理解Python WSGI

#Python

2015-09-10

本文内容主要来自以下网址：

What is WSGI?
WSGI Tutorial
An Introduction to the Python Web Server Gateway Interface (WSGI)

可以看成一次简单粗暴的翻译。

什么是WSGI

WSGI的全称是Web Server Gateway Interface，这是一个规范，描述了web server如何与web application交互、web application如何处理请求。该规范的具体描述在PEP 3333。注意，WSGI既要实现web server，也要实现web application。

实现了WSGI的模块/库有wsgiref(python内置)、werkzeug.serving、twisted.web等，具体可见Servers which support WSGI。

当前运行在WSGI之上的web框架有Bottle、Flask、Django等，具体可见Frameworks that run on WSGI。

WSGI server所做的工作仅仅是将从客户端收到的请求传递给WSGI application，然后将WSGI application的返回值作为响应传给客户端。WSGI applications 可以是栈式的，这个栈的中间部分叫做中间件，两端是必须要实现的application和server。

WSGI教程

这部分内容主要来自WSGI Tutorial。

WSGI application接口

WSGI application接口应该实现为一个可调用对象，例如函数、方法、类、含__call__方法的实例。这个可调用对象可以接收2个参数：

• 一个字典，该字典可以包含了客户端请求的信息以及其他信息，可以认为是请求上下文，一般叫做environment（编码中多简写为environ、env）；
• 一个用于发送HTTP响应状态（HTTP status ）、响应头（HTTP headers）的回调函数。

同时，可调用对象的返回值是响应正文（response body），响应正文是可迭代的、并包含了多个字符串。

WSGI application结构如下：

def application (environ, start_response):

    response_body = 'Request method: %s' % environ['REQUEST_METHOD']

    # HTTP响应状态
    status = '200 OK'

    # HTTP响应头，注意格式
    response_headers = [
        ('Content-Type', 'text/plain'),
        ('Content-Length', str(len(response_body)))
    ]

    # 将响应状态和响应头交给WSGI server
    start_response(status, response_headers)

    # 返回响应正文
    return [response_body]

Environment

下面的程序可以将environment字典的内容返回给客户端（environment.py）：

# ! /usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*- 

# 导入python内置的WSGI server
from wsgiref.simple_server import make_server

def application (environ, start_response):

    response_body = [
        '%s: %s' % (key, value) for key, value in sorted(environ.items())
    ]
    response_body = '\n'.join(response_body)  # 由于下面将Content-Type设置为text/plain，所以`\n`在浏览器中会起到换行的作用

    status = '200 OK'
    response_headers = [
        ('Content-Type', 'text/plain'),
        ('Content-Length', str(len(response_body)))
    ]
    start_response(status, response_headers)

    return [response_body]

# 实例化WSGI server
httpd = make_server (
    '127.0.0.1', 
    8051, # port
    application # WSGI application，此处就是一个函数
)

# handle_request函数只能处理一次请求，之后就在控制台`print 'end'`了
httpd.handle_request()

print 'end'

浏览器（或者curl、wget等）访问http://127.0.0.1:8051/，可以看到environment的内容。

另外，浏览器请求一次后，environment.py就结束了，程序在终端中输出内容如下：

127.0.0.1 - - [09/Sep/2015 23:39:09] "GET / HTTP/1.1" 200 5540
end

可迭代的响应

如果把上面的可调用对象application的返回值：

return [response_body]

改成：

return response_body

这会导致WSGI程序的响应变慢。原因是字符串response_body也是可迭代的，它的每一次迭代只能得到1 byte的数据量，这也意味着每一次只向客户端发送1 byte的数据，直到发送完毕为止。所以，推荐使用return [response_body]。

如果可迭代响应含有多个字符串，那么Content-Length应该是这些字符串长度之和：

# ! /usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*- 

from wsgiref.simple_server import make_server

def application(environ, start_response):

    response_body = [
        '%s: %s' % (key, value) for key, value in sorted(environ.items())
    ]
    response_body = '\n'.join(response_body)

    response_body = [
        'The Beggining\n',
        '*' * 30 + '\n',
        response_body,
        '\n' + '*' * 30 ,
        '\nThe End'
    ]

    # 求Content-Length
    content_length = sum([len(s) for s in response_body])

    status = '200 OK'
    response_headers = [
        ('Content-Type', 'text/plain'),
        ('Content-Length', str(content_length))
    ]

    start_response(status, response_headers)
    return response_body

httpd = make_server('localhost', 8051, application)
httpd.handle_request()

print 'end'

解析GET请求

运行environment.py，在浏览器中访问http://localhost:8051/?age=10&hobbies=software&hobbies=tunning，可以在响应的内容中找到：

QUERY_STRING: age=10&hobbies=software&hobbies=tunning
REQUEST_METHOD: GET

cgi.parse_qs()函数可以很方便的处理QUERY_STRING，同时需要cgi.escape()处理特殊字符以防止脚本注入，下面是个例子：

# ! /usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*- 
from cgi import parse_qs, escape

QUERY_STRING = 'age=10&hobbies=software&hobbies=tunning'
d = parse_qs(QUERY_STRING)
print d.get('age', [''])[0]   # ['']是默认值，如果在QUERY_STRING中没找到age则返回默认值
print d.get('hobbies', [])
print d.get('name', ['unknown'])

print 10 * '*'
print escape('<script>alert(123);</script>')

输出如下：

10
['software', 'tunning']
['unknown']
**********
<script>alert(123);</script>

然后，我们可以写一个基本的处理GET请求的动态网页了：

# ! /usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*- 

from wsgiref.simple_server import make_server
from cgi import parse_qs, escape

# html中form的method是get，action是当前页面
html = """
<html>
<body>
   <form method="get" action="">
        <p>
           Age: <input type="text" name="age" value="%(age)s">
        </p>
        <p>
            Hobbies:
            <input
                name="hobbies" type="checkbox" value="software"
                %(checked-software)s
            > Software
            <input
                name="hobbies" type="checkbox" value="tunning"
                %(checked-tunning)s
            > Auto Tunning
        </p>
        <p>
            <input type="submit" value="Submit">
        </p>
    </form>
    <p>
        Age: %(age)s<br>
        Hobbies: %(hobbies)s
    </p>
</body>
</html>
"""

def application (environ, start_response):

    # 解析QUERY_STRING
    d = parse_qs(environ['QUERY_STRING'])

    age = d.get('age', [''])[0] # 返回age对应的值
    hobbies = d.get('hobbies', []) # 以list形式返回所有的hobbies

    # 防止脚本注入
    age = escape(age)
    hobbies = [escape(hobby) for hobby in hobbies]

    response_body = html % { 
        'checked-software': ('', 'checked')['software' in hobbies],
        'checked-tunning': ('', 'checked')['tunning' in hobbies],
        'age': age or 'Empty',
        'hobbies': ', '.join(hobbies or ['No Hobbies?'])
    }

    status = '200 OK'

    # 这次的content type是text/html
    response_headers = [
        ('Content-Type', 'text/html'),
        ('Content-Length', str(len(response_body)))
    ]

    start_response(status, response_headers)
    return [response_body]

httpd = make_server('localhost', 8051, application)

# 能够一直处理请求
httpd.serve_forever()

print 'end'

启动程序，在浏览器中访问http://localhost:8051/、http://localhost:8051/?age=10&hobbies=software&hobbies=tunning感受一下～

这个程序会一直运行，可以使用快捷键Ctrl-C终止它。

这段代码涉及两个我个人之前没用过的小技巧：

>>> "Age: %(age)s" % {'age':12}
'Age: 12'
>>> 
>>> hobbies = ['software']
>>> ('', 'checked')['software' in hobbies]
'checked'
>>> ('', 'checked')['tunning' in hobbies]
''

解析POST请求

对于POST请求，查询字符串（query string）是放在HTTP请求正文（request body）中的，而不是放在URL中。请求正文在environment字典变量中键wsgi.input 对应的值中，这是一个类似file的变量，这个值是一个。The PEP 3333 指出，请求头中CONTENT_LENGTH字段表示正文的大小，但是可能为空、或者不存在，所以读取请求正文时候要用try/except。

下面是一个可以处理POST请求的动态网站：

# ! /usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*- 

from wsgiref.simple_server import make_server
from cgi import parse_qs, escape

# html中form的method是post
html = """
<html>
<body>
   <form method="post" action="">
        <p>
           Age: <input type="text" name="age" value="%(age)s">
        </p>
        <p>
            Hobbies:
            <input
                name="hobbies" type="checkbox" value="software"
                %(checked-software)s
            > Software
            <input
                name="hobbies" type="checkbox" value="tunning"
                %(checked-tunning)s
            > Auto Tunning
        </p>
        <p>
            <input type="submit" value="Submit">
        </p>
    </form>
    <p>
        Age: %(age)s<br>
        Hobbies: %(hobbies)s
    </p>
</body>
</html>
"""

def application(environ, start_response):

    # CONTENT_LENGTH 可能为空，或者没有
    try:
        request_body_size = int(environ.get('CONTENT_LENGTH', 0))
    except (ValueError):
        request_body_size = 0

    request_body = environ['wsgi.input'].read(request_body_size)
    d = parse_qs(request_body)

    # 获取数据
    age = d.get('age', [''])[0] 
    hobbies = d.get('hobbies', []) 

    # 转义，防止脚本注入
    age = escape(age)
    hobbies = [escape(hobby) for hobby in hobbies]

    response_body = html % { 
        'checked-software': ('', 'checked')['software' in hobbies],
        'checked-tunning': ('', 'checked')['tunning' in hobbies],
        'age': age or 'Empty',
        'hobbies': ', '.join(hobbies or ['No Hobbies?'])
    }

    status = '200 OK'

    response_headers = [
        ('Content-Type', 'text/html'),
        ('Content-Length', str(len(response_body)))
    ]

    start_response(status, response_headers)
    return [response_body]

httpd = make_server('localhost', 8051, application)

httpd.serve_forever()

print 'end'  

Python WSGI入门

这段内容参考自An Introduction to the Python Web Server Gateway Interface (WSGI)。

Web server

WSGI server就是一个web server，其处理一个HTTP请求的逻辑如下：

iterable = app(environ, start_response)
for data in iterable:
   # send data to client

app即WSGI application，environ即上文中的environment。可调用对象app返回一个可迭代的值，WSGI server获得这个值后将数据发送给客户端。

Web framework/app

即WSGI application。

中间件（Middleware）

中间件位于WSGI server和WSGI application之间，所以

一个示例

该示例中使用了中间件。

# ! /usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*- 

from wsgiref.simple_server import make_server

def application(environ, start_response):

    response_body = 'hello world!'

    status = '200 OK'

    response_headers = [
        ('Content-Type', 'text/plain'),
        ('Content-Length', str(len(response_body)))
    ]

    start_response(status, response_headers)
    return [response_body]

# 中间件
class Upperware:
   def __init__(self, app):
      self.wrapped_app = app

   def __call__(self, environ, start_response):
      for data in self.wrapped_app(environ, start_response):
        yield data.upper()

wrapped_app = Upperware(application)

httpd = make_server('localhost', 8051, wrapped_app)

httpd.serve_forever()

print 'end'

然后

有了这些基础知识，就可以打造一个web框架了。感兴趣的话，可以阅读一下Bottle、Flask等的源码。

在Learn about WSGI还有更多关于WSGI的内容。

( 本文完 )