Python在web應(yīng)用實現(xiàn)部署的協(xié)議與實現(xiàn)協(xié)議的工具解析

不要讓服務(wù)器裸奔

學(xué)過PHP的都了解，php的正式環(huán)境部署非常簡單，改幾個文件就OK，用FastCgi方式也是分分鐘的事情。相比起來，Python在web應(yīng)用上的部署就繁雜的多，主要是工具繁多，主流服務(wù)器支持不足，在了解Python的生產(chǎn)環(huán)境部署方式之前，先明確一些概念！很重要！

CGI：

CGI即通用網(wǎng)關(guān)接口(Common Gateway Interface)，是外部應(yīng)用程序（CGI程序）與Web服務(wù)器之間的接口標準，是在CGI程序和Web服務(wù)器之間傳遞信息的規(guī)程。CGI規(guī)范允許Web服務(wù)器執(zhí)行外部程序，并將它們的輸出發(fā)送給Web瀏覽器，CGI將Web的一組簡單的靜態(tài)超媒體文檔變成一個完整的新的交互式媒體。通俗的講CGI就像是一座橋，把網(wǎng)頁和WEB服務(wù)器中的執(zhí)行程序連接起來，它把HTML接收的指令傳遞給服務(wù)器的執(zhí)行程序，再把服務(wù)器執(zhí)行程序的結(jié)果返還給HTML頁。CGI 的跨平臺性能極佳，幾乎可以在任何操作系統(tǒng)上實現(xiàn)。

CGI方式在遇到連接請求（用戶請求）先要創(chuàng)建cgi的子進程，激活一個CGI進程，然后處理請求，處理完后結(jié)束這個子進程。這就是fork-and-execute模式。所以用cgi方式的服務(wù)器有多少連接請求就會有多少cgi子進程，子進程反復(fù)加載是cgi性能低下的主要原因。當(dāng)用戶請求數(shù)量非常多時，會大量擠占系統(tǒng)的資源如內(nèi)存，CPU時間等，造成效能低下。

CGI腳本工作流程：

瀏覽器通過HTML表單或超鏈接請求指向一個CGI應(yīng)用程序的URL。

服務(wù)器執(zhí)行務(wù)器收發(fā)到請求。所指定的CGI應(yīng)用程序。

CGI應(yīng)用程序執(zhí)行所需要的操作，通常是基于瀏覽者輸入的內(nèi)容。

CGI應(yīng)用程序把結(jié)果格式化為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和瀏覽器能夠理解的文檔（通常是HTML網(wǎng)頁）。

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器把結(jié)果返回到瀏覽器中。

python有cgi模塊可支持原生cgi程序

FastCGI：

FastCGI是一個可伸縮地、高速地在HTTP server和動態(tài)腳本語言間通信的接口。多數(shù)流行的HTTP server都支持FastCGI，包括Apache、Nginx和lighttpd等，同時，F(xiàn)astCGI也被許多腳本語言所支持，其中就有Python。FastCGI是從CGI發(fā)展改進而來的。傳統(tǒng)CGI接口方式的主要缺點是性能很差，因為每次HTTP服務(wù)器遇到動態(tài)程序時都需要重新啟動腳本解析器來執(zhí)行解析，然后結(jié)果被返回給HTTP服務(wù)器。這在處理高并發(fā)訪問時，幾乎是不可用的。FastCGI像是一個常駐(long-live)型的CGI，它可以一直執(zhí)行著，只要激活后，不會每次都要花費時間去fork一次(這是CGI最為人詬病的fork-and-execute 模式)。CGI 就是所謂的短生存期應(yīng)用程序，F(xiàn)astCGI 就是所謂的長生存期應(yīng)用程序。由于 FastCGI 程序并不需要不斷的產(chǎn)生新進程，可以大大降低服務(wù)器的壓力并且產(chǎn)生較高的應(yīng)用效率。它的速度效率最少要比CGI 技術(shù)提高 5 倍以上。它還支持分布式的運算, 即 FastCGI 程序可以在網(wǎng)站服務(wù)器以外的主機上執(zhí)行并且接受來自其它網(wǎng)站服務(wù)器來的請求。

FastCGI是語言無關(guān)的、可伸縮架構(gòu)的CGI開放擴展，其主要行為是將CGI解釋器進程保持在內(nèi)存中并因此獲得較高的性能。眾所周知，CGI解釋器的反復(fù)加載是CGI性能低下的主要原因，如果CGI解釋器保持在內(nèi)存中并接受FastCGI進程管理器調(diào)度，則可以提供良好的性能、伸縮性、Fail-Over特性等等。FastCGI接口方式采用C/S結(jié)構(gòu)，可以將HTTP服務(wù)器和腳本解析服務(wù)器分開，同時在腳本解析服務(wù)器上啟動一個或者多個腳本解析守護進程。當(dāng)HTTP服務(wù)器每次遇到動態(tài)程序時，可以將其直接交付給FastCGI進程來執(zhí)行，然后將得到的結(jié)果返回給瀏覽器。這種方式可以讓HTTP服務(wù)器專一地處理靜態(tài)請求或者將動態(tài)腳本服務(wù)器的結(jié)果返回給客戶端，這在很大程度上提高了整個應(yīng)用系統(tǒng)的性能。

FastCGI的工作流程:

Web Server啟動時載入FastCGI進程管理器（PHP-CGI或者PHP-FPM或者spawn-cgi)

FastCGI進程管理器自身初始化，啟動多個CGI解釋器進程(可見多個php-cgi)并等待來自Web Server的連接。

當(dāng)客戶端請求到達Web Server時，F(xiàn)astCGI進程管理器選擇并連接到一個CGI解釋器。Web server將CGI環(huán)境變量和標準輸入發(fā)送到FastCGI子進程php-cgi。

FastCGI子進程完成處理后將標準輸出和錯誤信息從同一連接返回Web Server。當(dāng)FastCGI子進程關(guān)閉連接時，請求便告處理完成。FastCGI子進程接著等待并處理來自FastCGI進程管理器(運行在Web Server中)的下一個連接。 在CGI模式中，php-cgi在此便退出。

FastCGI 的特點：

打破傳統(tǒng)頁面處理技術(shù)。傳統(tǒng)的頁面處理技術(shù)，程序必須與 Web 服務(wù)器或 Application 服務(wù)器處于同一臺服務(wù)器中。這種歷史已經(jīng)早N年被FastCGI技術(shù)所打破，F(xiàn)astCGI技術(shù)的應(yīng)用程序可以被安裝在服務(wù)器群中的任何一臺服務(wù)器，而通過 TCP/IP 協(xié)議與 Web 服務(wù)器通訊，這樣做既適合開發(fā)大型分布式 Web 群，也適合高效數(shù)據(jù)庫控制。

明確的請求模式。CGI 技術(shù)沒有一個明確的角色，在 FastCGI 程序中，程序被賦予明確的角色（響應(yīng)器角色、認證器角色、過濾器角色）。

WSGI：

Python Web服務(wù)器網(wǎng)關(guān)接口（Python Web Server Gateway Interface，縮寫為WSGI）是為Python語言定義的Web服務(wù)器和Web應(yīng)用程序或框架之間的一種簡單而通用的接口。自從WSGI被開發(fā)出來以后，許多其它語言中也出現(xiàn)了類似接口。WSGI是作為Web服務(wù)器與Web應(yīng)用程序或應(yīng)用框架之間的一種低級別的接口，以提升可移植Web應(yīng)用開發(fā)的共同點。WSGI是基于現(xiàn)存的CGI標準而設(shè)計的。

WSGI區(qū)分為兩個部份：一為“服務(wù)器”或“網(wǎng)關(guān)”，另一為“應(yīng)用程序”或“應(yīng)用框架”。在處理一個WSGI請求時，服務(wù)器會為應(yīng)用程序提供環(huán)境上下文及一個回調(diào)函數(shù)（Callback Function）。當(dāng)應(yīng)用程序完成處理請求后，透過先前的回調(diào)函數(shù)，將結(jié)果回傳給服務(wù)器。所謂的 WSGI 中間件同時實現(xiàn)了API的兩方，因此可以在WSGI服務(wù)和WSGI應(yīng)用之間起調(diào)解作用：從WSGI服務(wù)器的角度來說，中間件扮演應(yīng)用程序，而從應(yīng)用程序的角度來說，中間件扮演服務(wù)器?！爸虚g件”組件可以執(zhí)行以下功能：

重寫環(huán)境變量后，根據(jù)目標URL，將請求消息路由到不同的應(yīng)用對象。

允許在一個進程中同時運行多個應(yīng)用程序或應(yīng)用框架。

負載均衡和遠程處理，通過在網(wǎng)絡(luò)上轉(zhuǎn)發(fā)請求和響應(yīng)消息。

進行內(nèi)容后處理，例如應(yīng)用XSLT樣式表。

以前，如何選擇合適的Web應(yīng)用程序框架成為困擾Python初學(xué)者的一個問題，這是因為，一般而言，Web應(yīng)用框架的選擇將限制可用的Web服務(wù)器的選擇，反之亦然。那時的Python應(yīng)用程序通常是為CGI，F(xiàn)astCGI，mod_python中的一個而設(shè)計，甚至是為特定Web服務(wù)器的自定義的API接口而設(shè)計的。WSGI沒有官方的實現(xiàn), 因為WSGI更像一個協(xié)議。只要遵照這些協(xié)議,WSGI應(yīng)用(Application)都可以在任何服務(wù)器(Server)上運行, 反之亦然。WSGI就是Python的CGI包裝，相對于Fastcgi是PHP的CGI包裝。

WSGI將 web 組件分為三類： web服務(wù)器，web中間件,web應(yīng)用程序， wsgi基本處理模式為 ： WSGI Server -> (WSGI Middleware)* -> WSGI Application 。

uwsgi：

uwsgi協(xié)議是一個uWSGI服務(wù)器自有的協(xié)議，它用于定義傳輸信息的類型（type of information），每一個uwsgi packet前4byte為傳輸信息類型描述，它與WSGI相比是兩樣?xùn)|西。據(jù)稱其效率是fcgi的10倍。

以上四者都可以理解為協(xié)議！協(xié)議！協(xié)議！實現(xiàn)了這樣的協(xié)議，就可以實現(xiàn)Web服務(wù)器與Web應(yīng)用程序相關(guān)聯(lián)的web服務(wù)！

uWSGI：

uWSGI項目旨在為部署分布式集群的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)一套完整的解決方案。uWSGI主要面向web及其標準服務(wù)，已經(jīng)成功的應(yīng)用于多種不同的語言。由于uWSGI的可擴展架構(gòu)，它能夠被無限制的擴展用來支持更多的平臺和語言。目前，你可以使用C，C++和Objective-C來編寫插件。項目名稱中的“WSGI”是為了向同名的Python Web標準表示感謝，因為WSGI為該項目開發(fā)了第一個插件。uWSGI是一個Web服務(wù)器，它實現(xiàn)了WSGI協(xié)議、uwsgi、http等協(xié)議。uWSGI，既不用wsgi協(xié)議也不用FastCGI協(xié)議，而是自創(chuàng)了上文說將的uwsgi協(xié)議。

uWSGI的主要特點如下：

超快的性能。

低內(nèi)存占用（實測為apache2的mod_wsgi的一半左右）。

多app管理。

詳盡的日志功能（可以用來分析app性能和瓶頸）。

高度可定制（內(nèi)存大小限制，服務(wù)一定次數(shù)后重啟等）。

Gunicorn：

和uWSGi類似的工具，從rails的部署工具(Unicorn)移植過來的。但是它使用的協(xié)議是前文所講的WSGI，這是python2.5時定義的官方標準(PEP 333 )，根紅苗正，而且部署比較簡單，詳細的使用教程請點擊這里（http://gunicorn.org/）。Gunicorn采用prefork模式，Gunicorn 服務(wù)器與各種 Web 框架兼容，只需非常簡單的執(zhí)行，輕量級的資源消耗，以及相當(dāng)迅速。它的特點是與 Django 結(jié)合緊密，部署特別方便。 缺點也很多，不支持 HTTP 1.1，并發(fā)訪問性能不高，與 uWSGI，Gevent 等有一定的性能差距。

1. Gunicorn設(shè)計

Gunicorn 是一個 master 進程，spawn 出數(shù)個工作進程的 web 服務(wù)器。master 進程控制工作進程的產(chǎn)生與消亡，工作進程只需要接受請求并且處理。這樣分離的方式使得 reload 代碼非常方便，也很容易增加或減少工作進程。 工作進程這塊作者給了很大的擴展余地，它可以支持不同的IO方式，如 Gevent,Sync 同步進程，Asyc 異步進程，Eventlet 等等。master 跟 worker 進程完全分離，使得 Gunicorn 實質(zhì)上就是一個控制進程的服務(wù)。

2. Gunicorn源碼結(jié)構(gòu)

從 Application.run() 開始，首先初始化配置，從文件讀取，終端讀取等等方式完成 configurate。然后啟動 Arbiter，Arbiter 是實質(zhì)上的 master 進程的核心，它首先從配置類中讀取并設(shè)置，然后初始化信號處理函數(shù)，建立 socket。然后就是開始 spawn 工作進程，根據(jù)配置的工作進程數(shù)進行 spawn。然后就進入了輪詢狀態(tài)，收到信號，處理信號然后繼續(xù)。這里喚醒進程的方式是建立一個 PIPE，通過信號處理函數(shù)往 pipe 里 write，然后 master 從 select.select() 中喚醒。

工作進程在 spawn 后，開始初始化，然后同樣對信號進行處理，并且開始輪詢，處理 HTTP 請求，調(diào)用 WSGI 的應(yīng)用端，得到 resopnse 返回。然后繼續(xù)。

Sync 同步進程的好處在于每個 request 都是分離的，每個 request 失敗都不會影響其他 request，但這樣導(dǎo)致了性能上的瓶頸。

Tornado：

Tornado即使一款python 的開發(fā)框架，也是一個異步非阻塞的http服務(wù)器，它本身的數(shù)據(jù)產(chǎn)出實現(xiàn)沒有遵從上文所說的一些通用協(xié)議，因為自身就是web服務(wù)器，所以動態(tài)請求就直接通過內(nèi)部的機制，輸出成用戶所請求的動態(tài)內(nèi)容。如果把它作為一個單獨服務(wù)器，想用它來配合其他的框架如Flask來部署，則需要采用WSGI協(xié)議，Tornado內(nèi)置了該協(xié)議，tornado.wsgi.WSGIContainer。

wsgiref：

Python自帶的實現(xiàn)了WSGI協(xié)議的的wsgi server。wsgi server可以理解為一個符合wsgi規(guī)范的web server，接收request請求，封裝一系列環(huán)境變量，按照wsgi規(guī)范調(diào)用注冊的wsgi app，最后將response返回給客戶端。Django的自帶服務(wù)器就是它了。

以上都可以理解為實現(xiàn)！實現(xiàn)！實現(xiàn)！實現(xiàn)了協(xié)議的工具！

注：mod_wsgi（apache的模塊）其實也是實現(xiàn)了wsgi協(xié)議的一個模塊，現(xiàn)在幾乎不廢棄了，所以也不多說了，感興趣的自己查一下吧。

所以如果你采用Django框架開發(fā)了應(yīng)用之后，想部署到生產(chǎn)環(huán)境，肯定不能用Django自帶的，可以用使用uwsgi協(xié)議的uWSGI服務(wù)器，也可以采用實現(xiàn)了WSGI協(xié)議的gunicorn或者Tornado，亦可以用FastCGI、CGI模式的Nginx、lighttpd、apache服務(wù)器。其他框架亦如此！明白了這些概念在部署的時候就可以做到心中有數(shù)，各種工具之間的搭配也就“知其然，并知其所以然”了。

在我們組的項目中有兩種框架Django和Tornado，生產(chǎn)環(huán)境也用到了兩種部署方式。uWSGI和Gunicorn：

Django項目用Nginx+uWSGI方式部署，Tornado項目用Nginx+Gunicorn方式部署：

Nginx都作為負載均衡以及靜態(tài)內(nèi)容轉(zhuǎn)發(fā)。Tornado項目用supervisord來管理Gunicorn，用Gunicorn管理Tornado。眾所周知，由于Python的GIL存在，所以Python的并發(fā)都采用多進程模式，所以我們部署的方式是一個核心兩個進程。