服务器端 Web 框架

上一篇文章向您展示了 Web 客户端和服务器之间的通信方式、HTTP 请求和响应的本质，以及服务器端 Web 应用程序为了响应来自 Web 浏览器的请求需要做什么。有了这些知识，现在是时候探索 Web 框架如何简化这些任务，并让您了解如何为您的第一个服务器端 Web 应用程序选择框架。

先决条件 基本了解服务器端代码如何处理和响应 HTTP 请求（请参阅客户端-服务器概述）。
目标 了解 Web 框架如何简化服务器端代码的开发/维护，并引导读者思考为自己的开发选择框架。

以下部分使用从真实 Web 框架中提取的代码片段来说明一些要点。如果现在还不完全理解，请不要担心；我们将在框架特定的模块中逐步引导您完成代码。

概述

服务器端 Web 框架（也称为“Web 应用程序框架”）是软件框架，使编写、维护和扩展 Web 应用程序变得更容易。它们提供简化常见 Web 开发任务的工具和库，包括将 URL 路由到相应的处理程序、与数据库交互、支持会话和用户授权、格式化输出（例如 HTML、JSON、XML）以及增强针对 Web 攻击的安全性。

下一节将更详细地介绍 Web 框架如何简化 Web 应用程序开发。然后，我们将解释您可以用于选择 Web 框架的一些标准，并列出一些选项。

Web 框架可以为您做什么？

Web 框架提供工具和库来简化常见的 Web 开发操作。您**不必**使用服务器端 Web 框架，但强烈建议您使用——它会让您的生活变得轻松很多。

本节讨论 Web 框架通常提供的一些功能（并非每个框架都一定会提供所有这些功能！）。

直接处理 HTTP 请求和响应

正如我们在上一篇文章中看到的，Web 服务器和浏览器通过 HTTP 协议进行通信——服务器等待来自浏览器的 HTTP 请求，然后在 HTTP 响应中返回信息。Web 框架允许您编写简化的语法，该语法将生成服务器端代码以处理这些请求和响应。这意味着您的工作将更容易，与更简单、更高级别的代码交互，而不是更低级的网络原语。

以下示例显示了这在 Django（Python）Web 框架中的工作方式。每个“视图”函数（请求处理程序）都会接收包含请求信息的HttpRequest对象，并需要返回一个包含格式化输出（在本例中为字符串）的HttpResponse对象。

python
# Django view function
from django.http import HttpResponse

def index(request):
    # Get an HttpRequest (request)
    # perform operations using information from the request.
    # Return HttpResponse
    return HttpResponse('Output string to return')

将请求路由到相应的处理程序

大多数站点将提供许多不同的资源，可以通过不同的 URL 访问。在一个函数中处理所有这些资源将难以维护，因此 Web 框架提供了简单的机制来将 URL 模式映射到特定的处理程序函数。这种方法在维护方面也具有优势，因为您可以更改用于提供特定功能的 URL，而无需更改底层代码。

不同的框架使用不同的机制进行映射。例如，Flask（Python）Web 框架使用装饰器将路由添加到视图函数。

python
@app.route("/")
def hello():
    return "Hello World!"

而 Django 则期望开发人员定义一个 URL 映射列表，该列表将 URL 模式与视图函数关联起来。

python
urlpatterns = [
    url(r'^$', views.index),
    # example: /best/myteamname/5/
    url(r'^best/(?P<team_name>\w.+?)/(?P<team_number>[0-9]+)/$', views.best),
]

轻松访问请求中的数据

数据可以通过多种方式编码在 HTTP 请求中。用于从服务器获取文件或数据的 HTTP GET 请求可能会在 URL 参数或 URL 结构中对所需数据进行编码。用于更新服务器上资源的 HTTP POST 请求将改为在请求正文中包含更新信息作为“POST 数据”。HTTP 请求还可能在客户端 cookie 中包含有关当前会话或用户的信息。

Web 框架提供与编程语言相关的机制来访问这些信息。例如，Django 传递给每个视图函数的HttpRequest对象包含用于访问目标 URL、请求类型（例如 HTTP GET）、GET 或 POST 参数、cookie 和会话数据等的方法和属性。Django 还可以通过在 URL 映射器中定义“捕获模式”来传递编码在 URL 结构中的信息（请参见上一节中的最后一个代码片段）。

抽象和简化数据库访问

网站使用数据库来存储信息，这些信息既可以与用户共享，也可以与用户相关。Web 框架通常提供一个数据库层，该层抽象了数据库的读取、写入、查询和删除操作。此抽象层称为对象关系映射 (ORM)。

使用 ORM 有两个好处

  • 您可以替换底层数据库，而无需更改使用它的代码。这允许开发人员根据其使用情况优化不同数据库的特性。
  • 可以在框架内实现基本的数据验证。这使得检查数据是否存储在正确类型的数据库字段中、是否具有正确的格式（例如电子邮件地址）以及是否以任何方式具有恶意性变得更容易和更安全（黑客可以使用某些代码模式来执行有害操作，例如删除数据库记录）。

例如，Django Web 框架提供了一个 ORM，并将用于定义记录结构的对象称为模型。模型指定要存储的字段类型，这些类型可能会对可以存储的信息进行字段级验证（例如，电子邮件字段将仅允许有效的电子邮件地址）。字段定义还可以指定其最大大小、默认值、选择列表选项、文档的帮助文本、表单的标签文本等。模型不会声明任何有关底层数据库的信息，因为这是可以与我们的代码分开更改的配置设置。

下面的第一个代码片段显示了一个非常简单的 Django 模型，用于Team对象。它将团队名称和团队级别存储为字符字段，并指定每个记录要存储的最大字符数。team_level是一个选择字段，因此我们还提供了一个映射，用于在要显示的选择和要存储的数据之间进行映射，以及一个默认值。

python
#best/models.py

from django.db import models

class Team(models.Model):
    team_name = models.CharField(max_length=40)

    TEAM_LEVELS = (
        ('U09', 'Under 09s'),
        ('U10', 'Under 10s'),
        ('U11', 'Under 11s'),
        # List our other teams
    )
    team_level = models.CharField(max_length=3,choices=TEAM_LEVELS,default='U11')

Django 模型提供了一个简单的查询 API 用于搜索数据库。它可以根据多个字段同时匹配，使用不同的条件（例如，精确匹配、不区分大小写、大于等），并且可以支持复杂的语句（例如，您可以指定搜索 U11 团队，这些团队的团队名称以“Fr”开头或以“al”结尾）。

第二个代码片段显示了一个用于显示我们所有 U09 团队的视图函数（资源处理程序）。在本例中，我们指定希望筛选所有team_level字段完全包含文本“U09”的记录（请注意，下面是如何将此条件作为参数传递给filter()函数，其中字段名称和匹配类型用双下划线分隔：team_level__exact）。

python
#best/views.py

from django.shortcuts import render
from .models import Team

def youngest(request):
    list_teams = Team.objects.filter(team_level__exact="U09")
    context = {'youngest_teams': list_teams}
    return render(request, 'best/index.html', context)

呈现数据

Web 框架通常提供模板系统。这些系统允许您使用占位符指定输出文档的结构，这些占位符将在生成页面时添加数据。模板通常用于创建 HTML，但也可以创建其他类型的文档。

Web 框架通常提供一种机制，可以轻松地从存储的数据生成其他格式，包括JSON和XML。

例如，Django 模板系统允许您使用“双花括号”语法（例如{{ variable_name }}）指定变量，这些变量将在渲染页面时由视图函数传递的值替换。模板系统还支持表达式（语法：{% expression %}），这些表达式允许模板执行简单的操作，例如迭代传递到模板的列表值。

注意：许多其他模板系统使用类似的语法，例如：Jinja2（Python）、Handlebars（JavaScript）、Moustache（JavaScript）等。

下面的代码片段显示了它是如何工作的。继续上一节中“最年轻的团队”示例，HTML 模板通过视图传递了一个名为youngest_teams的列表变量。在 HTML 骨架内部，我们有一个表达式，首先检查youngest_teams变量是否存在，然后在for循环中迭代它。在每次迭代中，模板都会在列表项中显示团队的team_name值。

django
#best/templates/best/index.html

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
  <body>
    {% if youngest_teams %}
      <ul>
        {% for team in youngest_teams %}
          <li>{{ team.team_name }}</li>
        {% endfor %}
      </ul>
    {% else %}
      <p>No teams are available.</p>
    {% endif %}
  </body>
</html>

如何选择 Web 框架

几乎每种您可能想要使用的编程语言都存在许多 Web 框架（我们在下一节中列出了一些更流行的框架）。有如此多的选择，确定哪个框架为您的新 Web 应用程序提供了最佳起点可能会变得很困难。

一些可能影响您决策的因素包括

  • 学习难度：学习 Web 框架的难度取决于您对底层编程语言的熟悉程度、其 API 的一致性、其文档的质量以及其社区的大小和活跃度。如果您完全没有编程经验，那么请考虑使用 Django（根据上述标准，它是最容易学习的框架之一）。如果您是开发团队的一员，并且该团队已经拥有使用特定 Web 框架或编程语言的丰富经验，那么坚持使用该框架是有意义的。
  • 生产力：生产力衡量的是您在熟悉框架后创建新功能的速度，包括编写和维护代码的工作量（因为您无法在旧功能出现故障时编写新功能）。影响生产力的许多因素与“学习难度”的因素类似——例如文档、社区、编程经验等——其他因素包括
    • 框架目的/起源：一些 Web 框架最初是为了解决某些类型的问题而创建的，并且在创建具有类似约束的 Web 应用程序方面仍然更好。例如，Django 是为了支持报纸网站的开发而创建的，因此它非常适合博客和其他涉及发布内容的网站。相比之下，Flask 是一个更轻量级的框架，非常适合创建在嵌入式设备上运行的 Web 应用程序。
    • 有主见 vs. 无主见：有主见框架是指其中有一些推荐的解决特定问题的“最佳”方法。当您尝试解决常见问题时，有主见的框架往往会提高生产力，因为它们会引导您走向正确的方向，但是它们有时灵活性较差。
    • 自带电池 vs. 自己获取：一些 Web 框架包含默认解决其开发人员能够想到的每个问题的工具/库，而更轻量级的框架则期望 Web 开发人员从单独的库中挑选和选择问题的解决方案（Django 是前者的一个示例，而 Flask 是一个非常轻量级框架的示例）。包含所有内容的框架通常更容易上手，因为您已经拥有所需的一切，并且很有可能它已很好地集成和记录。但是，如果一个较小的框架拥有您（将来会）需要的一切，那么它可以在更多受限的环境中运行，并且将拥有一个更小且更容易学习的子集。

    • 框架是否鼓励良好的开发实践：例如，一个鼓励使用模型-视图-控制器架构将代码分离成逻辑功能的框架，将比没有对开发者期望的框架产生更易维护的代码。类似地，框架设计会对代码的易测试性和可重用性产生重大影响。
  • 框架/编程语言的性能：通常，“速度”不是选择中最重要的因素，因为即使是像 Python 这样相对较慢的运行时，对于在中等硬件上运行的中型网站来说也足够好了。另一种语言（例如 C++ 或 JavaScript）的感知速度优势，很可能会被学习和维护的成本所抵消。
  • 缓存支持：随着您网站的日益成功，您可能会发现它无法应对用户访问时接收到的请求数量。此时，您可能会考虑添加缓存支持。缓存是一种优化，您可以在其中存储 Web 响应的全部或部分内容，以便在后续请求时无需重新计算。返回缓存的响应比从头计算响应快得多。可以在您的代码或服务器中实现缓存（请参阅反向代理）。Web 框架将对定义哪些内容可以缓存提供不同级别的支持。
  • 可扩展性：一旦您的网站获得了巨大的成功，您将耗尽缓存带来的好处，甚至达到垂直扩展（在更强大的硬件上运行您的 Web 应用程序）的极限。此时，您可能需要水平扩展（通过将您的网站分布到多个 Web 服务器和数据库来分担负载）或“地理位置”扩展，因为一些客户位于远离您的服务器很远的地方。您选择的 Web 框架可以在您扩展网站的难易程度上产生很大影响。
  • Web 安全性：一些 Web 框架为处理常见的 Web 攻击提供了更好的支持。例如，Django 会对来自 HTML 模板的所有用户输入进行清理，以便无法运行用户输入的 JavaScript。其他框架也提供了类似的保护，但并非总是默认启用的。

还有许多其他可能的因素，包括许可证、框架是否处于活跃开发状态等。

如果您是编程的绝对初学者，那么您可能会根据“易学性”来选择您的框架。除了语言本身的“易用性”之外，高质量的文档/教程和帮助新用户的活跃社区是您最宝贵的资源。我们选择了Django（Python）和Express（Node/JavaScript）来编写我们在课程后面的示例，主要是因为它们易于学习并且有良好的支持。

注意：让我们访问Django（Python）和Express（Node/JavaScript）的主要网站，并查看它们的文档和社区。

  1. 导航到主要网站（上面链接）。
    • 点击文档菜单链接（命名为“文档”、“指南”、“API 参考”、“入门”等）。
    • 您能否看到显示如何设置 URL 路由、模板和数据库/模型的主题？
    • 文档是否清晰？
  2. 导航到每个网站的邮件列表（可以通过“社区”链接访问）。
    • 过去几天发布了多少个问题？
    • 有多少个问题得到了回复？
    • 它们是否有活跃的社区？

一些优秀的 Web 框架？

现在让我们继续，并讨论一些特定的服务器端 Web 框架。

以下服务器端框架代表了一些在撰写本文时最流行的框架。它们都具备您提高工作效率所需的一切——它们是开源的，正在积极开发中，拥有热情的社区创建文档并在讨论板上帮助用户，并且被大量高知名度的网站使用。您可以使用基本的互联网搜索发现许多其他优秀的服务器端框架。

注意：描述来自（部分）框架网站！

Django (Python)

Django 是一个高级 Python Web 框架，它鼓励快速开发和简洁、务实的的设计。由经验丰富的开发人员构建，它处理了 Web 开发的大部分繁琐工作，因此您可以专注于编写您的应用程序，而无需重新发明轮子。它是免费且开源的。

Django 遵循“包含电池”的理念，并提供了大多数开发人员可能想要“开箱即用”执行的大部分操作。由于所有内容都包含在内，因此它们可以协同工作，遵循一致的设计原则，并拥有广泛且最新的文档。它还快速、安全且非常可扩展。基于 Python 的 Django 代码易于阅读和维护。

使用 Django 的热门网站（来自 Django 主页）包括：Disqus、Instagram、Knight Foundation、MacArthur Foundation、Mozilla、National Geographic、Open Knowledge Foundation、Pinterest、Open Stack。

Flask (Python)

Flask 是 Python 的一个微框架。

虽然简约，但 Flask 可以开箱即用地创建大型网站。它包含一个开发服务器和调试器，并包含对Jinja2 模板、安全 Cookie、单元测试和RESTful 请求分派的支持。它有良好的文档和活跃的社区。

Flask 变得非常流行，特别是在需要在小型、资源受限的系统上提供 Web 服务的开发人员中（例如，在Raspberry Pi、无人机控制器等上运行 Web 服务器）。

Express (Node.js/JavaScript)

Express 是一个快速、不拘泥于形式、灵活且简约的Node.js（Node 是一个无浏览器环境，用于运行 JavaScript）Web 框架。它为 Web 和移动应用程序提供了一套强大的功能，并提供了有用的 HTTP 实用程序方法和中间件。

Express 非常流行，部分原因在于它简化了客户端 JavaScript Web 程序员向服务器端开发的迁移，部分原因在于它资源效率高（底层 Node 环境在单个线程内使用轻量级多任务处理，而不是为每个新的 Web 请求生成单独的进程）。

由于 Express 是一个简约的 Web 框架，因此它没有包含您可能想要使用的每个组件（例如，数据库访问和对用户和会话的支持是通过独立库提供的）。有很多优秀的独立组件，但有时很难确定哪个最适合特定目的！

许多流行的服务器端和全栈框架（包括服务器端和客户端框架）都基于 Express，包括Feathers、ItemsAPI、KeystoneJS、Kraken、LoopBack、MEAN和Sails。

许多高知名度的公司使用 Express，包括：Uber、Accenture、IBM 等。

Deno (JavaScript)

Deno 是一个简单、现代且安全的JavaScript/TypeScript 运行时和框架，构建在 Chrome V8 和Rust之上。

Deno 由Tokio提供支持——一个基于 Rust 的异步运行时，它可以更快地提供 Web 页面。它还内部支持WebAssembly，这使得可以编译二进制代码以在客户端使用。Deno 旨在填补Node.js中的一些漏洞，提供一种自然地保持更好安全性的机制。

Deno 的功能包括

  • 默认安全。 Deno 模块限制对文件、网络或环境的访问权限，除非明确允许。
  • 开箱即用的 TypeScript 支持。
  • 一流的 await 机制。
  • 内置测试工具和代码格式化程序（deno fmt）
  • （JavaScript）浏览器兼容性：完全用 JavaScript 编写的 Deno 程序，不包括Deno命名空间（或对其进行功能测试），应该可以直接在任何现代浏览器中运行。
  • 将脚本捆绑到单个 JavaScript 文件中。

Deno 提供了一种简单而强大的方法，可以使用 JavaScript 进行客户端和服务器端编程。

Ruby on Rails (Ruby)

Rails（通常称为“Ruby on Rails”）是用 Ruby 编程语言编写的 Web 框架。

Rails 遵循与 Django 非常相似的设计理念。与 Django 一样，它提供了用于路由 URL、从数据库访问数据、从模板生成 HTML 以及将数据格式化为JSON或XML的标准机制。它同样鼓励使用设计模式，如 DRY（“不要重复自己”——如果可能，只编写一次代码）、MVC（模型-视图-控制器）和许多其他模式。

当然，由于特定的设计决策和语言的性质，存在许多差异。

Rails 已被用于高知名度的网站，包括：Basecamp、GitHub、Shopify、Airbnb、Twitch、SoundCloud、Hulu、Zendesk、Square、Highrise。

Laravel (PHP)

Laravel 是一个具有表达性、优雅语法的 Web 应用程序框架。Laravel 试图通过简化大多数 Web 项目中使用的常见任务来减轻开发工作，例如

Laravel 易于访问，但功能强大，提供了大型、健壮应用程序所需的工具。

ASP.NET

ASP.NET 是由微软开发的开源 Web 框架，用于构建现代 Web 应用程序和服务。使用 ASP.NET，您可以快速创建基于 HTML、CSS 和 JavaScript 的网站，将其扩展以供数百万用户使用，并轻松添加更复杂的功能，如 Web API、数据表单或实时通信。

ASP.NET 的一个区别在于它构建在公共语言运行时（CLR）之上，允许程序员使用任何受支持的 .NET 语言（C#、Visual Basic 等）编写 ASP.NET 代码。与许多微软产品一样，它受益于优秀的工具（通常是免费的）、活跃的开发者社区和编写良好的文档。

ASP.NET 被微软、Xbox.com、Stack Overflow 等许多公司使用。

Mojolicious (Perl)

Mojolicious 是 Perl 编程语言的下一代 Web 框架。

在 Web 早期，许多人学习 Perl 是因为一个很棒的 Perl 库，叫做 CGI。它足够简单，即使你对这门语言了解不多也能上手，并且功能强大到足以让你继续使用。Mojolicious 使用最前沿的技术实现了这一理念。

Mojolicious 提供的一些特性包括：

  • 一个实时的 Web 框架，可以轻松地将单文件原型扩展为结构良好的 MVC Web 应用程序。
  • RESTful 路由、插件、命令、Perl 风格的模板、内容协商、会话管理、表单验证、测试框架、静态文件服务器、CGI/PSGI 检测以及一流的 Unicode 支持。
  • 一个完整的 HTTP 和 WebSocket 客户端/服务器实现，支持 IPv6、TLS、SNI、IDNA、HTTP/SOCKS5 代理、UNIX 域套接字、Comet（长轮询）、保持活动、连接池、超时、Cookie、多部分和 gzip 压缩。
  • JSON 和 HTML/XML 解析器和生成器，支持 CSS 选择器。
  • 非常简洁、可移植且面向对象的纯 Perl API，没有隐藏的魔法。
  • 基于多年经验的新代码，免费且开源。

Spring Boot (Java)

Spring Boot 是 Spring 提供的众多项目之一。它是使用 Java 进行服务器端 Web 开发的一个良好起点。

虽然它绝对不是唯一一个基于 Java 的框架，但它易于使用，可以创建独立的、生产级的基于 Spring 的应用程序，你可以“直接运行”。它对 Spring 平台和第三方库持有特定的观点，但允许你以最少的麻烦和配置开始。

它可以用于解决小问题，但其优势在于构建使用云方法的大规模应用程序。通常，多个应用程序并行运行并相互通信，其中一些提供用户交互，另一些执行后端工作（例如访问数据库或其他服务）。负载均衡器有助于确保冗余性和可靠性，或允许对用户请求进行地理位置处理以确保响应能力。

总结

本文表明，Web 框架可以使开发和维护服务器端代码变得更容易。它还提供了几个流行框架的高级概述，并讨论了选择 Web 应用程序框架的标准。你现在至少应该了解如何为自己的服务器端开发选择 Web 框架。如果没有，也不用担心——稍后在本课程中，我们将为您提供 Django 和 Express 的详细教程，让您体验实际使用 Web 框架。

在本模块的下一篇文章中，我们将稍微改变方向，考虑 Web 安全性。