第1章 Python和Web开发框架
Django是一个开放源代码的Web开发框架，完全用Python开发。它对常用的Web开发模式进行了高度封装，为常见的编程任务提供了捷径；通过减少重复的代码，使程序员能够专注于Web 应用上的关键性的业务开发。因此使用 Django 能在较短的时间内构建并维护质量上乘的Web应用。Django必须运行在Python环境中，可见二者密不可分。
1.1 Python简介
Python由吉多·范罗苏姆（Guido van Rossum）创造，Python被设计成一种跨平台的计算机程序设计语言，是一种面向对象的动态类型语言。自20世纪90年代初Python诞生至今，它已广泛应用于系统管理的任务处理和Web编程。
Python的设计理念是“优雅”“明确”“简单”，它是一种功能强大的编程语言，主要有以下特点。
●Python具有解释型、交互式、面向对象这3个特征。
●Python有极其简单、明确的语法，关键字较少，结构简单。
●Python可跨平台，在Linux、Windows和macOS等操作系统中都能很好地运行。
●Python提供所有主流的商业数据库的接口。
●Python提供了一个很好的结构，支持大型程序开发。
●Python是自由/开放源码的软件之一。
1.2 Web开发框架基本知识
Web开发框架是用于Web开发的成套软件架构。Web开发框架会为Web应用提供成套的功能支持，即一套开发和部署网站的方案。使用Web开发框架，程序员可以只关注业务逻辑代码的编写，其他功能使用框架已有的功能即可，这减少了程序员的代码编写量。
Web服务本质上是由socket（socket是一种通信机制，通过绑定IP地址和端口产生一个通信链，实现计算机间的通信）服务端向socket客户端提供HTTP响应，而浏览器就是一个socket客户端，它向Web发出请求。Django本身是一个Web开发框架，它连接socket两端（服务端、客户端）进行数据交换，当然这种交换按照指定的协议进行，也就是HTTP（Hyper Text Transfer Protocol，超文本传输协议）。
1.2.1 Web应用本质
网络中不同的计算机间进行通信必须经过IP地址和端口。为了降低网络通信开发的复杂度，人们在TCP/IP 4层结构中的应用层与传输层之间加了一层，这个层就是socket层。它把复杂的TCP/IP进行了封装，并提供了一组服务的接口。
网络中服务器主机会提供一种或多种服务，每一种服务打开一个socket，并绑定到一个端口上，也就是说不同的端口对应于不同的服务（如Web服务一般用到80端口），客户端向那个端口发送请求，就会得到相应的服务。
当用户在浏览器地址栏中输入网址（URL，即Uniform Resource Locator，统一资源定位符）并按下Enter键，这个动作称为发送Web请求，在网络上会有一台与网址相对应的服务器按用户请求做出响应，把请求资源发送给用户。这台接收Web请求并做出响应的服务器称为Web服务器，它把用户请求的资源以HTML（Hyper Text Markup Language，超文本标记语言）文件的形式传递到用户的浏览器中，用户就看到网页了。
如上所述，Web应用主要做的事情就是发送HTML文件到浏览器，其核心功能则通过socket服务完成。因此，Web服务器本质上是一个socket服务端，而浏览器本质上是一个socket客户端。
以下用代码来简单说明Web开发框架的运行方式。
# 导入socket模块
import socket
# 建立socket服务
sk=socket.socket()
# 绑定IP与端口号，这是绑定本机端口
sk.bind(('127.0.0.1',8000))
# 进行监听
sk.listen()
print('socket服务开始运行……')
while True:
# 接收socket客户端连接
conn,addr=sk.accept()
# 接收socket客户端数据
data=conn.recv(1024)
# print(data)
# 向客户端发送消息，字符串前加字母b表示以字节形式传递
conn.send(b"HTTP/1.1 200 OK\r\n\r\n")
# 向客户端发送消息，bytes()函数把字符串转换成字节形式
conn.send(bytes("我是socket服务端，我已接到你的请求。",encoding='utf-8'))
以上代码主要实现如下过程。
（1）建立socket服务，绑定IP与端口号，并启动监听进程，这样就把本地计算机设置成socket服务端。
（2）服务启动后，通过循环语句，持续接收浏览器（socket客户端）发送的信息。
（3）socket服务端与浏览器以字节形式在网络上传递消息，在发送字符串前必须将其转化成字节形式。
（4）socket 服务端与浏览器的消息传递必须依照HTTP 格式，conn.send(b"HTTP/1.1 200 OK\r\n\r\n")这句代码把字符串按照HTTP格式向浏览器传递，主要格式为HTTP/1.1 200 OK，字符串后面跟两对回车符和换行符“\r\n\r\n”，这样其后的字符串就能显示在浏览器中。
在命令行终端输入python test1.py运行代码启动socket服务，如图1.1所示。
图1.1 启动socket服务
这时在浏览器中输入http://127.0.0.1:8000/，socket服务端收到请求后，返回相关信息。由于是按照HTTP格式返回信息，所以信息能显示在浏览器上，如图1.2所示。
图1.2 浏览器显示socket服务端发回的信息
1.2.2 Web开发框架核心功能
1.2.1 节中的代码没有实现根据浏览器地址栏中的URL不同而做出不同响应，本节我们对代码进行改进与完善，实现Web开发框架核心功能，完善后的代码如下。
import socket
def index(url):
# 读取文件，并对占位符进行替换
# with用法：在退出with代码块后自动关闭with打开的文件
with open('index.html', 'r',encoding='utf-8') as f:
rd = f.read()
rd = rd.replace("$@index$@", "首页")
# 替换后的文本以字节形式返回
return bytes(rd,encoding='utf-8')
def test(url):
with open('test.html', 'r',encoding='utf-8') as f:
rd = f.read()
rd = rd.replace("$@test$@", "测试")
return bytes(rd,encoding='utf-8')
def fun404(url):
ret = "<h1>not found!</h1>"
return bytes(ret, encoding='utf-8')
# 定义变量url_func，建立了URL与函数名的对应关系
url_func=[
("/index/",index),
("/test/",test),
]
# 建立socket服务
sk=socket.socket()
# 绑定IP与端口号，这里是绑定本机端口
sk.bind(('127.0.0.1',8000))
# 进行监听
sk.listen()
print('socket服务开始运行……')
while True:
# 接收socket客户端连接
conn, addr = sk.accept()
"""
下面语句中data变量接收socket客户端（浏览器）数据，这个数据有固定格式
数据是HTTP请求数据格式，第一行格式为GET /index/ HTTP/1.1\r\n
该行以\r\n结尾，各字符串以空格分隔
"""
data = conn.recv(1024)
# 输出socket服务端接收的浏览器发来的消息格式
print(data)
if not data:
# 如果客户端没有发送新的数据，就重新开始，不再向下执行
# 防止后面语句对空字符进行操作而抛出异常
continue
# 把收到的数据由字节形式转换成字符串，一般用到的编码格式为utf-8
data_str = str(data, encoding='utf-8')
# 以\r\n分隔每一行
line = data_str.split("\r\n")
# print(line[0])
# 取出第一行字符串(line[0])，然后用空格再次分隔字符串
# 提示：在Django中的索引从0开始
v1 = line[0].split()
# 取出路径，路径字符串在第2个位置上（以空格分隔）
url = v1[1]
"""
向客户端发消息，字符串前加字母b表示以字节形式传递
在HTTP/1.1 200 OK\r\n\r\n之后的内容以HTTP格式显示在浏览器中
"""
conn.send(b"HTTP/1.1 200 OK\r\n\r\n")
func=None
"""
用for循环取出url_func中的每一项，它是由URL和函数名组成的元组向客户端发消息
"""
for i in url_func:
if i[0] == url:
# 取出对应函数名
func = i[1]
break
if func:
func = func
else:
func = fun404
# 函数名加上括号，表示执行函数
rep = func(url)
# 把函数返回的值向客户端发送
conn.send(rep)
conn.close()
上述代码的相关说明如下。
（1）以上代码定义了两个函数——index()和test()，还定义了一个列表类型的变量，列表中每项都是元组，其列出URL与函数名的对应关系。程序流程主要是：根据传入的参数（URL），读取相应的HTML文件，并根据占位符（本例中用两个$@包含一个变量名表示一个占位符，形如$@index$@）进行替换实现网页动态显示。
（2）index()函数和test()函数读取相应的HTML文件并进行占位符替换，同时以字节形式返回替换后的文本，进行替换的HTML文件index.html所含代码如下，请注意占位符$@index$@的位置。
<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
<meta charset="UTF-8">
<title>index页面</title>
</head>
<body>
<h1>$@index$@</h1>
</body>
</html>
test.html的代码与index.html的代码相似，此处不再列举。
（3）代码还增加了一个fun404()函数来处理无对应关系的路径。
（4）在while True代码块中增加了对浏览器（socket客户端）传来的消息的处理，解析出浏览器地址栏中URL的路径，要正确解析路径必须了解浏览器传给socket服务端的消息格式。这里以在浏览器地址栏中输入http://127.0.0.1:8000/index/为例，通过print语句可以看到socket服务端收到的消息格式如下。
GET /index/ HTTP/1.1\r\n
Host: 127.0.0.1:8000\r\n
Connection: keep-alive\r\n
User-Agent: Mozilla/5.0 (Windows NT 6.1; WOW64) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko)
Chrome/63.0.3239.132 Safari/537.36\r\n
Accept-Encoding: gzip, deflate, br\r\n
Accept-Language: zh-CN,zh;q=0.9\r\n\r\n
可以看到消息格式以\r\n分隔每行，每行中各项再以空格进行分隔，通过这个格式即可理解代码是如何解析路径的。
运行python test2.py以进行测试，实现了针对不同请求进行响应的过程，如图1.3所示。
图1.3 socket服务端对浏览器的不同请求做出不同响应
1.2.3 HTTP简单介绍
为了使读者能有效地理解代码，这里有必要简单介绍一下HTTP。HTTP就是浏览器（客户端）与Web服务器交流的语言，它是一种双方都认可的格式或规则，也就是这种语言是双方都能“听得懂”的语言，因此协议就是一种格式，这种格式让双方都知道对方想表达什么意思、想做什么事。
HTTP消息格式有请求和响应两种，HTTP请求和响应都包含Header和Body两部分，其中Body是可选的。
1.2.4 HTTP请求消息格式
HTTP请求（Request）消息包含请求头（Header）和请求体（Body）。请求头每行以“\r\n”结尾，请求头第一行以空格分隔的字符串分别代表请求方法、路径、HTTP等信息。第二个字符串就是路径，是一个较为重要的字符串，由此可推知浏览器地址栏中的URL。请求头从第二行开始都是“头字段名:值\r\n”的形式。请求头与请求体之间以“\r\n”分隔，请求体可以有也可以没有。以下是HTTP请求消息格式的示意代码。
请求方法 路径 HTTP/1.1\r\n # 请求方法包括GET、POST等
头字段名:值\r\n
头字段名:值\r\n
…
头字段名:值\r\n
\r\n
请求体 # 请求体可以有，可以没有
以下是实例代码，其中，GET 表示请求方式，请求的路径是/index/，应用的协议是HTTP，协议的版本是1.1。
GET /index/ HTTP/1.1\r\n
Host: 127.0.0.1:8000\r\n
Connection: keep-alive\r\n
User-Agent: Mozilla/5.0 (Windows NT 6.1; WOW64) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko)
Chrome/63.0.3239.132 Safari/537.36\r\n
Accept-Encoding: gzip, deflate, br\r\n
Accept-Language: zh-CN,zh;q=0.9\r\n
\r\n
… # 请求体可以有，可以没有
1.2.5 HTTP响应消息格式
HTTP响应（Response）消息包含响应头（Header）和响应正文（Body）。响应头每行以“\r\n”结尾，响应头第一行包含代表HTTP、状态码和状态描述符等信息的3个字符串，这3个字符串以空格作为分隔符。响应头从第二行开始都是“头字段名:值\r\n”的形式。响应头与响应正文之间以“\r\n”分隔，响应正文就是显示在浏览器中的HTML格式的内容。以下是HTTP响应消息格式的示意代码。
HTTP/1.1 状态码 状态描述符\r\n
头字段名:值\r\n
头字段名:值\r\n
…
头字段名:值\r\n
\r\n
响应正文 # 响应正文，就是HTML格式的内容
以下是实例代码，其中，HTTP/1.1表示HTTP的版本是1.1，状态码200表示响应正常，OK是响应成功的描述字符串，另外还有服务器信息Server、响应时间Date等内容。
HTTP/1.1 200 OK\r\n
Server: openresty/1.9.15.1\r\n
Date: Fri, 05 Jul 2019 07:58:16 GMT\r\n
Content-Type: text/html; charset=utf-8\r\n
Transfer-Encoding: chunked\r\n
\r\n
… # 响应正文
1.3 Python Web开发框架
1.2节我们用Python代码的形式解释了如何用socket来实现Web开发框架的流程，Web开发框架的本质就是用HTTP实现socket服务端与浏览器的通信功能。这些功能可以概括为3步。
（1）socket服务端与客户端（浏览器）收/发socket消息，按照HTTP来解析消息。
（2）建立URL与要执行的函数的对应关系，这里的函数包含业务逻辑代码。
（3）载入HTML文件当作模板，对其中特殊符号标识的字符串进行替换并发给浏览器显示。
不理解或看不懂本章关于Web开发框架的代码对于Django开发影响不太大，读者不用担心。对该代码的理解有利于从Web开发本质与原理层面理解Django，会提高Django开发效率。
Python中的Web框架一般实现3种核心功能。
●收发消息（socket功能）。
●根据用户不同路径执行不同的函数。
●从HTML文件中取出内容，并且完成字符串的替换。
目前主流的Python Web开发框架主要有Django、Tornado和Flask这3种。
① Django是目前最流行的Web开发框架之一，该框架包含以上3种核心功能中的第二、第三种功能，这两种功能可以很容易地通过编写代码或配置来实现，第一种功能使用第三方工具实现。Django是Python中最全能的Web开发框架之一，功能完备，在可维护性和开发速度上具有优势。
② Tornado包含以上3种核心功能，但需要开发人员通过代码实现。该框架最大的特点是采用异步处理，是非阻塞式、高并发处理框架，性能强大，可以每秒处理数以千计的连接。Tornado是实现实时Web服务的理想框架。其缺点是相比于Django，诸多内容需要开发人员自己去编写。随着项目越来越大，Tornado将有越来越多的功能需要开发人员来实现。
③ Flask可实现以上3种核心功能中的第二种功能，第一、第三种功能使用第三方工具实现，是轻量级的开发框架。Flask的特点是使用简单的核心，并使用插件扩展其他功能，因此Flask是一个面向简单需求和小型应用的微框架。
1.4 小结
本章简单介绍了Python的特点，并介绍了Web开发框架基本知识、HTTP以及常见的Python Web开发框架，使读者对Django的原理有所了解。