伺服器端 Web 框架

上一篇文章向您展示了 Web 客戶端和伺服器之間的通訊方式、HTTP 請求和響應的本質，以及伺服器端 Web 應用程式為了響應來自 Web 瀏覽器的請求需要做什麼。有了這些知識，現在是時候探索 Web 框架如何簡化這些任務，並讓您瞭解如何為您的第一個伺服器端 Web 應用程式選擇框架。

先決條件 基本瞭解伺服器端程式碼如何處理和響應 HTTP 請求（請參閱客戶端-伺服器概述）。
目標 瞭解 Web 框架如何簡化伺服器端程式碼的開發/維護，並引導讀者思考為自己的開發選擇框架。

以下部分使用從真實 Web 框架中提取的程式碼片段來說明一些要點。如果現在還不完全理解，請不要擔心；我們將在框架特定的模組中逐步引導您完成程式碼。

概述

伺服器端 Web 框架（也稱為“Web 應用程式框架”）是軟體框架，使編寫、維護和擴充套件 Web 應用程式變得更容易。它們提供簡化常見 Web 開發任務的工具和庫，包括將 URL 路由到相應的處理程式、與資料庫互動、支援會話和使用者授權、格式化輸出（例如 HTML、JSON、XML）以及增強針對 Web 攻擊的安全性。

下一節將更詳細地介紹 Web 框架如何簡化 Web 應用程式開發。然後，我們將解釋您可以用於選擇 Web 框架的一些標準，並列出一些選項。

Web 框架可以為您做什麼？

Web 框架提供工具和庫來簡化常見的 Web 開發操作。您**不必**使用伺服器端 Web 框架，但強烈建議您使用——它會讓您的生活變得輕鬆很多。

本節討論 Web 框架通常提供的一些功能（並非每個框架都一定會提供所有這些功能！）。

直接處理 HTTP 請求和響應

正如我們在上一篇文章中看到的，Web 伺服器和瀏覽器透過 HTTP 協議進行通訊——伺服器等待來自瀏覽器的 HTTP 請求，然後在 HTTP 響應中返回資訊。Web 框架允許您編寫簡化的語法，該語法將生成伺服器端程式碼以處理這些請求和響應。這意味著您的工作將更容易，與更簡單、更高級別的程式碼互動，而不是更低階的網路原語。

以下示例顯示了這在 Django（Python）Web 框架中的工作方式。每個“檢視”函式（請求處理程式）都會接收包含請求資訊的HttpRequest物件，並需要返回一個包含格式化輸出（在本例中為字串）的HttpResponse物件。

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')

將請求路由到相應的處理程式

大多數站點將提供許多不同的資源，可以透過不同的 URL 訪問。在一個函式中處理所有這些資源將難以維護，因此 Web 框架提供了簡單的機制來將 URL 模式對映到特定的處理程式函式。這種方法在維護方面也具有優勢，因為您可以更改用於提供特定功能的 URL，而無需更改底層程式碼。

不同的框架使用不同的機制進行對映。例如，Flask（Python）Web 框架使用裝飾器將路由新增到檢視函式。

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

而 Django 則期望開發人員定義一個 URL 對映列表，該列表將 URL 模式與檢視函式關聯起來。

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

輕鬆訪問請求中的資料

資料可以透過多種方式編碼在 HTTP 請求中。用於從伺服器獲取檔案或資料的 HTTP GET 請求可能會在 URL 引數或 URL 結構中對所需資料進行編碼。用於更新伺服器上資源的 HTTP POST 請求將改為在請求正文中包含更新資訊作為“POST 資料”。HTTP 請求還可能在客戶端 cookie 中包含有關當前會話或使用者的資訊。

Web 框架提供與程式語言相關的機制來訪問這些資訊。例如，Django 傳遞給每個檢視函式的HttpRequest物件包含用於訪問目標 URL、請求型別（例如 HTTP GET）、GET 或 POST 引數、cookie 和會話資料等的方法和屬性。Django 還可以透過在 URL 對映器中定義“捕獲模式”來傳遞編碼在 URL 結構中的資訊（請參見上一節中的最後一個程式碼片段）。

抽象和簡化資料庫訪問

網站使用資料庫來儲存資訊，這些資訊既可以與使用者共享，也可以與使用者相關。Web 框架通常提供一個數據庫層，該層抽象了資料庫的讀取、寫入、查詢和刪除操作。此抽象層稱為物件關係對映 (ORM)。

使用 ORM 有兩個好處

  • 您可以替換底層資料庫，而無需更改使用它的程式碼。這允許開發人員根據其使用情況最佳化不同資料庫的特性。
  • 可以在框架內實現基本的資料驗證。這使得檢查資料是否儲存在正確型別的資料庫欄位中、是否具有正確的格式（例如電子郵件地址）以及是否以任何方式具有惡意性變得更容易和更安全（駭客可以使用某些程式碼模式來執行有害操作，例如刪除資料庫記錄）。

例如，Django Web 框架提供了一個 ORM，並將用於定義記錄結構的物件稱為模型。模型指定要儲存的欄位型別，這些型別可能會對可以儲存的資訊進行欄位級驗證（例如，電子郵件欄位將僅允許有效的電子郵件地址）。欄位定義還可以指定其最大大小、預設值、選擇列表選項、文件的幫助文字、表單的標籤文字等。模型不會宣告任何有關底層資料庫的資訊，因為這是可以與我們的程式碼分開更改的配置設定。

下面的第一個程式碼片段顯示了一個非常簡單的 Django 模型，用於Team物件。它將團隊名稱和團隊級別儲存為字元欄位，並指定每個記錄要儲存的最大字元數。team_level是一個選擇欄位，因此我們還提供了一個對映，用於在要顯示的選擇和要儲存的資料之間進行對映，以及一個預設值。

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 模型提供了一個簡單的查詢 API 用於搜尋資料庫。它可以根據多個欄位同時匹配，使用不同的條件（例如，精確匹配、不區分大小寫、大於等），並且可以支援複雜的語句（例如，您可以指定搜尋 U11 團隊，這些團隊的團隊名稱以“Fr”開頭或以“al”結尾）。

第二個程式碼片段顯示了一個用於顯示我們所有 U09 團隊的檢視函式（資源處理程式）。在本例中，我們指定希望篩選所有team_level欄位完全包含文字“U09”的記錄（請注意，下面是如何將此條件作為引數傳遞給filter()函式，其中欄位名稱和匹配型別用雙下劃線分隔：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)

呈現資料

Web 框架通常提供模板系統。這些系統允許您使用佔位符指定輸出文件的結構，這些佔位符將在生成頁面時新增資料。模板通常用於建立 HTML，但也可以建立其他型別的文件。

Web 框架通常提供一種機制，可以輕鬆地從儲存的資料生成其他格式，包括JSON和XML。

例如，Django 模板系統允許您使用“雙花括號”語法（例如{{ variable_name }}）指定變數，這些變數將在渲染頁面時由檢視函式傳遞的值替換。模板系統還支援表示式（語法：{% expression %}），這些表示式允許模板執行簡單的操作，例如迭代傳遞到模板的列表值。

注意：許多其他模板系統使用類似的語法，例如：Jinja2（Python）、Handlebars（JavaScript）、Moustache（JavaScript）等。

下面的程式碼片段顯示了它是如何工作的。繼續上一節中“最年輕的團隊”示例，HTML 模板透過檢視傳遞了一個名為youngest_teams的列表變數。在 HTML 骨架內部，我們有一個表示式，首先檢查youngest_teams變數是否存在，然後在for迴圈中迭代它。在每次迭代中，模板都會在列表項中顯示團隊的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>

如何選擇 Web 框架

幾乎每種您可能想要使用的程式語言都存在許多 Web 框架（我們在下一節中列出了一些更流行的框架）。有如此多的選擇，確定哪個框架為您的新 Web 應用程式提供了最佳起點可能會變得很困難。

一些可能影響您決策的因素包括

  • 學習難度：學習 Web 框架的難度取決於您對底層程式語言的熟悉程度、其 API 的一致性、其文件的質量以及其社群的大小和活躍度。如果您完全沒有程式設計經驗，那麼請考慮使用 Django（根據上述標準，它是最容易學習的框架之一）。如果您是開發團隊的一員，並且該團隊已經擁有使用特定 Web 框架或程式語言的豐富經驗，那麼堅持使用該框架是有意義的。
  • 生產力：生產力衡量的是您在熟悉框架後建立新功能的速度，包括編寫和維護程式碼的工作量（因為您無法在舊功能出現故障時編寫新功能）。影響生產力的許多因素與“學習難度”的因素類似——例如文件、社群、程式設計經驗等——其他因素包括
    • 框架目的/起源：一些 Web 框架最初是為了解決某些型別的問題而建立的，並且在建立具有類似約束的 Web 應用程式方面仍然更好。例如，Django 是為了支援報紙網站的開發而建立的，因此它非常適合部落格和其他涉及釋出內容的網站。相比之下，Flask 是一個更輕量級的框架，非常適合建立在嵌入式裝置上執行的 Web 應用程式。
    • 有主見 vs. 無主見：有主見框架是指其中有一些推薦的解決特定問題的“最佳”方法。當您嘗試解決常見問題時，有主見的框架往往會提高生產力，因為它們會引導您走向正確的方向，但是它們有時靈活性較差。
    • 自帶電池 vs. 自己獲取：一些 Web 框架包含預設解決其開發人員能夠想到的每個問題的工具/庫，而更輕量級的框架則期望 Web 開發人員從單獨的庫中挑選和選擇問題的解決方案（Django 是前者的一個示例，而 Flask 是一個非常輕量級框架的示例）。包含所有內容的框架通常更容易上手，因為您已經擁有所需的一切，並且很有可能它已很好地整合和記錄。但是，如果一個較小的框架擁有您（將來會）需要的一切，那麼它可以在更多受限的環境中執行，並且將擁有一個更小且更容易學習的子集。

    • 框架是否鼓勵良好的開發實踐：例如，一個鼓勵使用模型-檢視-控制器架構將程式碼分離成邏輯功能的框架，將比沒有對開發者期望的框架產生更易維護的程式碼。類似地，框架設計會對程式碼的易測試性和可重用性產生重大影響。
  • 框架/程式語言的效能：通常，“速度”不是選擇中最重要的因素，因為即使是像 Python 這樣相對較慢的執行時，對於在中等硬體上執行的中型網站來說也足夠好了。另一種語言（例如 C++ 或 JavaScript）的感知速度優勢，很可能會被學習和維護的成本所抵消。
  • 快取支援：隨著您網站的日益成功，您可能會發現它無法應對使用者訪問時接收到的請求數量。此時，您可能會考慮新增快取支援。快取是一種最佳化，您可以在其中儲存 Web 響應的全部或部分內容，以便在後續請求時無需重新計算。返回快取的響應比從頭計算響應快得多。可以在您的程式碼或伺服器中實現快取（請參閱反向代理）。Web 框架將對定義哪些內容可以快取提供不同級別的支援。
  • 可擴充套件性：一旦您的網站獲得了巨大的成功，您將耗盡快取帶來的好處，甚至達到垂直擴充套件（在更強大的硬體上執行您的 Web 應用程式）的極限。此時，您可能需要水平擴充套件（透過將您的網站分佈到多個 Web 伺服器和資料庫來分擔負載）或“地理位置”擴充套件，因為一些客戶位於遠離您的伺服器很遠的地方。您選擇的 Web 框架可以在您擴充套件網站的難易程度上產生很大影響。
  • Web 安全性：一些 Web 框架為處理常見的 Web 攻擊提供了更好的支援。例如，Django 會對來自 HTML 模板的所有使用者輸入進行清理，以便無法執行使用者輸入的 JavaScript。其他框架也提供了類似的保護，但並非總是預設啟用的。

還有許多其他可能的因素，包括許可證、框架是否處於活躍開發狀態等。

如果您是程式設計的絕對初學者，那麼您可能會根據“易學性”來選擇您的框架。除了語言本身的“易用性”之外，高質量的文件/教程和幫助新使用者的活躍社群是您最寶貴的資源。我們選擇了Django（Python）和Express（Node/JavaScript）來編寫我們在課程後面的示例，主要是因為它們易於學習並且有良好的支援。

注意：讓我們訪問Django（Python）和Express（Node/JavaScript）的主要網站，並檢視它們的文件和社群。

  1. 導航到主要網站（上面連結）。
    • 點選文件菜單鏈接（命名為“文件”、“指南”、“API 參考”、“入門”等）。
    • 您能否看到顯示如何設定 URL 路由、模板和資料庫/模型的主題？
    • 文件是否清晰？
  2. 導航到每個網站的郵件列表（可以透過“社群”連結訪問）。
    • 過去幾天釋出了多少個問題？
    • 有多少個問題得到了回覆？
    • 它們是否有活躍的社群？

一些優秀的 Web 框架？

現在讓我們繼續，並討論一些特定的伺服器端 Web 框架。

以下伺服器端框架代表了一些在撰寫本文時最流行的框架。它們都具備您提高工作效率所需的一切——它們是開源的，正在積極開發中，擁有熱情的社群建立文件並在討論板上幫助使用者，並且被大量高知名度的網站使用。您可以使用基本的網際網路搜尋發現許多其他優秀的伺服器端框架。

注意：描述來自（部分）框架網站！

Django (Python)

Django 是一個高階 Python Web 框架，它鼓勵快速開發和簡潔、務實的的設計。由經驗豐富的開發人員構建，它處理了 Web 開發的大部分繁瑣工作，因此您可以專注於編寫您的應用程式，而無需重新發明輪子。它是免費且開源的。

Django 遵循“包含電池”的理念，並提供了大多數開發人員可能想要“開箱即用”執行的大部分操作。由於所有內容都包含在內，因此它們可以協同工作，遵循一致的設計原則，並擁有廣泛且最新的文件。它還快速、安全且非常可擴充套件。基於 Python 的 Django 程式碼易於閱讀和維護。

使用 Django 的熱門網站（來自 Django 主頁）包括：Disqus、Instagram、Knight Foundation、MacArthur Foundation、Mozilla、National Geographic、Open Knowledge Foundation、Pinterest、Open Stack。

Flask (Python)

Flask 是 Python 的一個微框架。

雖然簡約，但 Flask 可以開箱即用地建立大型網站。它包含一個開發伺服器和偵錯程式，幷包含對Jinja2 模板、安全 Cookie、單元測試和RESTful 請求分派的支援。它有良好的文件和活躍的社群。

Flask 變得非常流行，特別是在需要在小型、資源受限的系統上提供 Web 服務的開發人員中（例如，在Raspberry Pi、無人機控制器等上執行 Web 伺服器）。

Express (Node.js/JavaScript)

Express 是一個快速、不拘泥於形式、靈活且簡約的Node.js（Node 是一個無瀏覽器環境，用於執行 JavaScript）Web 框架。它為 Web 和移動應用程式提供了一套強大的功能，並提供了有用的 HTTP 實用程式方法和中介軟體。

Express 非常流行，部分原因在於它簡化了客戶端 JavaScript Web 程式設計師向伺服器端開發的遷移，部分原因在於它資源效率高（底層 Node 環境在單個執行緒內使用輕量級多工處理，而不是為每個新的 Web 請求生成單獨的程序）。

由於 Express 是一個簡約的 Web 框架，因此它沒有包含您可能想要使用的每個元件（例如，資料庫訪問和對使用者和會話的支援是透過獨立庫提供的）。有很多優秀的獨立元件，但有時很難確定哪個最適合特定目的！

許多流行的伺服器端和全棧框架（包括伺服器端和客戶端框架）都基於 Express，包括Feathers、ItemsAPI、KeystoneJS、Kraken、LoopBack、MEAN和Sails。

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

Deno (JavaScript)

Deno 是一個簡單、現代且安全的JavaScript/TypeScript 執行時和框架，構建在 Chrome V8 和Rust之上。

Deno 由Tokio提供支援——一個基於 Rust 的非同步執行時，它可以更快地提供 Web 頁面。它還內部支援WebAssembly，這使得可以編譯二進位制程式碼以在客戶端使用。Deno 旨在填補Node.js中的一些漏洞，提供一種自然地保持更好安全性的機制。

Deno 的功能包括

  • 預設安全。 Deno 模組限制對檔案、網路或環境的訪問許可權，除非明確允許。
  • 開箱即用的 TypeScript 支援。
  • 一流的 await 機制。
  • 內建測試工具和程式碼格式化程式（deno fmt）
  • （JavaScript）瀏覽器相容性：完全用 JavaScript 編寫的 Deno 程式，不包括Deno名稱空間（或對其進行功能測試），應該可以直接在任何現代瀏覽器中執行。
  • 將指令碼捆綁到單個 JavaScript 檔案中。

Deno 提供了一種簡單而強大的方法，可以使用 JavaScript 進行客戶端和伺服器端程式設計。

Ruby on Rails (Ruby)

Rails（通常稱為“Ruby on Rails”）是用 Ruby 程式語言編寫的 Web 框架。

Rails 遵循與 Django 非常相似的設計理念。與 Django 一樣，它提供了用於路由 URL、從資料庫訪問資料、從模板生成 HTML 以及將資料格式化為JSON或XML的標準機制。它同樣鼓勵使用設計模式，如 DRY（“不要重複自己”——如果可能，只編寫一次程式碼）、MVC（模型-檢視-控制器）和許多其他模式。

當然，由於特定的設計決策和語言的性質，存在許多差異。

Rails 已被用於高知名度的網站，包括：Basecamp、GitHub、Shopify、Airbnb、Twitch、SoundCloud、Hulu、Zendesk、Square、Highrise。

Laravel (PHP)

Laravel 是一個具有表達性、優雅語法的 Web 應用程式框架。Laravel 試圖透過簡化大多數 Web 專案中使用的常見任務來減輕開發工作，例如

Laravel 易於訪問，但功能強大，提供了大型、健壯應用程式所需的工具。

ASP.NET

ASP.NET 是由微軟開發的開源 Web 框架，用於構建現代 Web 應用程式和服務。使用 ASP.NET，您可以快速建立基於 HTML、CSS 和 JavaScript 的網站，將其擴充套件以供數百萬使用者使用，並輕鬆新增更復雜的功能，如 Web API、資料表單或即時通訊。

ASP.NET 的一個區別在於它構建在公共語言執行時（CLR）之上，允許程式設計師使用任何受支援的 .NET 語言（C#、Visual Basic 等）編寫 ASP.NET 程式碼。與許多微軟產品一樣，它受益於優秀的工具（通常是免費的）、活躍的開發者社群和編寫良好的文件。

ASP.NET 被微軟、Xbox.com、Stack Overflow 等許多公司使用。

Mojolicious (Perl)

Mojolicious 是 Perl 程式語言的下一代 Web 框架。

在 Web 早期，許多人學習 Perl 是因為一個很棒的 Perl 庫，叫做 CGI。它足夠簡單，即使你對這門語言瞭解不多也能上手，並且功能強大到足以讓你繼續使用。Mojolicious 使用最前沿的技術實現了這一理念。

Mojolicious 提供的一些特性包括：

  • 一個即時的 Web 框架，可以輕鬆地將單檔案原型擴充套件為結構良好的 MVC Web 應用程式。
  • RESTful 路由、外掛、命令、Perl 風格的模板、內容協商、會話管理、表單驗證、測試框架、靜態檔案伺服器、CGI/PSGI 檢測以及一流的 Unicode 支援。
  • 一個完整的 HTTP 和 WebSocket 客戶端/伺服器實現，支援 IPv6、TLS、SNI、IDNA、HTTP/SOCKS5 代理、UNIX 域套接字、Comet（長輪詢）、保持活動、連線池、超時、Cookie、多部分和 gzip 壓縮。
  • JSON 和 HTML/XML 解析器和生成器，支援 CSS 選擇器。
  • 非常簡潔、可移植且面向物件的純 Perl API，沒有隱藏的魔法。
  • 基於多年經驗的新程式碼，免費且開源。

Spring Boot (Java)

Spring Boot 是 Spring 提供的眾多專案之一。它是使用 Java 進行伺服器端 Web 開發的一個良好起點。

雖然它絕對不是唯一一個基於 Java 的框架，但它易於使用，可以建立獨立的、生產級的基於 Spring 的應用程式，你可以“直接執行”。它對 Spring 平臺和第三方庫持有特定的觀點，但允許你以最少的麻煩和配置開始。

它可以用於解決小問題，但其優勢在於構建使用雲方法的大規模應用程式。通常，多個應用程式並行執行並相互通訊，其中一些提供使用者互動，另一些執行後端工作（例如訪問資料庫或其他服務）。負載均衡器有助於確保冗餘性和可靠性，或允許對使用者請求進行地理位置處理以確保響應能力。

總結

本文表明，Web 框架可以使開發和維護伺服器端程式碼變得更容易。它還提供了幾個流行框架的高階概述，並討論了選擇 Web 應用程式框架的標準。你現在至少應該瞭解如何為自己的伺服器端開發選擇 Web 框架。如果沒有，也不用擔心——稍後在本課程中，我們將為您提供 Django 和 Express 的詳細教程，讓您體驗實際使用 Web 框架。

在本模組的下一篇文章中，我們將稍微改變方向，考慮 Web 安全性。