Flask後端開發(二) - 功能實現和專案總結

CrazyPixel發表於2023-10-30

Flask後端

Flask後端開發(二) - 功能實現和專案總結

前情回顧
Flask後端開發(一)-基礎知識和前期準備

1. 功能1：修改檔案引數值

針對檔案引數值的修改，具體流程如下：

前端接收使用者修改的資料，傳遞給後端；
後端介面接收資料之後，讀取對應檔案；
定位修改位置，替換資料；
返回修改結果給前端。

1.1. 獲取網頁端傳參

前端傳遞引數的方式有兩種，一種是GET，一種是POST，具體可參考Flask後端開發(一)-基礎知識和前期準備

後端接收資料主要使用flask中的request模組，具體程式碼如下：

#包匯入
from flask import request

#前後端協商好傳遞資料的名稱之後，後端根據引數名進行接收
if request.method == "POST":
    userID= str(request.form.get("userID"))
elif request.method == "GET":
    userID= str(request.args.get("userID"))

#如果需要額外處理，例如字串"a,b,c"需要轉換為列表["a","b","c"]，可以使用split函式
BSD= (request.form.get("BSD")).split(",")

#注：上述是程式碼片段，而非完整程式碼，一般後端接收資料寫在介面函式中

1.2. 讀取檔案

1.2.1. 一般檔案讀取方式

一般檔案包括.txt、.c、.log等檔案，其內容讀取主要使用python中file模組的open函式，具體程式碼如下：


path= "檔案路徑"
with open(path, "r",encoding='utf8') as file:
    file_content = file.read()
#整個檔案內容儲存在file_content中

關於file模組的具體使用，可參考我的這篇部落格:【python技巧】文字檔案的讀寫操作。

1.2.2. 特殊檔案 —— mlx檔案

本專案的一個特殊之處就是需要處理.mlx檔案（實時指令碼檔案），這是matlab中的一種檔案格式，其內容是二進位制的，無法直接讀取。因此，在本文當中，解決方案是將.mlx檔案手動轉換為.m檔案，然後再讀取.m檔案的內容（真的很笨蛋，但是有效）。
對於.m檔案，則可以按照一般檔案的讀取方式進行讀取。

1.2.3. 特殊檔案 —— .xlx檔案

本專案中還會涉及到表格檔案的資料讀寫，這裡使用的是xlrd模組，具體程式碼如下：

#包匯入
import xlrd


#查詢對應檔案內容
file_path="檔案路徑"
#開啟表格
wb = xlrd.open_workbook(file_path)
ws = wb.sheet_by_name('Sheet1')
#按行讀取，返回給前端一個行列表：
n_rows = ws.nrows#獲取行數
for i in range(2,n_rows):#按行讀取，進行篩選，第一行是表頭，第二行開始是資料
    get_value=ws.cell(i,3).value#獲取第i行第3列的資料

1.3. 查詢資料修改位置，替換資料

本專案的需求是修改檔案中的對應引數，涉及很多程式碼行的引數修改，因此，需要根據變數名查詢相關位置。

定位
根據pytho字串中的find函式查詢變數名所在的位置，參考部落格如下Python find()方法，具體程式碼如下：

# 其中file_content是檔案內容，變數名是需要查詢的變數名
## 1. 排程型別
 start_index_1 = file_content.find(
     "simParameters.SchedulingType ="
 )
 end_index_1 = file_content.find(
     "simParameters.NumUEs =",
     start_index_1,
 )  # 這之間修改schedulingtype的取值
 ## 2. UESpeed
 start_index_2 = file_content.find(
     "simParameters.UESpeed =", end_index_1
 )
 end_index_2 = file_content.find(
     "% Validate the UE positions",
     start_index_2,
 )
 ## 3. max_RB
 start_index_3 = file_content.find(
     "simParameters.NumRBs =", end_index_2
 )
 end_index_3 = file_content.find(
     "simParameters.SCS =",
     start_index_3,
 ) 
 ## 4. SCS
 start_index_4 = file_content.find(
     "simParameters.SCS =", end_index_3
 )
 end_index_4 = file_content.find(
     "simParameters.DLCarrierFreq =",
     start_index_4,
 )

這部分的下標定位情況，可參考我的此篇部落格：【python技巧】替換檔案中的某幾行

替換
在本專案中使用的全文替換，具體程式碼結構如下：

# 1. 讀取檔案
path = "檔案路徑"
with open(path, "r",encoding='utf-8') as file:
file_content = file.read()

# 2. 定位
start_index_1 = file_content.find("simParameters.UEPosition =")
end_index_1 = file_content.find("simParameters.UESpeed =",start_index_1)  # 這之間修改ue_position的取值
start_index_2 = file_content.find("simParameters.Position = ", end_index_1)
end_index_2 = file_content.find("csirsConfig = nrCSIRSConfig", start_index_2)

if (start_index_1 == -1 or end_index_1 == -1 or start_index_2 == -1 or end_index_1 == -1):
  return jsonify({"Error": "找不到對應的引數位置"})

# 3.更新引數值
updated_content = (
  file_content[:start_index_1]
  + "simParameters.UEPosition = "
  + str(UE_position)
  + ";\n")
updated_content += file_content[end_index_1:start_index_2]
updated_content += "simParameters.Position = "+str(gNB_position)+";% Position of gNB in (x,y,z) coordinates"
updated_content += file_content[end_index_2:]

# 4. 更新檔案
if updated_content != "":
    with open(path, "w",encoding="utf-8") as file:
        file.write(updated_content)
    msg = "成功改變相關檔案引數\n"
    return jsonify({"Sueecess": msg})

2. 功能2：讀取結果資料

2.1. 實時資料展示如何儲存相關資料？

本專案中matlab會使用作圖程式實時展示每個時隙的執行結果，但是這個作圖程式無法顯示在網頁端，因此，考慮將資料儲存在檔案中，然後透過網頁端讀取檔案中的資料，進行展示。
實時資料的儲存程式碼需要手動新增，在matlab每次作圖呼叫的函式中新增如下matlab程式碼：

date_str=datestr(now,31);
new_str = replace(date_str,' ','_'); 
new_str=replace(new_str,':','');#新增時間戳
filename=sprintf('./資料夾名/file_name_%s.mat',new_str);#定義檔案儲存相對位置
save(filename,"需要儲存的變數名");#儲存變數

2.2. 讀取相關資料，整理、打包、傳遞

2.2.1. 讀取.mat檔案

根據新增的程式碼，將會得到若干個.mat檔案，需要讀取.mat檔案的內容並整理成前端需要的格式。
在本文中，是定義一個資料夾名為A，每個時隙的實時資料儲存為一個.mat檔案，檔名為file_name_時間戳.mat，因此需要讀取資料夾A下的所有.mat檔案。
在python中讀取.mat檔案的具體程式碼如下：

#1.包匯入
import os
import scipy.io as sio

#2. 讀取資料
file_list=os.listdir("./資料夾名/")#讀取資料夾下所有檔名稱，形成列表
list_1=[]
list_2=[]
for file in file_list:#遍歷檔案列表
    file_content= sio.loadmat(f"./資料夾/{file}")#讀取檔案內容
    #這裡的寫法是根據我的.mat檔案結構來的，如果不一樣，需要根據自己的檔案結構進行修改
    list_1.append(file_content["之前儲存的變數名"][0].tolist())
    list_2.append(file_content["之前儲存的變數名"][1].tolist())
#之後得到的list_1和list_2就是前端需要的資料

#3. 傳遞給前端
result={
    "list_1或者其他變數名":list_1,
    "list_2或者其他變數名":list_2,
}
return jsonify(result)#資料打包為json格式，傳遞給前端

2.2.2. 讀取.xlsx檔案

在專案中，還需要讀取.xlsx檔案，這裡使用的是xlrd模組，具體程式碼如下：

##包匯入
import xlrd

# 1. 讀取檔案
file_path="檔案路徑"
#開啟表格
wb = xlrd.open_workbook(file_path)
ws = wb.sheet_by_name('Sheet1')

#資料讀取
list_1=[]
list_2=[]
n_rows = ws.nrows#獲取行數
for i in range(2,n_rows):#按行讀取，進行篩選
   list_1.append(float(ws.cell(i,7).value))
   list_2.append(float(ws.cell(i,7).value))
#之後得到的list_1和list_2就是前端需要的資料

#3. 傳遞給前端
result={
    "list_1或者其他變數名":list_1,
    "list_2或者其他變數名":list_2,
}
return jsonify(result)#資料打包為json格式，傳遞給前端

2.2.3. 讀取.txt/.log檔案

在專案中，還需要讀取某些文字檔案，例如日誌檔案儲存的相關資料，這裡使用的是file模組，具體資料讀取需要用到正規表示式相關知識，可參考部落格【python技巧】文字處理-re庫字元匹配，具體程式碼如下：


##方式1：要查詢的內容為：“serveraddr = xxx"，需要提取xxx
path= "檔案路徑"
with open(path, "r") as file:  
   for line in file:
       if "serveraddr" in line:
           serveraddr_match = re.search(r'serveraddr\s*=\s*"([^"]+)"', line)
           serveraddr = serveraddr_match.group(1) if serveraddr_match else ""

       elif "serverport" in line:
           serverport_match = re.search(r'serverport\s*=\s*"(\d+)"', line)
           serverport = (
               int(serverport_match.group(1)) if serverport_match else 0
           )

##方式2：要查詢的內容為：“itemxx: 資料1;資料2;資料3；”，需要提取xxx
path= "檔案路徑"
with open(path, "r") as file:
    lines = file.readlines()  # 一次讀取並存入lines中，行列表

for line in lines:  # 查詢lines中包含item的行
    if item in line:  # 待查詢的條目，提取關鍵資料
        line = line.strip("\n")  # 去掉換行符
        dataInOneLine = line.split(";")  # 分割資料
        dataInOneLine[0] = dataInOneLine[0].split(":")[1]  # 去掉item部分
        for i in range(0, len(dataInOneLine)):  # 去掉空格
            dataInOneLine[i] = dataInOneLine[i].strip()
        break  # 找到目標行，跳出迴圈
# 行遍歷完成，得到行遍歷結果dataInOneLine列表，儲存關鍵資料
line_content_list = {
    "itemName": item,
    "資料項1": dataInOneLine[0],
    "資料項2": dataInOneLine[1],
    "資料項3": dataInOneLine[2],
}
# 將字典存入result_list，result_list中儲存多條目的關鍵資料
result_list.append(line_content_list)

3. 功能3：執行liunx命令列

這是本專案較難的一個功能點，需要使用python程式連線伺服器，然後執行liunx命令，執行編譯指令和matlab程式碼，並且需要將liunx命令的輸出結果實時返回給前端。

3.1. 遠端連線伺服器

遠端伺服器連線使用的是paramiko模組，先使用pip install paramiko下載模組，具體程式碼如下：

import paramiko

#建立ssh連線，可以複用的公共函式
def create_ssh_client(ip, port, username, password):
    ssh_client = paramiko.SSHClient()
    ssh_client.load_system_host_keys()
    ssh_client.set_missing_host_key_policy(paramiko.AutoAddPolicy())
    ssh_client.connect(ip, port, username, password)#連線伺服器
    return ssh_client

#呼叫方式：
gnb_ssh_client = create_ssh_client(gnb_ip, gnb_port, gnb_username, gnb_password)
ue_ssh_client = create_ssh_client(ue_ip, ue_port, ue_username, ue_password)

【注意事項】:為了避免之後命令列執行可能存在的許可權問題和密碼輸入問題，推薦使用root身份進行ssh連線。

3.2. 執行liunx命令

一般來說，使用paramiko的invoke_shell函式，然後使用send函式傳送命令，使用recv函式接收命令執行結果，具體程式碼如下：

import paramiko

def execute_command(ssh_client, command, output_lines):
    channel = ssh_client.invoke_shell()
    channel.send(command + '\n')
    while not channel.exit_status_ready():
        time.sleep(1)

而關於command的具體寫法，這裡我簡單介紹一下：

單行命令：
直接字串賦值即可：

cmd="cd /home'

多行命令：

cmd1="cd /home"
cmd2="ls"
cmd3="其他指令"
cmd=cmd1+";"+cmd2+";"+cmd3+"\n"#這樣拼接之後，一次性傳送給伺服器就能按順序執行多條命令

特殊命令——matlab指令碼檔案執行
pyhton檔案透過遠端伺服器連線執行matlab指令碼檔案，這裡使用的是matlab -r命令，具體命令如下：

cmd="cd 指令碼檔案對應資料夾"+";"+"matlab -nodesktop -nosplash -r 指令碼檔名，不需要帶.m字尾"

特殊命令——伺服器檔案複製
在伺服器A的命令端，需要複製得到伺服器B的相關檔案，這裡使用的是scp命令，具體命令如下：

cmd="sshpass -p 伺服器B的密碼 scp -P 伺服器B的埠 root@伺服器B的IP:伺服器內的檔案路徑(例如 /home/user/copy_file.txt) 想要複製在伺服器A中的檔案位置，例如`/home/user/`"
#sshpass是為了避免scp命令需要輸入密碼，這裡直接將密碼寫在命令中

特殊命令——檔案許可權修改
在伺服器A的命令端修改相關檔案許可權，從而能夠被讀寫，這裡使用的是chmod命令，具體命令如下：

cmd="chmod 777 檔案路徑"

3.3. 多執行緒執行

為了實現下文的實時讀取輸出和隨時終止命令，都需要使用多執行緒方式，從而讓終端在執行命令列的時候，還能夠接收python傳送的新請求，返回終端資訊或者執行終止操作。
實現多執行緒需要用到threading模組，具體程式碼如下：

#包匯入
import threading
#全域性變數定義
gnb_ssh_client = None
ue_ssh_client = None
gnb_output_lines = []
ue_output_lines = []
execution_in_progress = False  # 用於標識執行是否正在進行中

@model_name.route("/start_process", methods=["POST"])
#需要非同步多執行緒的處理方式
def start_process():
    global gnb_ssh_client, ue_ssh_client, execution_in_progress,gnb_output_lines,ue_output_lines

    #前端傳遞引數
    #cmd定義

    #cmd拼接
    gnb_command="("+cmd1_gnb+";"+cmd2_gnb+";)"
    ue_command="(+"scp2ue_cmd_2+";"+cmd0_ue+";"+cmd1_ue+";"+cmd2_ue+";)"
    #連線ssh
    if gnb_ssh_client is None:
        gnb_ssh_client = create_ssh_client(gnb_ip, gnb_port, gnb_username, gnb_password)

    if ue_ssh_client is None:
        ue_ssh_client = create_ssh_client(ue_ip, ue_port, ue_username, ue_password)

    #執行命令
    gnb_output_lines=[]#先清空命令列輸出
    ue_output_lines=[]
    gnb_thread = threading.Thread(target=execute_command, args=(gnb_ssh_client, gnb_command, gnb_output_lines, "gnb"))
    ue_thread = threading.Thread(target=execute_command, args=(ue_ssh_client, ue_command, ue_output_lines, "ue"))

    execution_in_progress = True
    gnb_thread.start()
    ue_thread.start()

    return jsonify({"success": "Execution started.","execution_in_progress":execution_in_progress})
#ssh連線的公用函式
def create_ssh_client(ip, port, username, password):
    ssh_client = paramiko.SSHClient()
    ssh_client.load_system_host_keys()
    ssh_client.set_missing_host_key_policy(paramiko.AutoAddPolicy())
    ssh_client.connect(ip, port, username, password)
    return ssh_client

#命令執行的公用函式:注意和前文的程式碼區別，新增了多執行緒相關程式碼
def execute_command(ssh_client, command, output_lines, identifier):
    channel = ssh_client.invoke_shell()
    output_thread = threading.Thread(target=get_output, args=(channel, output_lines, identifier))
    output_thread.start()

    channel.send(command + '\n')

    while not channel.exit_status_ready():
        time.sleep(1)

    # 等待輸出執行緒完成
    output_thread.join()

3.4. 實時讀取liunx命令的輸出資料

按照多執行緒的方式執行程式碼之後，如何才能實時獲取命令列的輸出資料呢？
首先我們介紹一下整個命令列執行過程中，前後端所進行的操作：

step1：
- 前端：傳送命令列執行請求；
- 後端：呼叫命令列執行的介面(例如/start_process)
- 伺服器：建立ssh連線，執行命令列；
step2：
- 前端：按照一定的時間間隔，傳送資料請求；
- 後端：呼叫資料請求的介面(例如/get_output)
- 伺服器：繼續執行命令，命令列輸出資料被儲存在全域性變數中；
step3：
1. 前端：傳送終止命令列執行請求；
2. 後端：呼叫終止命令列執行的介面(例如/stop_process)
3. 伺服器：終止命令列執行，關閉ssh連線。

因此，此處的實時讀取命令列輸出資料，就是在step2中，前端按照一定的時間間隔，傳送資料請求，後端呼叫資料請求的介面，返回命令列輸出資料。具體程式碼如下：


@model_name.route('/get_output', methods=['POST', 'GET'])
def get_output():#讀取全域性變數內容即可
    global gnb_output_lines, ue_output_lines

    gnb_output = "\n".join(gnb_output_lines)
    ue_output = "\n".join(ue_output_lines)

    return jsonify({
        "gnb_output": gnb_output,
        "ue_output": ue_output
    })

def execute_command(ssh_client, command, output_lines, identifier):
    channel = ssh_client.invoke_shell()
    output_thread = threading.Thread(target=get_output, args=(channel, output_lines, identifier))#這一步是關鍵，將命令列輸出資料儲存在全域性變數中
    output_thread.start()

    channel.send(command + '\n')

    while not channel.exit_status_ready():
        time.sleep(1)

    # 等待輸出執行緒完成
    output_thread.join()

def get_output(channel, output_lines, identifier):#核心程式碼，將命令列執行的輸出資料儲存在全域性變數中，需要和上文的`execute_command`函式配合使用
    while not channel.exit_status_ready():
        if channel.recv_ready():
            output = channel.recv(1024).decode('utf-8')
            lines = output.split('\n')
            for line in lines:
                if line.strip():
                    formatted_line = f"[{identifier}]：{line.strip()}"
                    #print(formatted_line)
                    output_lines.append(formatted_line)

3.5. 隨時終止liunx命令的執行

這個功能是為了避免指令執行無法自行終止，需要使用者手動選擇結束模擬。
在多執行緒的命令列執行中，前端傳送請求，而後端在原有ssh連線的基礎上，傳送終止命令，具體程式碼如下：

@model_name.route('/stop_process', methods=['POST'])
def stop_process():
    global gnb_ssh_client, ue_ssh_client, execution_in_progress

    if not execution_in_progress:#如果沒有命令列執行，返回錯誤資訊
        return jsonify({"error": "No execution in progress.","execution_in_progress":execution_in_progress})

    if ue_ssh_client is not None:#斷開ued的ssh連線
        stop_execution(ue_ssh_client)
        ue_ssh_client.close()
        ue_ssh_client = None

    if gnb_ssh_client is not None:#斷開gnb的ssh連線
        stop_execution(gnb_ssh_client)
        gnb_ssh_client.close()
        gnb_ssh_client = None

    execution_in_progress = False

    return jsonify({"success": "Execution stopped.","execution_in_progress":execution_in_progress})

#終止指令執行的公用函式
def stop_execution(ssh_client):
    ssh_client.invoke_shell().send('\x03')  # 傳送Ctrl+C來終止命令

4. 其他收穫

4.1. 異常處理

在後端程式執行過程中，可能會出現各種checked exeption，這類異常需要程式設計師進行捕獲，不然則會影響程式的執行，產生報錯，而這裡我們可以將這些異常捕獲之後，將資訊作為返回值傳遞給前端，從而讓使用者知道程式執行成功與否。
具體程式碼結構如下：

@model_name.route('/function_name', methods=['POST'])
def function_name():
    try:
       #程式執行程式碼
    except Exception as e:
       return jsonify({"error": str(e)})
    finally:
       #程式執行結束後的程式碼，例如return jsonify({"success": "Execution stopped."})

4.2 日誌生成

在上一篇部落格中，我們提到了分模組的flask專案結構，而日誌部分的處理，需要在主檔案app.py中。新增如下程式碼：

import logging

log_filename = 'app.log'  # 日誌檔名
log_level = logging.DEBUG  # 日誌級別
log_format = '%(asctime)s - %(name)s - %(levelname)s - %(message)s'  # 日誌格式

# 配置日誌
logging.basicConfig(filename=os.path.join(os.path.dirname(__file__), log_filename), level=log_level, format=log_format)

則可以在程式執行過程中，將日誌資訊儲存在app.log檔案中，相關報錯資訊也會儲存在該檔案中，方便程式設計師進行除錯。

4.3 環境部署

當我們在本地進行程式開發之後，需要將程式部署到伺服器上，而遷移到伺服器上或者別人的電腦上，需要安裝相關的環境。在這種情況下，我們可以將自己開發用到的包進行打包，然後在伺服器上進行安裝，具體步驟如下：

將當前環境中的包資訊儲存在requirements.txt檔案中，儲存在當前資料夾目錄下

pip freeze > requirements.txt

將整個專案檔案打包之後，其他人可使用如下命令進行安裝：

pip install -r requirements.txt

4.4. vscode遠端連線伺服器

當我們在伺服器上部署完專案程式碼之後，可能會經過多次測試和除錯，因此程式碼會不斷被修改，且會被無數次的執行，如果每次都是本地修改＋伺服器部署執行，實在有些不夠優雅，因此，我們可以試著把自己的本地編輯器連線到伺服器上，這樣就可以在本地進行伺服器端程式碼的修改，然後直接在伺服器上執行，這樣就可以避免每次修改都需要部署的麻煩。
我在專案中使用的是vscode，具體步驟如下：

外掛安裝：Remote-SSH
選擇新建遠端，輸入ssh連線資訊
連線之後選擇想要編輯的專案資料夾，即可在本地編輯器中進行伺服器端程式碼的修改；
除錯的時候可使用vscode進行執行、部署；

具體的配置細節，可參考部落格

5. 專案感受

專案的檔案讀寫、伺服器連線等都是非常有趣的功能，多執行緒解決實時輸出算是一個較大的技術難點；
專案本身難度不大，主要難點在於理解業務本身，如果有相對應的業務文件，可能開發效率會更高一點；
後端開發部分也需要了解基本的前端知識，例如前後端資料傳遞、前端頁面的渲染等，這樣才能更好的理解前端的需求，從而更好的進行後端開發；
專案對接需要良好的文件編輯能力和溝通能力；
相關業務的具體實現，也是體現個人智慧的時刻，具體的開發技術和解決問題的智慧都是必不可少的，開發技術是工具，而我們需要用自己已有的工具去實現某些功能，這是一種思維方式，也是一種能力。，當然，技術會的越多，能用的工具越多，解決問題的思路就不會被限制；
總會有開發者不會的東西，這是一個學習的過程，重點在於不斷地學習，虛心請教和快速掌握。

6. 後記

如果覺得我寫得還算不錯，不妨點贊關注一波走起~
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Flask後端開發(二) - 功能實現和專案總結

Flask後端開發(二) - 功能實現和專案總結

1. 功能1：修改檔案引數值

1.1. 獲取網頁端傳參

1.2. 讀取檔案

1.2.1. 一般檔案讀取方式

1.2.2. 特殊檔案 —— mlx檔案

1.2.3. 特殊檔案 —— .xlx檔案

1.3. 查詢資料修改位置，替換資料

2. 功能2：讀取結果資料

2.1. 實時資料展示如何儲存相關資料？

2.2. 讀取相關資料，整理、打包、傳遞

2.2.1. 讀取.mat檔案

2.2.2. 讀取.xlsx檔案

2.2.3. 讀取.txt/.log檔案

3. 功能3：執行liunx命令列

3.1. 遠端連線伺服器

3.2. 執行liunx命令

3.3. 多執行緒執行

3.4. 實時讀取liunx命令的輸出資料

3.5. 隨時終止liunx命令的執行

4. 其他收穫

4.1. 異常處理

4.2 日誌生成

4.3 環境部署

4.4. vscode遠端連線伺服器

5. 專案感受

6. 後記

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