通过Python中的CGI接口讲解什么是WSGI

时间：2023-03-21 09:47:34|栏目：Python代码|点击：次

前言

今天在 git.oschina 的首页上看到他们推出演示平台，其中，Python 的演示平台支持 WSGI 接口的应用。虽然，这个演示平台连它自己提供的示例都跑不起来，但是，它还是成功的勾起了我对 WSGI 的好奇心。一番了解，对该机制的认识，总结如下。如有不妥，还望斧正。

为什么是 WSGI？

写过网页应用的各位亲，应该对 CGI 有了解，我们知道，CGI 的全程是“Common Gateway Interface”，即 “通用 Gateway Interface“。没错，这里的 WSGI，就是只针对 Python的网页应用接口“Python Web Server Gateway Interface”。通过这样的类比，想必大家对他的地位就有所了解了。

它只是一个接口定义：它不负责服务器的实现，也不负责网页应用的实现，它只是一个两边接口方式的约定。所以，它并不是另一个 WEB 应用框架。通常意义上的 WEB 应用框架，也只相当于 WSGI 网页应用端的一种实现。

这样做的好处是？PEP 0333 中的解释是，为了实现一个类似于 Java Servelet 的 API，使得遵循该接口的应用拥有更广泛的适用性。是的，有了该接口，你就不用去考虑，服务器对 Python 的支持到底是如何实现——无论是“ 直接用 Python 实现的服务器”，还是“服务器嵌入 Python”，或者是 “ 通过网关接口(CGI, Fastcgi...)”——应用程序都有很好的适用性。就像是今天故事的开始，我们遇到了云平台，它提供了对 WSGI 接口的支持，那么，只要应用是基于 WSGI 的，那么应用就可以直接跑起来。

此外，WSGI 的设计，也提供了另外一种可能性，那就是中间件（middleware）。或者说，我们可以写一些对 server 和 application 都兼容的模块，我们可以把他们部署在 Server 端，也可以部署在 Application 端，完成比如缓存、字符编码转换、根据 url 做应用 routing 等功能。这种设计模式，是 WSGI 降低了 server 和 application 耦合度之后的产物，同时，它从另一个角度大大提升了设计的灵活性。

WSGI 实施概略

上一小节，简要对 WSGI 做了介绍。这里从 application、server、middleware 三个角度对 WSGI 稍微进行深入，使我们对它有一个更具体的印象。

1）Application 端

WSGI 要求，应用端必须提供一个可被调用的实体（PEP 0333 使用的是 Object，文档还特别解释这有别于Object instance），该实体可以是：一个函数（function）、一个方法（method）、一个类（class）、或者是有__call__方法的对象（Object instance）。

这里有两个网页应用端的实现示例，一个是 function object，一个 class object：

def simple_app(environ, start_response):
    status = '200 OK'
    response_headers = [('Content-type', 'text/plain')]
    start_response(status, response_headers)
    return ['Hello world!\n']

上面的 function 只是直接对请求直接做了 “200 ok” 回应，并没有处理传进来的参数 environ——里面是由 WSGI Server 端提供的各种 HTTP 请求参数。需要特别注意的是，这个函数在最后，返回的一个 list（用“[]”包含在内）以保证结果的 iterable。下面的 class 类似。

在下面例子中，AppClass 作为应用实体。当调用发生时，其实是对 class 进行了例化（ python 固有特性，可以参考后面 server 端的实现代码进一步理解），正如我们看到，这次调用（call）的返回值也是可迭代的——虽然只迭代一次（yield）。

class AppClass:
    def __init__(self, environ, start_response):
        self.environ = environ
        self.start = start_response
    def __iter__(self):
        status = '200 OK'
        response_headers = [('Content-type', 'text/plain')]
        self.start(status, response_headers)
        yield "Hello world!\n"
        """ In fact, the interator ‘ends‘ here because of no more yield field"""

与上面两种情形不同，使用 object instance 作为应用实体时，需要为类定义添加 __call__ 方法，同时，参考上面使用 function 作为实体时情形，__call__ 方法的返回值需为 iterable（比如 return [ something ]）。

最后，不管我们的 app 是 function 还是 class， application 都需要处理两个参数，而且是两个位置相关的参数（不是命名参数），分别是：一个存放了 CGI 环境变量的 dictionary object，和一个可调用实体（需要给它三个位置相关的参数，两个必须，一个可选）。

其中，可调用实体（前例中的 start_response）必须调用一次，两个必须的参数分别为“ HTTP Response的状态（str 类型）“ 和 “HTTP Response Header（list of tuples）“；

一个可选的参数exc_info，必须是 Python sys.exc_info() tuple，只有在出错需要显示错误信息时使用。完整调用：start_response(status, response_headers，exc_info).

2）Server 端

下面是从 PEP 0333 拿来的一个简单的 WSGI 容器，适用于 Python 作为某 WEB Server 上 CGI 时的应用情形。

import os, sys
def run_with_cgi(application):
    environ = dict(os.environ.items())
    environ['wsgi.input']        = sys.stdin
    environ['wsgi.errors']       = sys.stderr
    environ['wsgi.version']      = (1, 0)
    environ['wsgi.multithread']  = False
    environ['wsgi.multiprocess'] = True
    environ['wsgi.run_once']     = True
    if environ.get('HTTPS', 'off') in ('on', '1'):
        environ['wsgi.url_scheme'] = 'https'
    else:
        environ['wsgi.url_scheme'] = 'http'
    headers_set = []
    headers_sent = []
    def write(data):
        if not headers_set:
             raise AssertionError("write() before start_response()")
        elif not headers_sent:
             # Before the first output, send the stored headers
             status, response_headers = headers_sent[:] = headers_set
             sys.stdout.write('Status: %s\r\n' % status)
             for header in response_headers:
                 sys.stdout.write('%s: %s\r\n' % header)
             sys.stdout.write('\r\n')
        sys.stdout.write(data)
        sys.stdout.flush()
    def start_response(status, response_headers, exc_info=None):
        if exc_info:
            try:
                if headers_sent:
                    # Re-raise original exception if headers sent
                    raise exc_info[0], exc_info[1], exc_info[2]
            finally:
                exc_info = None     # avoid dangling circular ref
        elif headers_set:
            raise AssertionError("Headers already set!")
        headers_set[:] = [status, response_headers]
        return write
    result = application(environ, start_response)
    try:
        for data in result:
            if data:    # don't send headers until body appears
                write(data)
        if not headers_sent:
            write('')   # send headers now if body was empty
    finally:
        if hasattr(result, 'close'):
            result.close()

上面的容器，大概实现了：

a）将 CGI 环境变量放入 dictionary object （environ）中，供 Application 实体使用；
b）定义了 start_response 方法，供 Application 实体调用；
c）调用 application 实体，对 web 请求进行处理；
d）将 application 的返回结果，以及通过 start_response 设置的 HTTP Response HEADER，写到 stdout ——像其他 CGI 一样，实际上是被发往网页。

3）作为 middleware

因为 WSGI 的宽松耦合的特性，我们可以轻松的在 Application 和 Server 之前插入任何的中间插件，在不需要改动 Server 和 Application 的前提下，实现一些特殊功能。但是，这种放在 Server 和 Application “中间”的模块，并不是这里要讲的 middleware ；或者，这只能算是一种特殊的 middleware，因为它仅仅是实现了 PEP 0333 中 middleware 定义的 Application 侧的功能。这种仅实施在一侧的 middleware，需要在发布时，特别的声明。

PEP 0333 中约定，中间件是一些即可以在 Server 端实施，又可以在 Application 端实施的模块。所以，在设计的时候，对两边的特性都要做适当考虑。幸好，WSGI 接口设计的足够简单。

class Router():
    def __init__(self):
        self.path_info = {}
    def route(self, environ, start_response):
        application = self.path_info[environ['PATH_INFO']]
        return application(environ, start_response)
    def __call__(self, path):
        def wrapper(application):
            self.path_info[path] = application
        return wrapper
""" The above is the middleware"""
router = Router()
@router('/world')
def world(environ, start_response):
    status = '200 OK'
    output = 'World!'start_response(status, response_headers)  
    return [output] 
@router('/hello') 
def hello(environ, start_response):
    status = '200 OK'
    output = 'Hello'
    response_headers = [('Content-type', 'text/plain'), ('Content-Length', str(len(output)))]
    start_response(status, response_headers)  
    return [output]

简单解释一下：

- 作为 Application 时，我们用 Router 实例化一个对象。然后对 “ PATH-APP “ 进行注册，根据不同的 PATH，我们要进一步选择哪个 App。接着，就是把 router.route() 喂给 Server ，作为 Application 侧的可调用实体。有请求到来时，根据已经注册的 “PATH-APP” 对选择应用并执行。

- Server 端类似，我们要先实例化并完成注册。然后，比如，拿我们上一小节实现的 WSGI 容器为例，我们需要修改 result = router.route(environ, start_response)，同样完成了router的功能。

下面是另外一个，实现了 postprocessor 的一个例子，在 Application 返回的 HTTP Header 里面再加一个 Header。

def myapp(environ, start_response):
    response_headers = [('content-type', 'text/plain')]
    start_response('200 OK', response_headers)
    return ['Check the headers!']
class Middleware:
    def __init__(self, app):
        self.wrapped_app = app
    def __call__(self, environ, start_response):
        def custom_start_response(status, headers, exc_info=None):
            headers.append(('X-A-SIMPLE-TOKEN', "1234567890"))
            return start_response(status, headers, exc_info)
        return self.wrapped_app(environ, custom_start_response)
app = Middleware(myapp)

这里通过改写传递给 Application 的实体，实现了 postprocess 的目的。