零基础小白必看篇：从0到1构建Python Web框架
造轮子是最好的一种学习方式，本文尝试从0开始造个Python Web框架的轮子，我称它为ToyWebF。
本文操作环境为：MacOS，文中涉及的命令，请根据自己的系统进行替换。
ToyWebF的简单特性：
1.支持多种不同形式的路由注册方式
2.支持静态HTML、CSS、JavaScript
3.支持自定义错误
4.支持中间件
下面我们来实现这些特性。
最简单的web服务
首先，我们需要安装gunicorn，回忆一下Flask框架，该框架有内置的Web服务器，但不稳定，所以上线时通常会替换成uWSGI或gunicorn，这里不搞这个内置Web服务，直接使用gunicorn。
这里多说一句，小编是一名python开发工程师，这里有我自己整理的一套最新的python系统学习教程，包括从基础的python脚本到web开发、爬虫、数据分析、数据可视化、机器学习等。想要这些资料的可以关注小编，并在后台私信小编即可领取。
我们创建新的目录与Python虚拟环境，在该虚拟环境中安装gunicorn
mkdir ToyWebF
python3 -m venv venv # 创建虚拟环境
source venv/bin/activate #激活虚拟环境
pip install gunicorn
复制代码
在啥都没有的情况下，构建最简单的Web服务，在ToyWebF目录下，创建app.py与api.py文件，写入下面代码。
# api.py 文件
class API:
def __call__(self, environ, start_response):
response_body = b"Hello, World!"
status = "200 OK"
start_response(status, headers=[])
return iter([response_body])
# app.py 文件
from api import API
app = API()
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运行gunicorn app:app访问http://127.0.0.1:8000，可以看见Hello, World!，但现在请求体中的参数在environ变量中，难以解析，我们返回的response也是bytes形式。
我们可以使用webob库，将environ中的数据转为Request对象，将需要返回的数据转为Response对象，处理起来更加直观方便，直接通过pip安装一下。
pip install webob
复制代码
然后修改一下API类的__call__方法，代码如下。
from webob import Request, Response
class API(object):
def wsgi_app(self, environ, start_response):
"""通过 webob 将请求的环境信息转为request对象"""
request = Request(environ)
response = self.handle_request(request)
return response(environ, start_response)
def __call__(self, environ, start_response):
self.wsgi_app(environ, start_response)
复制代码
上述代码中，通过webob库的Request类将environ对象（请求的环境信息）转为容易处理的request，随后调用handle_request方法对request进行处理，处理的结果，通过response对象返回。
handle_request方法在ToyWebF中非常重要，它会匹配出某个路由对应的处理方法，然后调用该方法处理请求并将处理的结果返回，在解析handle_request前，需要先讨论路由注册实现，代码如下。
class API(object):
def __init__(self):
# url路由
self.routes = {}
def route(self, path):
# 添加路由的装饰器
def wrapper(handler):
self.add_route(path, handler)
return handler
return wrapper
def add_route(self, path, handler):
# 相同路径不可重复添加
assert path not in self.routes, "Such route already exists"
self.routes[path] = handler
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其实就是将路由和方法存到self.routes字典中，可以通过route装饰器的形式将路由和方法关联，也可以通过add_route方法关联，在app.py中使用一下。
app = API()
# 通过装饰器关联路由和方法
@app.route("/home")
def home(request, response):
response.text = "This is Home"
# 路由中可以有变量，对应的方法也需要有对应的参数
@app.route("/hello/{name}")
def hello(requst, response, name):
response.text = f"Hello, {name}"
# 可以装饰类
@app.route("/book")
class BooksResource(object):
def get(self, req, resp):
resp.text = "Books Page"
def handler1(req, resp):
resp.text = "handler1"
# 可以直接通过add_route方法添加
app.add_route("/handler1", handler1)
复制代码
因为url中可以存在变量，如@app.route("/hello/{name}")，所以在匹配时，需要进行解析，可以使用正则匹配的方式进行匹配，parse这个第三方库已经帮我们实现了相应的正则匹配逻辑，pip安装使用一下则可。
# pip install parse
In [1]: from parse import parse
# 匹配
In [2]: res = parse("/hello/{name}", "/hello/二两")
In [3]: res.named
Out[3]: {'name': '二两'}
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这里定义find_handler方法来实现对self.routes的遍历。
class API(object):
def find_handler(self, request_path):
# 遍历路由
for path, handler in self.routes.items():
# 正则匹配路由
parse_result = parse(path, request_path)
if parse_result is not None:
# 返回路由对应的方法和路由本身
return handler, parse_result.named
return None, None
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了解了路由与方法关联的原理后，就可以实现handle_request方法，该方法主要的路径就是根据路由调度对应的方法，代码如下。
import inspect
class API(object):
def handle_request(self, request):
"""请求调度"""
response = Response()
handler, kwargs = self.find_handler(request.path)
try:
if handler is not None:
if inspect.isclass(handler): # 如果是类，则获取其中的方法
handler = getattr(handler(), request.method.lower(), None)
if handler is None: # 类中该方法不存在，则该类不支持该请求类型
raise AttributeError("Method now allowed", request.method)
handler(request, response, **kwargs)
else:
# 返回默认错误
self.defalut_response(response)
except Exception as e:
raise e
return response
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在该方法中，首先实例化webob库的Response对象，然后通过self.find_handler方法获取此次请求路由对应的方法和对应的参数，比如。
@app.route("/hello/{name}")
def hello(requst, response, name):
response.text = f"Hello, {name}"
复制代码
它将返回hello方法对象和name参数，如果是/hello/二两，那么name就是二两。
因为route装饰器可能装饰器的类对象，比如。
# 可以装饰类
@app.route("/book")
class BooksResource(object):
def get(self, req, resp):
resp.text = "Books Page"
复制代码
此时self.find_handler方法返回的hanler就是个类，但我们希望调用的是类中的get、post、delete等方法，所以需要一个简单的判断逻辑，通过inspect.isclass方法判断handler如果是类对象，那么就通过getattr方法获取类对象实例的中对应的请求方法。
# 获取请求方法， request.method.lower() 可为 get、post、delete
handler = getattr(handler(), request.method.lower(), None)
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如果类对象中没有该方法属性，则抛出该请求类型不被允许的错误，如果不是类对象或类对象中存在该方法属性，则直接调用则可。
此外，如果方法的路由并没有注册到self.routes中，即404的情况，定义了defalut_response方法返回其中内容，代码如下。
class API(object):
def defalut_response(self, response):
response.status_code = 404
response.text = "Not Found"
复制代码
如果handle_request方法中调度的过程出现问题，则直接raise将错误抛出。
至此，一个最简单的web服务就编写完成了。
支持静态文件
回顾Flask，Flask可以支持HTML、CSS、JavaScript等静态文件，利用模板语言，可以构建出简单但美观的Web应用，我们让TopWebF也支持这一功能，最终实现图中的网站，完美兼容静态文件。
Flask使用了jinja2作为其html模板引擎，ToyWebF同样使用jinja2，jinja2其实实现一种简单的DSL（领域内语言），让我们可以在HTML中通过特殊的语法改变HTML的结构，该项目非常值得研究学习。
首先pip install jinja2，然后就可以使用它了，在ToyWebF项目目录中创建templates目录，以该目录作为默认的HTML文件根目录，代码如下。
from jinja2 import Environment, FileSystemLoader
class API(object):
def __init__(self, templates_dir="templates"):
# html文件夹
self.templates_env = Environment(loader=FileSystemLoader(os.path.abspath(self.templates_dir)))
def template(self, template_name, context=None):
"""返回模板内容"""
if context is None:
context = {}
return self.templates_env.get_template(template_name).render(**context)
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首先利用jinja2的FileSystemLoader类将file system中的某个文件夹作为loader，然后初始化Environment。
在使用的过程中（即调用template方法），通过get_template方法获得具体的某个模板并通过render方法将对应的内容传递给模板中的变量。
这里我们不写前端代码，直接去互联网中下载模板，这里下载了Bootstrap提供的免费模板，可以自行去https://startbootstrap.com/themes/freelancer/下载，下载完后，你会获得index.html以及对应的css、jss、img等文件，将index.html移动到ToyWebF/templates中并简单修改了一下，添加一些变量。
<!-- Masthead Heading-->
<h1 class="masthead-heading text-uppercase mb-0">{{ title }}</h1>
<!-- Masthead Subheading-->
<p class="masthead-subheading font-weight-light mb-0">你好呀-{{ name }}</p>
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然后在app.py文件中为index.html定义路由以及需要的参数。
@app.route("/index")
def index(req, resp):
template = app.template("index.html", context={"name": "二两", "title": "ToyWebF"})
# resp.body需要bytes，template方法返回的是unicode string，所以需要编码
resp.body = template.encode()
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至此html文件的支持就完成了，但此时的html无法正常载入css和js，导致页面布局非常丑陋且交互无法使用。
接着就让ToyWebF支持css、js，首先在ToyWebF目录下创建static文件夹用于存放css、js或img等静态文件，随后直接将前面下载的模板，其中的静态文件复制到static中则可。
通过whitenoise第三方库，可以通过简单的几行代码让web框架支持css和js，不需要依赖nginx等服务，首先pip install whitenoise，随后修改API类的__init__方法，代码如下。
class API(object):
def __init__(self, templates_dir="templates", static_dir="static"):
# html文件夹
self.templates_env = Environment(loader=FileSystemLoader(os.path.abspath(self.templates_dir)))
# css、JavaScript文件夹
self.whitenoise = WhiteNoise(self.wsgi_app, root=static_dir)
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其实就是通过WhiteNoise将self.wsgi_app方法包裹起来，在调用API的__call__方法时，直接调用self.whitenoise。
class API(object):
def __call__(self, environ, start_response):
return self.whitenoise(environ, start_response)
复制代码
此时，如果请求web服务获取css、js等静态资源，WhiteNoise会获取其内容并返回给client，它在背后会匹配静态资源在系统中对应的文件并将其读取返回。
至此，一开始的网页效果就实现好了。
自定义错误
web服务如果出现500时，默认会返回internal server error，这显得比较丑，为了让框架使用者可以自定义500时返回的错误，需要添加一些代码。
首先API初始化时，初始self.exception_handler对象并定义对应的方法添加自定义的错误
class API(object):
def __init__(self, templates_dir="templates", static_dir="static"):
# 自定义错误
self.exception_handler = None
def add_exception_handler(self, exception_handler):
# 添加自定义error handler
self.exception_handler = exception_handler
复制代码
在handler_request方法进行请求调度时，调度的方法执行逻辑时报500，此时不再默认将错误抛出，而是先判断是否有自定义错误处理。
class API(object):
def handle_request(self, request):
"""请求调度"""
try:
# ...省略
except Exception as e:
# 为空，才返回internal server error
if self.exception_handler is None:
raise e
else:
# 自定义错误返回形式
self.exception_handler(request, response, e)
return response
复制代码
在app.py中，自定义错误返回方法，如下。
def custom_exception_handler(request, response, exception_cls):
response.text = "Oops! Something went wrong."
# 自定义错误
app.add_exception_handler(custom_exception_handler)
复制代码
custom_exception_handler方法只返回自定义的一段话，你完全可以替换成美观的template。
我们可以实验性定义一个路由来看效果。
@app.route("/error")
def exception_throwing_handler(request, response):
raise AssertionError("This handler should not be user")
复制代码
支持中间件
Web服务的中间件也可以理解成钩子，即在请求前可以对请求做一些处理或者返回Response前对Response做一下处理。
为了支持中间件，在TopWebF目录下创建middleware.py文件，在编写代码前，思考一下如何实现？
回顾一下现在请求的调度逻辑。
1.通过routes装饰器关联路由和方法 2.通过API.whitenoise处理 3.如果是请求API接口，那么会将参数传递给API.wsgi_app 4.API.wsgi_app最终会调用API.handle_request方法获取路由对应的方法并调用该方法执行相应的逻辑
如果希望在request前以及response后做相应的操作，那么其实就需要让逻辑在API.handle_request前后执行，看一下代码。
from webob import Request
class Middleware(object):
def __init__(self, app):
self.app = app # API类实例
def add(self, middleware_cls):
# 实例化Middleware对象，包裹self.app
self.app = middleware_cls(self.app)
def process_request(self, req):
# request前要做的处理
pass
def process_response(self, req, resp):
# response后要做的处理
pass
def handle_request(self, request):
self.process_request(request)
response = self.app.handle_request(request)
self.process_response(request, response)
return response
def __call__(self, environ, start_response):
request = Request(environ)
response = self.app.handle_request(request)
return response(environ, start_response)
复制代码
其中add方法会实例化Middleware对象，该对象会将当前的API类实例包裹起来。
Middleware.handle_request方法其实就是在self.app.handle_request前调用self.process_request方法处理request前的数据以及调用self.process_response处理response后的数据，而核心的调度逻辑，依旧交由API.handle_request方法进行处理。
这里的代码可能会让人感到疑惑，__call__方法和handle_request方法中都有self.app.handle_request(request)，但其调用对象似乎不同？这个问题暂时放一下，先继续完善代码，然后再回来解释。
接着在api.py中为API创建middleware属性以及添加新中间件的方法。
class API(object):
def __init__(self, templates_dir="templates", static_dir="static"):
# 请求中间件，将api对象传入
self.middleware = Middleware(self)
def add_middleware(self, middleware_cls):
# 添加中间件
self.middleware.add(middleware_cls)
复制代码
随后，在app.py中，自定义一个简单的中间件，然后调用add_middleware方法将其添加。
class SimpleCustomMiddleware(Middleware):
def process_request(self, req):
print("处理request", req.url)
def process_response(self, req, resp):
print("处理response", req.url)
app.add_middleware(SimpleCustomMiddleware)
复制代码
定义好中间件后，在请求调度时，就需要使用中间件，为了兼容静态文件的情况，需要对css、js、ing文件的请求路径做一下兼容，在其路径中加上/static前缀
<!--修改index.html中导入静态文件的路径，只需要简单的加上/static前缀则可。-->
<!--修改css导入路径，加/static前缀，img与js的导入路径同样需要-->
<link href="/static/css/styles.css" rel="stylesheet" />
<img class="masthead-avatar mb-5" src="/static/assets/img/avataaars.svg" alt="" />
<script src="/static/js/scripts.js"></script>
复制代码
紧接着，修改API的__call__，兼容中间件和静态文件，代码如下。
class API(object):
def __call__(self, environ, start_response):
path_info = environ["PATH_INFO"]
static = "/" + self.static_dir
# 以 /static 开头 或 中间件为空
if path_info.startswith(static) or not self.middleware:
# "/static/index.css" -> 只取 /index.css， /static开头只是用于判断
environ["PATH_INFO"] = path_info[len(static):]
return self.whitenoise(environ, start_response)
return self.middleware(environ, start_response)
复制代码
至此，中间件的逻辑就完成了。
但代码中依旧有疑惑，Middleware类中的__call__方法和handle_request方法其调用的self.app到底是谁？
为了方便理解，这里一步步拆解。
如果没有添加新的中间件，那么请求的调度逻辑如下。
# 属性映射关系
API.middleware = Middleware
API.middleware.app = API
# 调度逻辑
API.__call__ -> middleware.__call__ -> self.app.handle_request -> API.handle_request()
复制代码
在没有添加中间件的情况下，self.app其实就是API本身，所以middleware.__call__中的self.app.handle_request就是调用API.handle_request。
如果添加了新的中间件，如上述代码中添加了名为SimpleCustomMiddleware的中间件，此时的请求调度逻辑如下。
# 属性映射关系
API.middleware = Middleware
API.middleware.app = API
API.middleware.add(SimpleCustomMiddleware)
API.middleware.app = SimpleCustomMiddleware
API.middleware.app.app = api 相当于 API.middleware.SimpleCustomMiddleware.app = api
# 调度逻辑
API.__call__ -> middleware.__call__ -> self.app.handle_request -> SimpleCustomMiddleware.handle_request() -> self.app.handle_request -> API.handle_request()
复制代码
因为注册中间件时，Middleware.add方法替换了原始Middleware实例中的app对象，将其替换成了SimpleCustomMiddleware，而SimpleCustomMiddleware也有app对象，SimpleCustomMiddleware中的app对象，才是API类实例。
在请求调度的过程中，就会触发Middleware类的handle_request方法，该方法就会执行中间件相应的逻辑去处理request和response中的数据。
当然，你可以通过Middleware.add方法添加多个中间件，这就会构成栈式调用的效果，代码如下。
class SimpleCustomMiddleware(Middleware):
def process_request(self, req):
print("处理request", req.url)
def process_response(self, req, resp):
print("处理response", req.url)
class SimpleCustomMiddleware2(Middleware):
def process_request(self, req):
print("处理request2", req.url)
def process_response(self, req, resp):
print("处理response2", req.url)
app.add_middleware(SimpleCustomMiddleware)
app.add_middleware(SimpleCustomMiddleware2)
复制代码
启动web服务后，其执行效果如下。
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