CGI FastCGI WSGI 解析

我们将服务端程序分为了web服务器和应用程序服务器。

web服务器是用于处理HTML文件，让客户可以通过浏览器进行访问。主流的有apache,IIS,nginx,lghttpd等。

应用服务器处理业务逻辑，比如使用python的django,flask写成的程序

通常来自客户端浏览器的请求被web服务器截获，如果是静态请求，则如nginx会自己做处理，如果是动态请求，则会抛给后端应用服务器来处理。于是如何在web服务器与应用服务器之间进行通信成了主要问题，这就引出了以下三种处理的接口：CGI，FastCGI，WSGI。

1.CGI

通用网关接口（Common Gateway Interface/CGI）描述了客户端和服务器程序之间传输数据的一种标准，可以让一个客户端，从网页浏览器向执行在网络服务器上的程序请求数据。CGI 独立于任何语言的，CGI 程序可以用任何脚本语言或者是完全独立编程语言实现，只要这个语言可以在这个系统上运行。Unix shell script, Python, Ruby, PHP, perl, Tcl, C/C++, 和 Visual Basic 都可以用来编写 CGI 程序。(http://www.dwz.cn/yFFgQ)

最初，CGI 是在 1993 年由美国国家超级电脑应用中心（NCSA）为 NCSA HTTPd Web 服务器开发的。这个 Web 服务器使用了 UNIX shell 环境变量 来保存从 Web 服务器传递出去的参数，然后生成一个运行 CGI 的独立的进程。cgi的处理流程如下图所示：

l   step1. web 服务器收到客户端（浏览器）的请求Http Request，启动CGI程序，并通过环境变量、标准输入传递数据

l   step2. cgi进程启动解析器、加载配置（如业务相关配置）、连接其它服务器（如数据库服务器）、逻辑处理等

l   step3. cgi程将处理结果通过标准输出、标准错误，传递给web 服务器

l   step4. web 服务器收到cgi返回的结果，构建Http Response返回给客户端，并杀死cgi进程

web服务器与cgi通过环境变量、标准输入、标准输出、标准错误互相传递数据。

 

总结：CGI使外部程序与Web服务器之间交互成为可能。CGI程式运行在独立的进程中，并对每个Web请求建立一个进程，这种方法非常容易实现，但效率很差，难以扩展。面对大量请求，进程的大量建立和消亡使操作系统性能大大下降。此外，由于地址空间无法共享，也限制了资源重用。

2.FastCGI

 快速通用网关接口（Fast Common Gateway Interface／FastCGI）是通用网关接口（CGI）的改进，描述了客户端和服务器程序之间传输数据的一种标准。FastCGI致力于减少Web服务器与CGI程式之间互动的开销，从而使服务器可以同时处理更多的Web请求。与为每个请求创建一个新的进程不同，FastCGI使用持续的进程来处理一连串的请求。这些进程由FastCGI进程管理器管理，而不是web服务器。(http://www.dwz.cn/yFMap)

当进来一个请求时，Web 服务器把环境变量和这个页面请求通过一个unix domain socket(都位于同一物理服务器）或者一个IP Socket（FastCGI部署在其它物理服务器）传递给FastCGI进程。

l  step1. Web 服务器启动时载入初始化FastCGI执行环境 。 例如IIS ISAPI、apache mod_fastcgi、nginx ngx_http_fastcgi_module、lighttpd mod_fastcgi

l  step2. FastCGI进程管理器自身初始化，启动多个CGI解释器进程并等待来自Web 服务器的连接。启动FastCGI进程时，可以配置以ip和UNIX 域socket两种方式启动。 

l  step3. 当客户端请求到达Web 服务器时， Web 服务器将请求采用socket方式转发到 FastCGI主进程，FastCGI主进程选择并连接到一个CGI解释器。Web 服务器将CGI环境变量和标准输入发送到FastCGI子进程。

l  step4. FastCGI子进程完成处理后将标准输出和错误信息从同一socket连接返回Web 服务器。当FastCGI子进程关闭连接时，请求便处理完成。

l  step5. FastCGI子进程接着等待并处理来自Web 服务器的下一个连接。

由于 FastCGI 程序并不需要不断的产生新进程，可以大大降低服务器的压力并且产生较高的应用效率。它的速度效率最少要比CGI 技术提高 5 倍以上。它还支持分布式的部署， 即 FastCGI 程序可以在web 服务器以外的主机上执行。

总结：CGI 就是所谓的短生存期应用程序，FastCGI 就是所谓的长生存期应用程序。FastCGI像是一个常驻(long-live)型的CGI，它可以一直执行着，不会每次都要花费时间去fork一次(这是CGI最为人诟病的fork-and-execute 模式)。

3.WSGI

Web服务器网关接口（Python Web Server Gateway Interface，缩写为WSGI）是为Python语言定义的Web服务器和Web应用程序或框架之间的一种简单而通用的接口。自从WSGI被开发出来以后，许多其它语言中也出现了类似接口。WSGI是作为Web服务器与Web应用程序或应用框架之间的一种低级别的接口，以提升可移植Web应用开发的共同点。WSGI是基于现存的CGI标准而设计的。

WSGI区分为两个部份：一为“服务器”或“网关”，另一为“应用程序”或“应用框架”。在处理一个WSGI请求时，服务器会为应用程序提供环境资讯及一个回呼函数（Callback Function）。当应用程序完成处理请求后，透过前述的回呼函数，将结果回传给服务器。所谓的 WSGI 中间件同时实现了API的两方，因此可以在WSGI服务和WSGI应用之间起调解作用：从WSGI服务器的角度来说，中间件扮演应用程序，而从应用程序的角度来说，中间件扮演服务器。“中间件”组件可以执行以下功能：

1. 重写环境变量后，根据目标URL，将请求消息路由到不同的应用对象。
2. 允许在一个进程中同时运行多个应用程序或应用框架。
3. 负载均衡和远程处理，通过在网络上转发请求和响应消息。
4. 进行内容后处理，例如应用XSLT样式表。

以前，如何选择合适的Web应用程序框架成为困扰Python初学者的一个问题，这是因为，一般而言，Web应用框架的选择将限制可用的Web服务器的选择，反之亦然。那时的Python应用程序通常是为CGI，FastCGI，mod_python中的一个而设计，甚至是为特定Web服务器的自定义的API接口而设计的。WSGI没有官方的实现, 因为WSGI更像一个协议。只要遵照这些协议,WSGI应用(Application)都可以在任何服务器(Server)上运行, 反之亦然。WSGI就是Python的CGI包装，相对于Fastcgi是PHP的CGI包装。

WSGI将 web 组件分为三类： web服务器，web中间件,web应用程序， wsgi基本处理模式为 ： WSGI Server -> (WSGI Middleware)* -> WSGI Application 。

1、WSGI Server/gateway

wsgi server可以理解为一个符合wsgi规范的web server，接收request请求，封装一系列环境变量，按照wsgi规范调用注册的wsgi app，最后将response返回给客户端。文字很难解释清楚wsgi server到底是什么东西，以及做些什么事情，最直观的方式还是看wsgi server的实现代码。以python自带的wsgiref为例，wsgiref是按照wsgi规范实现的一个简单wsgi server。它的代码也不复杂。

1. 服务器创建socket，监听端口，等待客户端连接。
2. 当有请求来时，服务器解析客户端信息放到环境变量environ中，并调用绑定的handler来处理请求。
3. handler解析这个http请求，将请求信息例如method，path等放到environ中。
4. wsgi handler再将一些服务器端信息也放到environ中，最后服务器信息，客户端信息，本次请求信息全部都保存到了环境变量environ中。
5. wsgi handler 调用注册的wsgi app，并将environ和回调函数传给wsgi app
6. wsgi app 将reponse header/status/body 回传给wsgi handler
7. 最终handler还是通过socket将response信息塞回给客户端。

2、WSGI Application

wsgi application就是一个普通的callable对象，当有请求到来时，wsgi server会调用这个wsgi app。这个对象接收两个参数，通常为environ,start_response。environ就像前面介绍的，可以理解为环境变量，跟一次请求相关的所有信息都保存在了这个环境变量中，包括服务器信息，客户端信息，请求信息。start_response是一个callback函数，wsgi application通过调用start_response，将response headers/status 返回给wsgi server。此外这个wsgi app会return 一个iterator对象 ，这个iterator就是response body。这么空讲感觉很虚，对着下面这个简单的例子看就明白很多了。

3、WSGI MiddleWare

有些功能可能介于服务器程序和应用程序之间，例如，服务器拿到了客户端请求的URL, 不同的URL需要交由不同的函数处理，这个功能叫做 URL Routing，这个功能就可以放在二者中间实现，这个中间层就是 middleware。middleware对服务器程序和应用是透明的，也就是说，服务器程序以为它就是应用程序，而应用程序以为它就是服务器。这就告诉我们，middleware需要把自己伪装成一个服务器，接受应用程序，调用它，同时middleware还需要把自己伪装成一个应用程序，传给服务器程序。

其实无论是服务器程序，middleware 还是应用程序，都在服务端，为客户端提供服务，之所以把他们抽象成不同层，就是为了控制复杂度，使得每一次都不太复杂，各司其职。

有了以上三种接口之后，用户可以依据不同的接口来完成自己的应用程序的编写，写完后的程序如何与web服务器进行对接，针对不同的语言，不同的接口，有着不一样的工具。当然使用这些工具也可以直接启动服务，暴露给外部。

PHP-CGI

PHP-CGI是PHP自带的FastCGI管理器。PHP-CGI的不足：

1. php-cgi变更php.ini配置后需重启php-cgi才能让新的php-ini生效，不可以平滑重启
2. 直接杀死php-cgi进程php就不能运行了。(PHP-FPM和Spawn-FCGI就没有这个问题,守护进程会平滑从新生成新的子进程。）

Spawn-FCGI

Spawn-FCGI是一个通用的FastCGI管理服务器，它是lighttpd中的一部份，很多人都用Lighttpd的Spawn-FCGI进行FastCGI模式下的管理工作，不过有不少缺点。而PHP-FPM的出现多少缓解了一些问题，但PHP-FPM有个缺点就是要重新编译，这对于一些已经运行的环境可能有不小的风险)，在php 5.3.3中可以直接使用PHP-FPM了。Spawn-FCGI的代码很少，全部才630行，用c语言编写，最近一次提交是5年前。代码主页：https://github.com/lighttpd/spawn-fcgi

Spawn-FCGI代码分析如下：

1. spawn-fcgi 首先create socket,bind,listen 3步创建服务器socket,(把这个socket叫做 fcgi_fd)
2. 用dup2，把fcgi_fd 交换给 FCGI_LISTENSOCK_FILENO （FCGI_LISTENSOCK_FILENO数值上等于0，这是fastcgi协议当中指定用来listen的socket id）
3. 执行execl ,replaces the current process image with a new process image. process image 进程在运行空间的代码段

很显然，Spawn-FCGI也是 pre-fork 模型，只是用了上古C语言编写，充满了N多 unix下暗黑编程技巧。

Spawn-FCGI功能很单一：

1. 只管fork进程，子进程挂了，主进程仅仅log记录一次，根本不会重新fork。在2009年一段时间内，我曾经用spawn-fcgi部署php-cgi，当跑一段时间就会全挂掉，只能用crontab定时重启spawn-fcgi
2. 不负责子进程中的网络IO，把socket放到指定位置就完了，接下来的事情由被spawn的程序处理

Spawn-FCGI是一个很早期的程序，瞻仰一下即可。另外有：1996年的一段代码:http://www.fastcgi.com/om_archive/kit/cgi-fcgi/cgi-fcgi.c，和spawn-fcgi一个风格

PHP-FPM

PHP-FPM是一个PHP FastCGI管理器，是只用于PHP的,可以在 http://php-fpm.org/download下载得到。PHP-FPM其实是PHP源代码的一个补丁，旨在将FastCGI进程管理整合进PHP包中。必须将它patch到你的PHP源代码中，在编译安装PHP后才可以使用。FPM（FastCGI 进程管理器）用于替换 PHP-CGI 的大部分附加功能，对于高负载网站是非常有用的。它的功能包括：

1. 支持平滑停止/启动的高级进程管理功能；
2. 可以工作于不同的 uid/gid/chroot 环境下，并监听不同的端口和使用不同的 php.ini 配置文件（可取代 safe_mode 的设置）；
3. stdout 和 stderr 日志记录;
4. 在发生意外情况的时候能够重新启动并缓存被破坏的 opcode;
5. 文件上传优化支持;
6. “慢日志” – 记录脚本（不仅记录文件名，还记录 PHP backtrace 信息，可以使用 ptrace或者类似工具读取和分析远程进程的运行数据）运行所导致的异常缓慢;
7. fastcgi_finish_request() – 特殊功能：用于在请求完成和刷新数据后，继续在后台执行耗时的工作（录入视频转换、统计处理等）；
8. 动态／静态子进程产生；
9. 基本 SAPI 运行状态信息（类似Apache的 mod_status）；
10. 基于 php.ini 的配置文件。

 

uWSGI

uWSGI 项目旨在为部署分布式集群的网络应用开发一套完整的解决方案。uWSGI主要面向web及其标准服务，已经成功的应用于多种不同的语言。由于uWSGI的可扩展架构，它能够被无限制的扩展用来支持更多的平台和语言。目前，你可以使用C，C++和Objective-C来编写插件。项目名称中的“WSGI”是为了向同名的Python Web标准表示感谢，因为WSGI为该项目开发了第一个插件。uWSGI是一个Web服务器，它实现了WSGI协议、uwsgi、http等协议。uWSGI，既不用wsgi协议也不用FastCGI协议，而是自创了一个uwsgi的协议，uwsgi协议是一个uWSGI服务器自有的协议，它用于定义传输信息的类型（type of information），每一个uwsgi packet前4byte为传输信息类型描述，它与WSGI相比是两样东西。据说该协议大约是fcgi协议的10倍那么快。

1. uWSGI的主要特点如下：
2. 超快的性能。
3. 低内存占用（实测为apache2的mod_wsgi的一半左右）。
4. 多app管理。
5. 详尽的日志功能（可以用来分析app性能和瓶颈）。
6. 高度可定制（内存大小限制，服务一定次数后重启等）。

其他拓展知识：Java Servlet、Sinatra、Rack

What is WSGI ?

WSGI is the Web Server Gateway Interface. It is a specification for web servers and application servers to communicate with web applications (though it can also be used for more than that)

WSGI是一种Web服务器网关接口。它是一个Web服务器（如nginx）与应用服务器（如uWSGI服务器）通信的一种规范。

关于WSGI协议看这里：WSGI

what is uWSGI ?

uWSGI是一个Web服务器，它实现了WSGI协议、uwsgi、http等协议。

Nginx中HttpUwsgiModule的作用是与uWSGI服务器进行交换。

WSGI vs uwsgi（小写） vs uWSGI ?

uwsgi同WSGI一样是一种通信协议，而uWSGI是实现了uwsgi和WSGI两种协议的Web服务器。

uwsgi协议是一个uWSGI服务器自有的协议，它用于定义传输信息的类型（type of information），每一个uwsgi packet前4byte为传输信息类型描述，它与WSGI相比是两样东西。 

关于uwsgi协议看这里：The uwsgi protocol

有了uWSGI为什么还需要nginx？

nginx具备优秀的静态内容处理能力，然后将动态内容转发给uWSGI服务器，这样可以达到很好的客户端响应。

注：通常python的web部署有两种

 fcgi：用spawn-fcgi或者框架自带的工具对各个project分别生成监听进程，然后和http服务互动。

wsgi：利用http服务的mod_wsgi模块来跑各个project。

现在项目中用的部署是 nginx + uwsgi + django，说白了就是 是用uWSGI（前面的应该是大写） 利用wsgi来启动django。