Python的`Web`框架架构：深入解析`Django`、`Flask`和`FastAPI`的内部架构和设计模式。 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

Python Web框架架构：Django、Flask和FastAPI的内部架构与设计模式

各位同学，大家好！今天我们来深入探讨Python Web框架的三大巨头：Django、Flask和FastAPI。我们将从内部架构和设计模式的角度出发，剖析它们各自的特性，并通过代码示例来加深理解。

一、Django：全能型框架的架构剖析

Django是一个高级的Python Web框架，它遵循“约定优于配置”的原则，提供了一整套完整的解决方案，包括ORM、模板引擎、表单处理、认证系统等等。

1.1 MTV架构模式

Django基于MTV（Model-Template-View）架构模式，这是MVC（Model-View-Controller）模式的一种变体。

Model (模型): 负责处理数据逻辑，与数据库交互，定义数据结构和关系。
Template (模板): 负责展示数据，通常使用HTML、CSS和JavaScript构建用户界面。
View (视图): 负责接收用户的请求，调用Model处理数据，并将处理结果传递给Template进行渲染。

实际上，Django的"View"更接近于MVC中的"Controller"，它负责处理业务逻辑，而Template则承担了View的角色。

1.2 请求处理流程

当用户发起一个HTTP请求时，Django的处理流程如下：

WSGI服务器: 接收请求并将请求传递给Django。
中间件 (Middleware): 在请求到达View之前和响应返回客户端之前，执行一些通用的处理逻辑。例如，认证、session管理、CSRF保护等。
URL调度器 (URL Dispatcher): 根据URL匹配对应的View函数。
View函数: 处理业务逻辑，与Model交互，并将数据传递给Template。
Template引擎: 渲染模板，生成HTML响应。
中间件 (Middleware): 执行响应处理逻辑。
WSGI服务器: 将响应返回给客户端。

1.3 核心组件

ORM (Object-Relational Mapper): Django的ORM允许开发者使用Python代码来操作数据库，而无需编写SQL语句。

# models.py
from django.db import models

class Blog(models.Model):
    name = models.CharField(max_length=100)
    tagline = models.TextField()

    def __str__(self):
        return self.name

class Author(models.Model):
    name = models.CharField(max_length=200)
    email = models.EmailField()

    def __str__(self):
        return self.name

class Entry(models.Model):
    blog = models.ForeignKey(Blog, on_delete=models.CASCADE)
    headline = models.CharField(max_length=255)
    body_text = models.TextField()
    pub_date = models.DateField()
    authors = models.ManyToManyField(Author)
    number_of_comments = models.IntegerField(default=0)
    rating = models.IntegerField(default=0)

    def __str__(self):
        return self.headline

# 使用ORM进行数据库操作
from myapp.models import Blog, Entry, Author

# 创建一个Blog对象
blog = Blog(name="My Blog", tagline="A personal blog")
blog.save()

# 创建一个Entry对象
entry = Entry(blog=blog, headline="My First Post", body_text="Hello World!", pub_date="2023-10-27")
entry.save()

# 查询所有Blog对象
blogs = Blog.objects.all()

# 查询所有headline包含 "First" 的Entry对象
entries = Entry.objects.filter(headline__contains="First")

Template引擎: Django的模板引擎使用一种简洁的语法来渲染HTML页面。

{# mytemplate.html #}
<h1>{{ blog.name }}</h1>
<p>{{ blog.tagline }}</p>

<ul>
    {% for entry in entries %}
        <li>{{ entry.headline }} - {{ entry.pub_date }}</li>
    {% endfor %}
</ul>

Form: Django的Form组件简化了表单处理，包括表单验证、数据清洗和HTML生成。

# forms.py
from django import forms

class ContactForm(forms.Form):
    subject = forms.CharField(max_length=100)
    message = forms.CharField(widget=forms.Textarea)
    sender = forms.EmailField()
    cc_myself = forms.BooleanField(required=False)

{# contact_form.html #}
<form action="/contact/" method="post">
    {% csrf_token %}
    {{ form.as_p }}
    <button type="submit">Send</button>
</form>

Admin: Django的Admin界面提供了一个自动生成的可定制的管理后台，方便开发者管理数据。

1.4 中间件 (Middleware)

中间件是Django请求/响应处理过程中的一个钩子机制，允许开发者在请求到达View之前和响应返回客户端之前，执行一些通用的处理逻辑。

# middleware.py
class MyMiddleware:
    def __init__(self, get_response):
        self.get_response = get_response

    def __call__(self, request):
        # 在请求到达View之前执行的代码
        print("Before view")
        response = self.get_response(request)
        # 在响应返回客户端之前执行的代码
        print("After view")
        return response

1.5 设计模式

Django大量使用了设计模式，例如：

Active Record (ORM): Model类同时承担了数据和行为的职责。
Front Controller (URL Dispatcher): URL Dispatcher负责接收所有请求并将其分发给对应的View函数。
Template Method (Template引擎): Template引擎定义了模板渲染的骨架，具体的渲染逻辑由各个模板实现。

二、Flask：微框架的精巧架构

Flask是一个轻量级的Python Web框架，它只提供了一些核心功能，例如路由、请求处理和模板渲染。开发者可以根据需要选择不同的扩展来添加额外的功能。

2.1 WSGI核心

Flask的核心是基于Werkzeug WSGI工具包的WSGI应用。WSGI (Web Server Gateway Interface) 是一个Python Web服务器和Web应用程序之间的标准接口。

2.2 请求上下文 (Request Context) 和应用上下文 (Application Context)

Flask使用上下文来管理请求和应用的状态。

请求上下文: 包含了当前请求的信息，例如请求路径、请求方法、请求参数等。
应用上下文: 包含了当前应用的信息，例如应用配置、数据库连接等。

通过flask.g对象，可以在请求上下文中存储一些全局变量，方便在不同的函数之间共享数据。

2.3 扩展机制

Flask的扩展机制允许开发者轻松地添加额外的功能，例如数据库集成、表单验证、认证系统等。常用的Flask扩展包括Flask-SQLAlchemy、Flask-WTF和Flask-Login。

2.4 路由 (Routing)

Flask使用装饰器来定义路由，将URL映射到对应的View函数。

from flask import Flask

app = Flask(__name__)

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

@app.route('/user/<username>')
def show_user_profile(username):
    # show the user profile for that user
    return 'User %s' % username

@app.route('/post/<int:post_id>')
def show_post(post_id):
    # show the post with the given id, the id is an integer
    return 'Post %d' % post_id

2.5 模板引擎 (Jinja2)

Flask默认使用Jinja2作为模板引擎，Jinja2提供了一种灵活而强大的语法来渲染HTML页面。

{# templates/index.html #}
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
    <title>Hello, World!</title>
</head>
<body>
    <h1>Hello, {{ name }}!</h1>
</body>
</html>

from flask import Flask, render_template

app = Flask(__name__)

@app.route('/hello/<name>')
def hello(name):
    return render_template('index.html', name=name)

2.6 设计模式

Flask的设计模式更加简洁，主要包括：

Front Controller (Routing): Flask的路由机制负责接收所有请求并将其分发给对应的View函数。
Context Object (Request Context, Application Context): 上下文对象用于存储和管理请求和应用的状态。

三、FastAPI：高性能异步框架的架构精髓

FastAPI是一个现代的、高性能的Python Web框架，它基于标准Python类型提示来声明请求体、验证数据和自动生成API文档。

3.1 异步支持 (Asynchronous Support)

FastAPI基于asyncio，支持异步编程，可以显著提高Web应用程序的性能。

from fastapi import FastAPI

app = FastAPI()

@app.get("/")
async def read_root():
    return {"Hello": "World"}

@app.get("/items/{item_id}")
async def read_item(item_id: int, q: str = None):
    return {"item_id": item_id, "q": q}

3.2 依赖注入 (Dependency Injection)

FastAPI内置了依赖注入系统，可以方便地管理依赖关系，提高代码的可测试性和可维护性。

from fastapi import FastAPI, Depends

app = FastAPI()

async def common_parameters(q: str = None, skip: int = 0, limit: int = 100):
    return {"q": q, "skip": skip, "limit": limit}

@app.get("/items/")
async def read_items(commons: dict = Depends(common_parameters)):
    return commons

@app.get("/users/")
async def read_users(commons: dict = Depends(common_parameters)):
    return commons

3.3 数据验证 (Data Validation)

FastAPI使用Pydantic进行数据验证，可以确保请求体和响应体的数据类型和格式正确。

from fastapi import FastAPI, Body
from pydantic import BaseModel

app = FastAPI()

class Item(BaseModel):
    name: str
    description: str = None
    price: float
    tax: float = None

@app.post("/items/")
async def create_item(item: Item):
    item_dict = item.dict()
    if item.tax:
        price_with_tax = item.price + item.tax
        item_dict.update({"price_with_tax": price_with_tax})
    return item_dict

3.4 自动API文档 (Automatic API Documentation)

FastAPI可以自动生成API文档，支持OpenAPI和Swagger UI。

3.5 中间件 (Middleware)

FastAPI也支持中间件，可以在请求到达路由处理函数之前和响应返回客户端之前，执行一些通用的处理逻辑。

from fastapi import FastAPI, Request

app = FastAPI()

@app.middleware("http")
async def add_process_time_header(request: Request, call_next):
    start_time = time.time()
    response = await call_next(request)
    process_time = time.time() - start_time
    response.headers["X-Process-Time"] = str(process_time)
    return response

3.6 设计模式

FastAPI的设计模式主要包括：

Front Controller (Routing): FastAPI的路由机制负责接收所有请求并将其分发给对应的路由处理函数。
Dependency Injection: 依赖注入系统用于管理依赖关系，提高代码的可测试性和可维护性。
Data Transfer Object (Pydantic): Pydantic模型用于定义请求体和响应体的数据结构，并进行数据验证。

四、框架对比

为了更清晰地了解这三个框架的特点，我们用表格进行对比：

特性	Django	Flask	FastAPI
架构	MTV	WSGI微框架	异步框架
学习曲线	陡峭	较平缓	较平缓
功能	全功能，开箱即用	灵活，可扩展	高性能，API优先
数据库	内置ORM	需要扩展（例如Flask-SQLAlchemy）	需要扩展（例如SQLAlchemy）
模板引擎	内置模板引擎	Jinja2	可选，通常用于生成HTML响应
适用场景	大型Web应用，需要快速开发和完整功能	小型Web应用，需要灵活定制	API服务，需要高性能和数据验证
异步支持	有限	需要扩展	内置
文档生成	需要第三方库	需要第三方库	自动生成

五、代码示例：一个简单的待办事项应用

为了更好地理解这三个框架的应用，我们用它们分别实现一个简单的待办事项应用。

5.1 Django

# models.py
from django.db import models

class Todo(models.Model):
    task = models.CharField(max_length=200)
    completed = models.BooleanField(default=False)

    def __str__(self):
        return self.task

# views.py
from django.shortcuts import render, redirect
from .models import Todo

def todo_list(request):
    todos = Todo.objects.all()
    return render(request, 'todo_list.html', {'todos': todos})

def todo_create(request):
    if request.method == 'POST':
        task = request.POST['task']
        Todo.objects.create(task=task)
        return redirect('todo_list')
    return render(request, 'todo_create.html')

def todo_update(request, pk):
    todo = Todo.objects.get(pk=pk)
    if request.method == 'POST':
        todo.completed = request.POST.get('completed') == 'on'
        todo.save()
        return redirect('todo_list')
    return render(request, 'todo_update.html', {'todo': todo})

def todo_delete(request, pk):
    Todo.objects.get(pk=pk).delete()
    return redirect('todo_list')

# urls.py
from django.urls import path
from . import views

urlpatterns = [
    path('', views.todo_list, name='todo_list'),
    path('create/', views.todo_create, name='todo_create'),
    path('update/<int:pk>/', views.todo_update, name='todo_update'),
    path('delete/<int:pk>/', views.todo_delete, name='todo_delete'),
]

# templates/todo_list.html
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
    <title>Todo List</title>
</head>
<body>
    <h1>Todo List</h1>
    <ul>
        {% for todo in todos %}
            <li>
                {{ todo.task }} -
                {% if todo.completed %}
                    Completed
                {% else %}
                    Pending
                {% endif %}
                <a href="{% url 'todo_update' pk=todo.pk %}">Update</a>
                <a href="{% url 'todo_delete' pk=todo.pk %}">Delete</a>
            </li>
        {% endfor %}
    </ul>
    <a href="{% url 'todo_create' %}">Add Todo</a>
</body>
</html>

# templates/todo_create.html
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
    <title>Create Todo</title>
</head>
<body>
    <h1>Create Todo</h1>
    <form method="post">
        {% csrf_token %}
        <input type="text" name="task">
        <button type="submit">Create</button>
    </form>
    <a href="{% url 'todo_list' %}">Back to List</a>
</body>
</html>

# templates/todo_update.html
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
    <title>Update Todo</title>
</head>
<body>
    <h1>Update Todo</h1>
    <form method="post">
        {% csrf_token %}
        <label>
            Completed:
            <input type="checkbox" name="completed" {% if todo.completed %}checked{% endif %}>
        </label>
        <button type="submit">Update</button>
    </form>
    <a href="{% url 'todo_list' %}">Back to List</a>
</body>
</html>

5.2 Flask

# app.py
from flask import Flask, render_template, request, redirect, url_for
from flask_sqlalchemy import SQLAlchemy

app = Flask(__name__)
app.config['SQLALCHEMY_DATABASE_URI'] = 'sqlite:///db.sqlite3'
app.config['SQLALCHEMY_TRACK_MODIFICATIONS'] = False
db = SQLAlchemy(app)

class Todo(db.Model):
    id = db.Column(db.Integer, primary_key=True)
    task = db.Column(db.String(200), nullable=False)
    completed = db.Column(db.Boolean, default=False)

    def __repr__(self):
        return self.task

@app.route('/')
def todo_list():
    todos = Todo.query.all()
    return render_template('todo_list.html', todos=todos)

@app.route('/create', methods=['POST'])
def todo_create():
    task = request.form['task']
    new_todo = Todo(task=task)
    db.session.add(new_todo)
    db.session.commit()
    return redirect(url_for('todo_list'))

@app.route('/update/<int:todo_id>')
def todo_update(todo_id):
    todo = Todo.query.get_or_404(todo_id)
    todo.completed = not todo.completed
    db.session.commit()
    return redirect(url_for('todo_list'))

@app.route('/delete/<int:todo_id>')
def todo_delete(todo_id):
    todo = Todo.query.get_or_404(todo_id)
    db.session.delete(todo)
    db.session.commit()
    return redirect(url_for('todo_list'))

# templates/todo_list.html
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
    <title>Todo List</title>
</head>
<body>
    <h1>Todo List</h1>
    <ul>
        {% for todo in todos %}
            <li>
                {{ todo.task }} -
                {% if todo.completed %}
                    Completed
                {% else %}
                    Pending
                {% endif %}
                <a href="{{ url_for('todo_update', todo_id=todo.id) }}">Update</a>
                <a href="{{ url_for('todo_delete', todo_id=todo.id) }}">Delete</a>
            </li>
        {% endfor %}
    </ul>
    <form action="{{ url_for('todo_create') }}" method="post">
        <input type="text" name="task">
        <button type="submit">Add Todo</button>
    </form>
</body>
</html>

5.3 FastAPI

# main.py
from fastapi import FastAPI, HTTPException
from pydantic import BaseModel
from typing import List
from databases import Database
import sqlalchemy

DATABASE_URL = "sqlite:///./test.db"

metadata = sqlalchemy.MetaData()

todos = sqlalchemy.Table(
    "todos",
    metadata,
    sqlalchemy.Column("id", sqlalchemy.Integer, primary_key=True),
    sqlalchemy.Column("task", sqlalchemy.String(200)),
    sqlalchemy.Column("completed", sqlalchemy.Boolean, default=False),
)

engine = sqlalchemy.create_engine(
    DATABASE_URL, connect_args={"check_same_thread": False}
)
metadata.create_all(engine)

database = Database(DATABASE_URL)

class Todo(BaseModel):
    id: int = None
    task: str
    completed: bool = False

app = FastAPI()

@app.on_event("startup")
async def startup():
    await database.connect()

@app.on_event("shutdown")
async def shutdown():
    await database.disconnect()

@app.get("/todos/", response_model=List[Todo])
async def read_todos():
    query = todos.select()
    return await database.fetch_all(query)

@app.post("/todos/", response_model=Todo)
async def create_todo(todo: Todo):
    query = todos.insert().values(task=todo.task, completed=todo.completed)
    last_record_id = await database.execute(query)
    return {**todo.dict(), "id": last_record_id}

@app.put("/todos/{todo_id}", response_model=Todo)
async def update_todo(todo_id: int, todo: Todo):
    query = todos.update().where(todos.c.id == todo_id).values(task=todo.task, completed=todo.completed)
    await database.execute(query)
    return {**todo.dict(), "id": todo_id}

@app.delete("/todos/{todo_id}")
async def delete_todo(todo_id: int):
    query = todos.delete().where(todos.c.id == todo_id)
    await database.execute(query)
    return {"message": "Todo deleted"}

六、总结

Django是一个全功能框架，适合大型Web应用；Flask是一个微框架，适合小型Web应用和API开发；FastAPI是一个高性能异步框架，适合API服务。选择哪个框架取决于具体的项目需求和开发团队的经验。

框架选择的依据

每个框架都有其独特的优势和适用场景。选择框架时，需要综合考虑项目规模、性能要求、团队经验和开发周期等因素。没有绝对最好的框架，只有最适合特定项目的框架。

持续学习才能进步

Web开发领域的技术发展日新月异。持续学习和实践是提升自身技能的关键。掌握多种框架的原理和应用，可以更好地应对各种开发挑战，并做出更明智的技术决策。

Python Web框架架构：Django、Flask和FastAPI的内部架构与设计模式

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