第1章 Python和Web開發框架

Django是一個開放源代碼的Web開發框架，完全用Python開發。它對常用的Web開發模式進行了高度封裝，為常見的編程任務提供了捷徑；通過減少重復的代碼，使程序員能夠專注于Web 應用上的關鍵性的業務開發。因此使用 Django 能在較短的時間內構建并維護質量上乘的Web應用。Django必須運行在Python環境中，可見二者密不可分。

1.1 Python簡介

Python由吉多·范羅蘇姆（Guido van Rossum）創造，Python被設計成一種跨平臺的計算機程序設計語言，是一種面向對象的動態類型語言。自20世紀90年代初Python誕生至今，它已廣泛應用于系統管理的任務處理和Web編程。

Python的設計理念是“優雅”“明確”“簡單”，它是一種功能強大的編程語言，主要有以下特點。

●Python具有解釋型、交互式、面向對象這3個特征。

●Python有極其簡單、明確的語法，關鍵字較少，結構簡單。

●Python可跨平臺，在Linux、Windows和macOS等操作系統中都能很好地運行。

●Python提供所有主流的商業數據庫的接口。

●Python提供了一個很好的結構，支持大型程序開發。

●Python是自由/開放源碼的軟件之一。

1.2 Web開發框架基本知識

Web開發框架是用于Web開發的成套軟件架構。Web開發框架會為Web應用提供成套的功能支持，即一套開發和部署網站的方案。使用Web開發框架，程序員可以只關注業務邏輯代碼的編寫，其他功能使用框架已有的功能即可，這減少了程序員的代碼編寫量。

Web服務本質上是由socket（socket是一種通信機制，通過綁定IP地址和端口產生一個通信鏈，實現計算機間的通信）服務端向socket客戶端提供HTTP響應，而瀏覽器就是一個socket客戶端，它向Web發出請求。Django本身是一個Web開發框架，它連接socket兩端（服務端、客戶端）進行數據交換，當然這種交換按照指定的協議進行，也就是HTTP（Hyper Text Transfer Protocol，超文本傳輸協議）。

1.2.1 Web應用本質

網絡中不同的計算機間進行通信必須經過IP地址和端口。為了降低網絡通信開發的復雜度，人們在TCP/IP 4層結構中的應用層與傳輸層之間加了一層，這個層就是socket層。它把復雜的TCP/IP進行了封裝，并提供了一組服務的接口。

網絡中服務器主機會提供一種或多種服務，每一種服務打開一個socket，并綁定到一個端口上，也就是說不同的端口對應于不同的服務（如Web服務一般用到80端口），客戶端向那個端口發送請求，就會得到相應的服務。

當用戶在瀏覽器地址欄中輸入網址（URL，即Uniform Resource Locator，統一資源定位符）并按下Enter鍵，這個動作稱為發送Web請求，在網絡上會有一臺與網址相對應的服務器按用戶請求做出響應，把請求資源發送給用戶。這臺接收Web請求并做出響應的服務器稱為Web服務器，它把用戶請求的資源以HTML（Hyper Text Markup Language，超文本標記語言）文件的形式傳遞到用戶的瀏覽器中，用戶就看到網頁了。

如上所述，Web應用主要做的事情就是發送HTML文件到瀏覽器，其核心功能則通過socket服務完成。因此，Web服務器本質上是一個socket服務端，而瀏覽器本質上是一個socket客戶端。

以下用代碼來簡單說明Web開發框架的運行方式。

        # 導入socket模塊
        import socket
        # 建立socket服務
        sk=socket.socket()
        # 綁定IP與端口號，這是綁定本機端口
        sk.bind(('127.0.0.1',8000))
        # 進行監聽
        sk.listen()
        print('socket服務開始運行……')
        while True:
          # 接收socket客戶端連接
          conn,addr=sk.accept()
          # 接收socket客戶端數據
          data=conn.recv(1024)
          # print(data)
          # 向客戶端發送消息，字符串前加字母b表示以字節形式傳遞
          conn.send(b"HTTP/1.1 200 OK\r\n\r\n")
          # 向客戶端發送消息，bytes()函數把字符串轉換成字節形式
         conn.send(bytes("我是socket服務端，我已接到你的請求。",encoding='utf-8'))
  

以上代碼主要實現如下過程。

（1）建立socket服務，綁定IP與端口號，并啟動監聽進程，這樣就把本地計算機設置成socket服務端。

（2）服務啟動后，通過循環語句，持續接收瀏覽器（socket客戶端）發送的信息。

（3）socket服務端與瀏覽器以字節形式在網絡上傳遞消息，在發送字符串前必須將其轉化成字節形式。

（4）socket 服務端與瀏覽器的消息傳遞必須依照HTTP 格式，conn.send(b"HTTP/1.1 200 OK\r\n\r\n")這句代碼把字符串按照HTTP格式向瀏覽器傳遞，主要格式為HTTP/1.1 200 OK，字符串后面跟兩對回車符和換行符“\r\n\r\n”，這樣其后的字符串就能顯示在瀏覽器中。

在命令行終端輸入python test1.py運行代碼啟動socket服務，如圖1.1所示。

這時在瀏覽器中輸入http://127.0.0.1:8000/，socket服務端收到請求后，返回相關信息。由于是按照HTTP格式返回信息，所以信息能顯示在瀏覽器上，如圖1.2所示。

1.2.2 Web開發框架核心功能

1.2.1 節中的代碼沒有實現根據瀏覽器地址欄中的URL不同而做出不同響應，本節我們對代碼進行改進與完善，實現Web開發框架核心功能，完善后的代碼如下。

            import socket
            def index(url):
              # 讀取文件，并對占位符進行替換
              # with用法：在退出with代碼塊后自動關閉with打開的文件
              with open('index.html', 'r',encoding='utf-8') as f:
                rd = f.read()
                rd = rd.replace("$@index$@", "首頁")
              # 替換后的文本以字節形式返回
              return bytes(rd,encoding='utf-8')
            def test(url):
              with open('test.html', 'r',encoding='utf-8') as f:
                rd = f.read()
                rd = rd.replace("$@test$@", "測試")
              return bytes(rd,encoding='utf-8')
            def fun404(url):
              ret = "<h1>not found!</h1>"
              return bytes(ret, encoding='utf-8')
            # 定義變量url_func，建立了URL與函數名的對應關系
            url_func=[
              ("/index/",index),
              ("/test/",test),
            ]
            # 建立socket服務
            sk=socket.socket()
            # 綁定IP與端口號，這里是綁定本機端口
            sk.bind(('127.0.0.1',8000))
            # 進行監聽
            sk.listen()
            print('socket服務開始運行……')
            while True:
              # 接收socket客戶端連接
              conn, addr = sk.accept()
              """
              下面語句中data變量接收socket客戶端（瀏覽器）數據，這個數據有固定格式
              數據是HTTP請求數據格式，第一行格式為GET /index/　HTTP/1.1\r\n
  

該行以\r\n結尾，各字符串以空格分隔

              """
              data = conn.recv(1024)
              # 輸出socket服務端接收的瀏覽器發來的消息格式
              print(data)
              if not data:
              # 如果客戶端沒有發送新的數據，就重新開始，不再向下執行
              # 防止后面語句對空字符進行操作而拋出異常
                continue
              # 把收到的數據由字節形式轉換成字符串，一般用到的編碼格式為utf-8
              data_str = str(data, encoding='utf-8')
              # 以\r\n分隔每一行
              line = data_str.split("\r\n")
              # print(line[0])
              # 取出第一行字符串(line[0])，然后用空格再次分隔字符串
              # 提示：在Django中的索引從0開始
              v1 = line[0].split()
              # 取出路徑，路徑字符串在第2個位置上（以空格分隔）
              url = v1[1]
              """
              向客戶端發消息，字符串前加字母b表示以字節形式傳遞
              在HTTP/1.1 200 OK\r\n\r\n之后的內容以HTTP格式顯示在瀏覽器中
              """
              conn.send(b"HTTP/1.1 200 OK\r\n\r\n")
              func=None
              """
              用for循環取出url_func中的每一項，它是由URL和函數名組成的元組向客戶端發消息
              """
              for i in url_func:
                if i[0] == url:
                  # 取出對應函數名
                  func = i[1]
                  break
              if func:
                func = func
              else:
                func = fun404
              # 函數名加上括號，表示執行函數
              rep = func(url)
              # 把函數返回的值向客戶端發送
              conn.send(rep)
              conn.close()
  

上述代碼的相關說明如下。

（1）以上代碼定義了兩個函數——index()和test()，還定義了一個列表類型的變量，列表中每項都是元組，其列出URL與函數名的對應關系。程序流程主要是：根據傳入的參數（URL），讀取相應的HTML文件，并根據占位符（本例中用兩個$@包含一個變量名表示一個占位符，形如$@index$@）進行替換實現網頁動態顯示。

（2）index()函數和test()函數讀取相應的HTML文件并進行占位符替換，同時以字節形式返回替換后的文本，進行替換的HTML文件index.html所含代碼如下，請注意占位符$@index$@的位置。

            <!DOCTYPE html>
            <html lang="en">
            <head>
            <meta charset="UTF-8">
            <title>index頁面</title>
            </head>
            <body>
              <h1>$@index$@</h1>
            </body>
            </html>
  

test.html的代碼與index.html的代碼相似，此處不再列舉。

（3）代碼還增加了一個fun404()函數來處理無對應關系的路徑。

（4）在while True代碼塊中增加了對瀏覽器（socket客戶端）傳來的消息的處理，解析出瀏覽器地址欄中URL的路徑，要正確解析路徑必須了解瀏覽器傳給socket服務端的消息格式。這里以在瀏覽器地址欄中輸入http://127.0.0.1:8000/index/為例，通過print語句可以看到socket服務端收到的消息格式如下。

            GET /index/　HTTP/1.1\r\n
            Host: 127.0.0.1:8000\r\n
            Connection: keep-alive\r\n
            User-Agent: Mozilla/5.0 (Windows NT 6.1; WOW64) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko)
            Chrome/63.0.3239.132 Safari/537.36\r\n
            Accept-Encoding: gzip, deflate, br\r\n
            Accept-Language: zh-CN,zh;q=0.9\r\n\r\n
  

可以看到消息格式以\r\n分隔每行，每行中各項再以空格進行分隔，通過這個格式即可理解代碼是如何解析路徑的。

運行python test2.py以進行測試，實現了針對不同請求進行響應的過程，如圖1.3所示。

1.2.3 HTTP簡單介紹

為了使讀者能有效地理解代碼，這里有必要簡單介紹一下HTTP。HTTP就是瀏覽器（客戶端）與Web服務器交流的語言，它是一種雙方都認可的格式或規則，也就是這種語言是雙方都能“聽得懂”的語言，因此協議就是一種格式，這種格式讓雙方都知道對方想表達什么意思、想做什么事。

HTTP消息格式有請求和響應兩種，HTTP請求和響應都包含Header和Body兩部分，其中Body是可選的。

1.2.4 HTTP請求消息格式

HTTP請求（Request）消息包含請求頭（Header）和請求體（Body）。請求頭每行以“\r\n”結尾，請求頭第一行以空格分隔的字符串分別代表請求方法、路徑、HTTP等信息。第二個字符串就是路徑，是一個較為重要的字符串，由此可推知瀏覽器地址欄中的URL。請求頭從第二行開始都是“頭字段名:值\r\n”的形式。請求頭與請求體之間以“\r\n”分隔，請求體可以有也可以沒有。以下是HTTP請求消息格式的示意代碼。

            請求方法 路徑 HTTP/1.1\r\n　# 請求方法包括GET、POST等
            頭字段名:值\r\n
            頭字段名:值\r\n
            …
            頭字段名:值\r\n
            \r\n
            請求體　# 請求體可以有，可以沒有
  

以下是實例代碼，其中，GET 表示請求方式，請求的路徑是/index/，應用的協議是HTTP，協議的版本是1.1。

            GET /index/　HTTP/1.1\r\n
            Host: 127.0.0.1:8000\r\n
            Connection: keep-alive\r\n
            User-Agent: Mozilla/5.0 (Windows NT 6.1; WOW64) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko)
            Chrome/63.0.3239.132 Safari/537.36\r\n
            Accept-Encoding: gzip, deflate, br\r\n
            Accept-Language: zh-CN,zh;q=0.9\r\n
            \r\n
            … # 請求體可以有，可以沒有
  

1.2.5 HTTP響應消息格式

HTTP響應（Response）消息包含響應頭（Header）和響應正文（Body）。響應頭每行以“\r\n”結尾，響應頭第一行包含代表HTTP、狀態碼和狀態描述符等信息的3個字符串，這3個字符串以空格作為分隔符。響應頭從第二行開始都是“頭字段名:值\r\n”的形式。響應頭與響應正文之間以“\r\n”分隔，響應正文就是顯示在瀏覽器中的HTML格式的內容。以下是HTTP響應消息格式的示意代碼。

            HTTP/1.1 狀態碼 狀態描述符\r\n
            頭字段名:值\r\n
            頭字段名:值\r\n
            …
            頭字段名:值\r\n
            \r\n
            響應正文 # 響應正文，就是HTML格式的內容
  

以下是實例代碼，其中，HTTP/1.1表示HTTP的版本是1.1，狀態碼200表示響應正常，OK是響應成功的描述字符串，另外還有服務器信息Server、響應時間Date等內容。

            HTTP/1.1 200 OK\r\n
            Server: openresty/1.9.15.1\r\n
            Date: Fri, 05 Jul 2019 07:58:16 GMT\r\n
            Content-Type: text/html; charset=utf-8\r\n
            Transfer-Encoding: chunked\r\n
            \r\n
            … # 響應正文
  

1.3 Python Web開發框架

1.2節我們用Python代碼的形式解釋了如何用socket來實現Web開發框架的流程，Web開發框架的本質就是用HTTP實現socket服務端與瀏覽器的通信功能。這些功能可以概括為3步。

（1）socket服務端與客戶端（瀏覽器）收/發socket消息，按照HTTP來解析消息。

（2）建立URL與要執行的函數的對應關系，這里的函數包含業務邏輯代碼。

（3）載入HTML文件當作模板，對其中特殊符號標識的字符串進行替換并發給瀏覽器顯示。

不理解或看不懂本章關于Web開發框架的代碼對于Django開發影響不太大，讀者不用擔心。對該代碼的理解有利于從Web開發本質與原理層面理解Django，會提高Django開發效率。

Python中的Web框架一般實現3種核心功能。

●收發消息（socket功能）。

●根據用戶不同路徑執行不同的函數。

●從HTML文件中取出內容，并且完成字符串的替換。

目前主流的Python Web開發框架主要有Django、Tornado和Flask這3種。

① Django是目前最流行的Web開發框架之一，該框架包含以上3種核心功能中的第二、第三種功能，這兩種功能可以很容易地通過編寫代碼或配置來實現，第一種功能使用第三方工具實現。Django是Python中最全能的Web開發框架之一，功能完備，在可維護性和開發速度上具有優勢。

② Tornado包含以上3種核心功能，但需要開發人員通過代碼實現。該框架最大的特點是采用異步處理，是非阻塞式、高并發處理框架，性能強大，可以每秒處理數以千計的連接。Tornado是實現實時Web服務的理想框架。其缺點是相比于Django，諸多內容需要開發人員自己去編寫。隨著項目越來越大，Tornado將有越來越多的功能需要開發人員來實現。

③ Flask可實現以上3種核心功能中的第二種功能，第一、第三種功能使用第三方工具實現，是輕量級的開發框架。Flask的特點是使用簡單的核心，并使用插件擴展其他功能，因此Flask是一個面向簡單需求和小型應用的微框架。

1.4 小結

本章簡單介紹了Python的特點，并介紹了Web開發框架基本知識、HTTP以及常見的Python Web開發框架，使讀者對Django的原理有所了解。