URL 映射到处理它的代码上？
我们怎样动态地构造请求的 HTML 返回给客户端，HTML 中带有计算得到的值或者从数据库中取出来的信息？

每个 web 框架都以某种方法来解决这些问题，也有很多不同的解决方案。用例子来说明更容易理解，所以我将针对这些问题讨论 Django 和 Flask 的解决方案。但是，首先我们还需要简单讨论一下 MVC 。

Django 中的 MVC

Django 充分利用 MVC 设计模式。 MVC，也就是 Model-View-Controller （模型-视图-控制器），是一种将应用的不同功能从逻辑上划分开。models 代表的是类似数据库表的资源（与 Python 中用 class 来对真实世界目标建模使用的方法大体相同）。controls 包括应用的业务逻辑，对 models 进行操作。为了动态生成代表页面的 HTML，需要 views 给出所有要动态生成页面的 HTML 的信息。

在 Django 中有点让人困惑的是，controllers 被称做 views，而 views 被称为 templates。除了名字上的有点奇怪，Django 很好地实现了 MVC 的体系架构。

Django 中的路由

路由是处理请求 URL 到负责生成相关的 HTML 的代码之间映射的过程。在简单的情形下，所有的请求都是有相同的代码来处理（就像我们之前的例子那样）。变得稍微复杂一点，每个 URL 对应一个 view function 。举例来说，如果请求 www.foo.com/bar 这样的 URL，调用 handler_bar() 这样的函数来产生响应。我们可以建立这样的映射表，枚举出我们应用支持的所有 URL 与它们相关的函数。

然而，当 URL 中包含有用的数据，例如资源的 ID（像这样 www.foo.com/users/3/），那么这种方法将变得非常臃肿。我们如何将 URL 映射到一个 view 函数，同时如何利用我们想显示 ID 为 3 的用户？

Django 的答案是，将 URL 正则表达式映射到可以带参数的 view 函数。例如，我假设匹配^/users/(?P<id>\d+)/$ 的 URL 调用 display_user(id) 这样的函数，这儿参数 id 是正则表达式中匹配的 id。这种方法，任何 /users/<some_number>/ 这样的 URL 都会映射到 display_user 函数。这些正则表达式可以非常复杂，包含关键字和参数。

Flask 中的路由

Flask 采取了一点不同的方法。将一个函数和请求的 URL 关联起来的标准方法是通过使用 route() 装饰器。下面是 Flask 代码，在功能上和上面正则表达式方法相同：

@app.route(‘/users/<id:int>/‘)
def display_user(id):
    # ...

就像你看到的这样，装饰器使用几乎最简单的正则表达式的形式来将 URL 映射到参数。通过传递给route() 的 URL 中包含的 <name:type> 指令，可以提取到参数。路由像 /info/about_us.html 这样的静态 URL，可以像你预想的这样 @app.route(‘/info/about_us.html‘) 处理。

通过 Templates 产生 HTML

继续上面的例子，一旦我们有合适的代码映射到正确的 URL，我们如何动态生成 HTML？对于 Django 和 Flask，答案都是通过 HTML Templating。

HTML Templating 和使用 str.format() 类似：需要动态输出值的地方使用占位符填充，这些占位符后来通过 str.format() 函数用参数替换掉。想象一下，整个 web 页面就是一个字符串，用括号标明动态数据的位置，最后再调用 str.format() 。Django 模板和 Flask 使用的模板引擎 Jinja2 都使用的是这种方法。

然而，不是所有的模板引擎都能相同的功能。Django 支持在模板里基本的编程，而 Jinja2 只能让你执行特定的代码（不是真正意义上的代码，但也差不多）。Jinja2 可以缓存渲染之后的模板，让接下来具有相同参数的请求可以直接从缓存中返回结果，而不是用再次花大力气渲染。

数据库交互

Django 有着“功能齐全”的设计哲学，其中包含了一个 ORM(Object Realational Mapper，对象关系映射)，ORM 的目的有两方面：一是将 Python 的 class 与数据库表建立映射，而是剥离出不同数据库引擎直接的差异。没人喜欢 ORM，因为在不同的域之间映射永远不完美，然而这还在承受范围之内。Django 是功能齐全的，而 Flask 是一个微框架，不包括 ORM，尽管它对 SQLAlchemy 兼容性非常好，SQLAlchemy 是 Django ORM 的最大也是唯一的竞争对手。

内嵌 ORM 让 Django 有能力创建一个功能丰富的 CRUD 应用，从服务器端角度来看，CRUD（CreateRead Update Delete）应用非常适合使用 web 框架技术。Django 和 Flask-SQLchemy 可以直接对每个 model 进行不同的 CRUD 操作。

再谈 web 框架

到现在为止，web 框架的目的应该非常清晰了：向程序员隐藏了处理 HTTP 请求和响应相关的基础代码。至于隐藏多少这取决于不同的框架，Django 和 Flask 走向了两个极端：Django 包括了每种情形，几乎成了它致命的一点；Flask 立足于“微框架”，仅仅实现 web 应用需要的最小功能，其它的不常用的 web 框架任务交由第三方库来完成。

但是最后要记住的是，Python web 框架都以相同的方式工作的：它们接收 HTTP 请求，分派代码，产生 HTML，创建带有内容的 HTTP 响应。事实上，所有主流的服务器端框架都以这种方式工作的（ JavaScript 框架除外）。但愿了解了这些框架的目的，你能够在不同的框架之间选择适合你应用的框架进行开发。

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

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