當下網路就如同空氣一樣在我們的周圍，它以無數種方式改變著我們的生活，但要說網路的核心技術變化甚微。
隨著開源文化的蓬勃發展，誕生了諸多優秀的開源 Web 框架，讓我們的開發變得輕鬆。但同時也讓我們不敢停下學習新框架的腳步，其實萬變不離其宗，只要理解了 Web 框架的核心技術部分，當有一個新的框架出來的時候，基礎部分大同小異只需要重點了解：它有哪些特點，用到了哪些技術解決了什麼痛點？這樣接受和理解起新技術來會更加得心應手，不至於疲於奔命。
還有那些只會用 Web 框架的同學，是否無數次開啟框架的原始碼，想學習提高卻無從下手？
今天我們就抽絲剝繭、去繁存簡，用一個檔案，實現一個迷你 Web 框架，從而把其核心技術部分清晰地講解清楚，配套的原始碼均已開源。
GitHub 地址：https://github.com/521xueweihan/OneFile
如果你覺得我做的這件事對你有幫助，就請給我一個 ✨Star，多多轉發讓更多人受益。
閒言少敘，下面就開始我們今天的提高之旅。
一、介紹原理
說到 Web 不得不提的就是網路協議，如果我們從 OSI 七層網路模型開始，我敢斷定看完的絕對不超過三成！
所以今天我們就直接聊最上面的一層，也就是 Web 框架接觸最多的 HTTP 應用層，至於 TCP/IP 部分會在聊 socket 的時候粗略帶過。期間我會刻意打碼非必要講解技術的細枝末節，切斷遠離本期主題的技術話題，一個檔案只講一個技術點！絕不拖堂請大家放心閱讀。
首先讓我們先回憶下，平常瀏覽網站的流程。
如果我們把在網上衝浪，比做在一間教室聽課，那麼老師就是伺服器（server），學生就是客戶端（client）。當同學有問題的時候會先舉手（請求建立 TCP），老師發現學生的提問請求，同意學生回答問題後，學生起立提出問題（傳送請求），如果老師承諾會給提問的學生加課堂表現分，那麼提問的時候就需要有個高效的提問方式（請求格式），即：
- 先報學號
- 再提問題
師接收到學生的提問後就可以立即回答問題，無需再問學號（返回響應），回答格式（響應格式）如下：
- 後回答問題
- 根據學號加分！
有了約定好的提問格式（協議），就可以省去老師每次詢問學生的學號，即高效又嚴謹。最後，老師回答完問題讓學生坐下（關閉連線）。
其實，我們在網路上通訊流程也大致如此：
只不過機器執行起來更加嚴格，大家都是遵循某種協議來開發軟體，這樣就可以實現在某種協議下進行通訊，而這種網路通訊協議就叫做 HTTP（超文字傳輸協議）。
而我們要做的 Web 框架就是處理上面的流程：建立連線、接收請求、解析請求、處理請求、返回請求。
原理部分就聊這麼多，目前你只需要記住網路上通訊分為兩大步：建立連線（用於通訊）和處理請求。
所謂框架就是處理大多數情況下要處理的事情，所以我們要寫的 Web 框架也就是處理兩件事，即：
- 處理連線（socket）
- 處理請求（request）
一定要記住：連線和請求是兩個東西，建立起連線才能傳送請求。
而想要建立連線發起通訊，就需要通過 socket 來實現（建立連線），socket 可以理解為兩個虛擬的本子（檔案控制程式碼），通訊的雙方人手一個，它既可以讀也可以寫，只要把傳輸的內容寫到本子上（處理請求），對方就可以看到了。
下面我把 Web 框架分成兩部分進行講解，所有程式碼將採用簡單易懂的 Python3 進行實現。
二、編寫 Web 框架
程式碼+註釋一共 457 行，請放心絕對簡單易懂。
2.1 處理連線（HTTPServer）
這裡需要簡單聊一下 socket 這個東西，在程式語言層面它就是一個類庫，負責搞定連線建立網路通訊。但本質上是系統級別提供通訊的程式，而一臺電腦可以建立多條通訊線路，所以每一個埠號後面都是一個 socket 程式，它們相互獨立、互不干涉，這也是為什麼我們在啟動服務的時候要指定埠號的原因。
最後，上面所說的伺服器其實就是一臺效能好一點、一直開著的電腦，而客戶端就是瀏覽器、手機、電腦，它們都有 socket 這個東西（作業系統級別的一個程式）。
如果上面這段話沒有看懂也不礙事，能看懂下面的圖就行，得搞明白 socket 處理連線的步驟和流程，才能編寫 Web 框架處理連線的部分。
下面分別展示基於 socket 編寫的 server.py 和 client.py 程式碼。
# coding: utf-8
# 伺服器端程式碼（server.py）
import socket
print('我是服務端！')
HOST = ''
PORT = 50007
s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) # 建立 TCP socket 物件
s.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1) # 重啟時釋放埠
s.bind((HOST, PORT)) # 繫結地址
s.listen(1) # 監聽TCP，1代表：作業系統可以掛起(未處理請求時等待狀態)的最大連線數量。該值至少為1
print('監聽埠：', PORT)
while 1:
conn, _ = s.accept() # 開始被動接受TCP客戶端的連線。
data = conn.recv(1024) # 接收TCP資料，1024表示緩衝區的大小
print('接收到:', repr(data))
conn.sendall(b'Hi, '+data) # 給客戶端傳送資料
conn.close()
因為 HTTP 是建立在相對可靠的 TCP 協議上，所以這裡建立的是 TCP socket 物件。
# coding: utf-8
# 客戶端程式碼（client.py）
import socket
print('我是客戶端！')
HOST = 'localhost' # 伺服器的IP
PORT = 50007 # 需要連線的伺服器的埠
s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
s.connect((HOST, PORT))
print("傳送'HelloGitHub'")
s.sendall(b'HelloGitHub') # 傳送‘HelloGitHub’給伺服器
data = s.recv(1024)
s.close()
print('接收到', repr(data)) # 列印從伺服器接收回來的資料
執行效果如下：
結合上面的程式碼，可以更加容易理解 socket 建立通訊的流程：
- socket：建立socket
- bind：繫結埠號
- listen：開始監聽
- accept：接收請求
- recv：接收資料
- close：關閉連線
所以，Web 框架中處理連線的 HTTPServer 類要做的事情就呼之欲出了。即：
一開始在 __init__方法中建立 socket，接著繫結埠（server_bind）然後開始監聽埠（server_activate)
# 處理連線進行資料通訊
class HTTPServer(object):
def __init__(self, server_address, RequestHandlerClass):
self.server_address = server_address # 伺服器地址
self.RequestHandlerClass = RequestHandlerClass # 處理請求的類
# 建立 TCP Socket
self.socket = socket.socket(socket.AF_INET,
socket.SOCK_STREAM)
# 繫結 socket 和埠
self.server_bind()
# 開始監聽埠
self.server_activate()
通過傳入的 RequestHandlerClass 引數可以看出，處理請求與建立連線是分開處理。
下面就要開始啟動服務接收請求了，也就是 HTTPServer 的啟動方法 serve_forever，這裡包含了接收請求、接收資料、開始處理請求、結束請求的全過程。
def serve_forever(self):
while True:
ready = selector.select(poll_interval)
# 當客戶端請求的資料到位，則執行下一步
if ready:
# 有準備好的可讀檔案控制程式碼，則與客戶端的連結建立完畢
request, client_address = self.socket.accept()
# 可以進行下面的處理請求了，通過 RequestHandlerClass 處理請求和連線獨立
self.RequestHandlerClass(request, client_address, self)
# 關閉連線
self.socket.close()
如此迴圈下去，就是 HTTPServer 處理連線、建立起 HTTP 連線的全部程式碼，就這？對！是不是很簡單？
程式碼中的 RequestHandlerClass 形參是處理請求的類，下面將深入講解其對應的 HTTPRequestHandler 是如何處理 HTTP 請求。
2.2 處理請求（HTTPRequestHandler）
還記得上面介紹的 socket 如何實現兩端通訊嗎？通過兩個可讀、可寫的“虛擬本子”。
再加上還要保證通訊的高效和嚴謹，就需要有對應的“通訊格式”。
所以，處理請求只需要三步走：
- setup：初始化兩個本子
- 讀請求的檔案控制程式碼（rfile）
- 寫響應的檔案控制程式碼（wfile）
- handle：讀取並解析請求、處理請求、構造響應並寫入
- finish：返回響應，銷燬兩個本子釋放資源，然後塵歸塵土歸土，等待下個請求
對應的程式碼：
# 處理請求
class HTTPRequestHandler(object):
def __init__(self, request, client_address, server):
self.request = request # 接收來的請求（socket）
# 1、初始化兩個本子
self.setup()
try:
# 2、讀取、解析、處理請求，構造響應
self.handle()
finally:
# 3、返回響應，釋放資源
self.finish()
def setup(self):
self.rfile = self.request.makefile('rb', -1) # 讀請求的本子
self.wfile = self.request.makefile('wb', 0) # 寫響應的本子
def handle(self):
# 根據 HTTP 協議，解析請求
# 具體的處理邏輯，即業務邏輯
# 構造響應並寫入本子
def finish(self):
# 返回響應
self.wfile.flush()
# 關閉請求和響應的控制程式碼，釋放資源
self.wfile.close()
self.rfile.close()
以上就是處理請求的整體流程，下面將詳細介紹 handle 如何解析 HTTP 請求和構造 HTTP 響應，以及如何實現把框架和具體的業務程式碼（處理邏輯）分開。
在解析 HTTP 之前，需要先看一個實際的 HTTP 請求，當我開啟 hellogithub.com 網站首頁的時候，瀏覽器傳送的 HTTP 請求如下：
整理歸納可得 HTTP 請求格式，如下：
{HTTP method} {PATH} {HTTP version}\r\n
{header field name}:{field value}\r\n
...
\r\n
{request body}
得到了請求格式，那麼 handle 解析請求的方法也就有了。
def handle(self):
# --- 開始解析 --- #
self.raw_requestline = self.rfile.readline(65537) # 讀取請求第一行資料，即請求頭
requestline = str(self.raw_requestline, 'iso-8859-1') # 轉碼
requestline = requestline.rstrip('\r\n') # 去換行和空白行
# 就可以得到 "GET / HTTP/1.1" 請求頭了，下面開始解析
self.command, self.path, self.request_version = requestline.split()
# 根據空格分割字串，可得到("GET", "/", "HTTP/1.1")
# command 對應的是 HTTP method，path 對應的是請求路徑
# request_version 對應 HTTP 版本，不同版本解析規則不一樣這裡不做展開講解
self.headers = self.parse_headers() # 解析請求頭也是處理字串，但更為複雜標準庫有工具函式這裡略過
# --- 業務邏輯 --- #
# do_HTTP_method 對應到具體的處理函式
mname = ('do_' + self.command).lower()
method = getattr(self, mname)
# 呼叫對應的處理方法
method()
# --- 返回響應 --- #
self.wfile.flush()
def do_GET(self):
# 根據 path 區別處理
if self.path == '/':
self.send_response(200) # status code
# 加入響應 header
self.send_header("Content-Type", "text/html; charset=utf-8")
self.send_header("Content-Length", str(len(content)))
self.end_headers() # 結束頭部分，即：'\r\n'
self.wfile.write(content.encode('utf-8')) # 寫入響應 body，即：頁面內容
def send_response(self, code, message=None):
# 響應體格式
"""
{HTTP version} {status code} {status phrase}\r\n
{header field name}:{field value}\r\n
...
\r\n
{response body}
"""
# 寫響應頭行
self.wfile.write("%s %d %s\r\n" % ("HTTP/1.1", code, message))
# 加入響應 header
self.send_header('Server', "HG/Python ")
self.send_header('Date', self.date_time_string())
以上就是 handle 處理請求和返回響應的核心程式碼片段了，至此 HTTPRequestHandler 全部內容均已講解完畢，下面將演示執行效果。
2.3 執行
class RequestHandler(HTTPRequestHandler):
# 處理 GET 請求
def do_get(self):
# 根據 path 對應到具體的處理方法
if self.path == '/':
self.handle_index()
elif self.path.startswith('/favicon'):
self.handle_favicon()
else:
self.send_error(404)
if __name__ == '__main__':
server = HTTPServer(('', 8080), RequestHandler)
# 啟動服務
server.serve_forever()
這裡通過繼承 Web 框架的 HTTPRequestHandler 實現的子類 RequestHandler 重寫 do_get 方法，實現業務程式碼和框架的分離。這樣保證了框架的靈活性和解耦。
接下來服務毫無意外地執行起來了，效果如下：
本文中涉及 Web 框架的程式碼，為方便閱讀都經過了簡化。如果想要獲取完整可執行的程式碼，可前往 GitHub 地址獲取：
https://github.com/521xueweihan/OneFile/blob/main/src/python/web-server.py
該框架並不包含 Web 框架應有的豐富功能，旨在通過最簡單的程式碼，實現一個迷你 Web 框架，讓不瞭解基本 Web 框架結構的同學，得以一探究竟。
如果本文的內容勾起了你對 Web 框架的興趣，你還想更加深入的瞭解更加全面、適用於生產環境、程式碼和結構同樣的簡潔的 Web 框架。我建議的學習路徑：
- Python3 的 HTTPServer、BaseHTTPRequestHandler
- bottle：單檔案、無三方依賴、持續更新，可用於生產環境的開源 Web 框架：
- werkzeug -> flask
- starlette -> uvicorn -> fastapi
有的時候閱讀框架原始碼不是為了寫一個新的框架，而是向前輩學習和靠攏。
最後
新的技術總是學不完的，掌握核心的技術原理，不僅可以在接受新的知識時快人一步，還可以在排查問題時一針見血。
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