Python Web Flask源码解读(一)——启动流程

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0x00 什么是WSGI

Web Server Gateway Interface
它由Python标准定义的一套Web Server与Web Application的接口交互规范。

WSGI不是一个应用、框架、模块或者库，而是规范。

那什么是Web Server（Web服务器）和什么是Web Application（Web 应用）呢？
举例子来说明容易理解，例如常见的Web应用框架有Django、Flask等，而Web服务器有uWSGI、Gunicorn等。WSGI就是定义了这两端接口交互的规范。

0x01 什么是Werkzeug

Werkzeug is a comprehensive WSGI web application library.

Werkzeug是一套实现WSGI规范的函数库。我们可以使用它来创建一个Web Application（Web应用）。例如本文介绍的Flask应用框架就是基于Werkzeug来开发的。

这里我们使用Werkzeug启动一个简单的服务器应用

from werkzeug.wrappers import Request, Response

@Request.application
def application(request):
    return Response('Hello, World!')

if __name__ == '__main__':
    from werkzeug.serving import run_simple

    run_simple('localhost', 4000, application)

运行之后可以在控制台上将看到如下信息

 * Running on http://localhost:4000/ (Press CTRL+C to quit)

使用浏览器打开 http://localhost:4000/ 看到以下信息，说明

Hello, World!

0x02 什么是Flask

Flask is a lightweight WSGI web application framework.

Flask是一个轻量级的web应用框架，它是跑在web服务器中的一个应用。Flask底层就是封装的Werkzeug。

使用Flask开发一个web应用非常简单

from flask import Flask

app = Flask(__name__)

@app.route('/')
def hello():
    return f'Hello, World!'

if __name__ == '__main__':
    app.run()

很简单吧。

接下来我们看看Flask应用的启动流程。

0x03 启动流程

从项目地址 https://github.com/pallets/flask 中把源码clone下来，然后切换到0.1版本的tag。为何要使用0.1版本呢？因为这个是作者最开始写的版本，代码量应该是最少的，而且可以很容易看到作者整体编码思路。

下面就从最简单的Demo开始看看Flask是如何启动的。我们知道程序启动是执行了以下方法

if __name__ == '__main__':
    app.run()

而

app = Flask(__name__)

打开Flask源码中的__init__方法

Flask.init()

        def __init__(self, package_name):
        #: 是否打开debug模式
        self.debug = False

        #: 包名或模块名
        self.package_name = package_name

        #: 获取app所在目录
        self.root_path = _get_package_path(self.package_name)

        #: 存储视图函数的字典，键为函数名称，值为函数对象，使用@route装饰器进行注册
        self.view_functions = {}

        #: 存储错误处理的字典.  键为error code, 值为处理错误的函数，使用errorhandler装饰器进行注册
        self.error_handlers = {}

        #: 处理请求前执行的函数列表，使用before_request装饰器进行注册
        self.before_request_funcs = []

        #: 处理请求前执行的函数列表，使用after_request装饰器进行注册
        self.after_request_funcs = []

        #: 模版上下文
        self.template_context_processors = [_default_template_ctx_processor]
        #: url 映射
        self.url_map = Map()
        
        #: 静态文件
        if self.static_path is not None:
            self.url_map.add(Rule(self.static_path + '/<filename>',
                                  build_only=True, endpoint='static'))
            if pkg_resources is not None:
                target = (self.package_name, 'static')
            else:
                target = os.path.join(self.root_path, 'static')
            self.wsgi_app = SharedDataMiddleware(self.wsgi_app, {
                self.static_path: target
            })

        #: 初始化 Jinja2 模版环境. 
        self.jinja_env = Environment(loader=self.create_jinja_loader(),
                                     **self.jinja_options)
        self.jinja_env.globals.update(
            url_for=url_for,
            get_flashed_messages=get_flashed_messages
        )

在Flask的构造函数中进行了各种初始化操作。

然后就是执行app.run()方法

app.run()

def run(self, host='localhost', port=5000, **options):
    """启动本地开发服务器.  如果debug设置为True，那么会自动检查代码是否改动，有改动则会自动执行部署
    :param host: 监听的IP地址. 如果设置为 ``'0.0.0.0'``就可以进行外部访问
    :param port: 端口，默认5000
    :param options: 这个参数主要是对应run_simple中需要的参数
    """
    from werkzeug.serving import run_simple
    if 'debug' in options:
        self.debug = options.pop('debug')
    options.setdefault('use_reloader', self.debug)
    options.setdefault('use_debugger', self.debug)
    return run_simple(host, port, self, **options)

run很简洁，主要是调用了werkzeug.serving中的run_simple方法。

再打开run_simple的源码

rum_simple()

def run_simple(hostname, port, application, use_reloader=False,
               use_debugger=False, use_evalex=True,
               extra_files=None, reloader_interval=1, threaded=False,
               processes=1, request_handler=None, static_files=None,
               passthrough_errors=False, ssl_context=None):
    # 这方法还是比较短的，但是注释写得很详细，由于篇幅问题，就把源码中的注释省略了
    if use_debugger:
        from werkzeug.debug import DebuggedApplication
        application = DebuggedApplication(application, use_evalex)
    if static_files:
        from werkzeug.wsgi import SharedDataMiddleware
        application = SharedDataMiddleware(application, static_files)

    def inner():
        make_server(hostname, port, application, threaded,
                    processes, request_handler,
                    passthrough_errors, ssl_context).serve_forever()

    if os.environ.get('WERKZEUG_RUN_MAIN') != 'true':
        display_hostname = hostname != '*' and hostname or 'localhost'
        if ':' in display_hostname:
            display_hostname = '[%s]' % display_hostname
        _log('info', ' * Running on %s://%s:%d/', ssl_context is None
             and 'http' or 'https', display_hostname, port)
    if use_reloader:
        # Create and destroy a socket so that any exceptions are raised before
        # we spawn a separate Python interpreter and lose this ability.
        test_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
        test_socket.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)
        test_socket.bind((hostname, port))
        test_socket.close()
        run_with_reloader(inner, extra_files, reloader_interval)
    else:
        inner()

在rum_simple方法中还定义一个嵌套方法inner()，这个是方法的核心部分。

inner()

def inner():
    make_server(hostname, port, application, threaded, processes, request_handler, passthrough_errors, ssl_context).serve_forever()

在inner()方法里面，调用make_server(...).serve_forever()启动了服务。

make_server()

def make_server(host, port, app=None, threaded=False, processes=1,
                request_handler=None, passthrough_errors=False,
                ssl_context=None):
    """Create a new server instance that is either threaded, or forks
    or just processes one request after another.
    """
    if threaded and processes > 1:
        raise ValueError("cannot have a multithreaded and "
                         "multi process server.")
    elif threaded:
        return ThreadedWSGIServer(host, port, app, request_handler,
                                  passthrough_errors, ssl_context)
    elif processes > 1:
        return ForkingWSGIServer(host, port, app, processes, request_handler,
                                 passthrough_errors, ssl_context)
    else:
        return BaseWSGIServer(host, port, app, request_handler,
                              passthrough_errors, ssl_context)

在make_server()中会根据线程或者进程的数量创建对应的WSGI服务器。Flask在默认情况下是创建BaseWSGIServer服务器。

BaseWSGIServer、ThreadedWSGIServer、ForkingWSGIServer

class BaseWSGIServer(HTTPServer, object):
    ...

class ThreadedWSGIServer(ThreadingMixIn, BaseWSGIServer):
    """A WSGI server that does threading."""
    ...

class ForkingWSGIServer(ForkingMixIn, BaseWSGIServer):
    """A WSGI server that does forking."""
    ...

可以看出他们之前的继承关系如下

打开BaseWSGIServer的start_server()方法

start_server()

def serve_forever(self):
    try:
        HTTPServer.serve_forever(self)
    except KeyboardInterrupt:
        pass

可以看到最终是使用HTTPServer中的启动服务的方法。而HTTPServer是Python标准类库中的接口。

HTTPServer是socketserver.TCPServer的子类

socketserver.TCPServer

如果要使用Python中类库启动一个http server，则类似代码应该是这样的

import http.server
import socketserver

PORT = 8000

Handler = http.server.SimpleHTTPRequestHandler

with socketserver.TCPServer(("", PORT), Handler) as httpd:
    print("serving at port", PORT)
    httpd.serve_forever()

至此，整个服务的启动就到这里就启动起来了。

这个过程的调用流程为

graph TD

A[Flask]-->B[app.run]
B[app.run]-->C[werkzeug.run_simple]
C[werkzeug.run_simple]-->D[BaseWSGIServer]
D[BaseWSGIServer]-->E[HTTPServer.serve_forever]
E[HTTPServer.serve_forever]-->F[TCPServer.serve_forever]

0x04 总结一下

WSGI是WEB服务器与WEB应用之间交互的接口规范。werkzeug是实现了这一个规范的函数库，而Flask框架是基于werkzeug来实现的。
我们从Flask.run()方法启动服务开始，追踪了整个服务启动的流程。

0x05 学习资料

• https://werkzeug.palletsprojects.com/en/0.15.x/
• https://palletsprojects.com/p/flask/
• https://docs.python.org/3/library/http.server.html#module-http.server