Flask を使用して Kubernetes 上に Python マイクロサービスを構築する

#マイクロサービスはドメイン駆動設計 (DDD) に従っており、開発プラットフォームとは何の関係もありません。 Python マイクロサービスも例外ではありません。 Python3 のオブジェクト指向の性質により、DDD の観点からサービスをモデル化することが容易になります。

マイクロサービス アーキテクチャの力は、その多言語性にあります。企業はその機能を一連のマイクロサービスに分割し、各チームは自由にプラットフォームを選択できます。

当社のユーザー管理システムは、追加、検索、検索、ログ サービスという 4 つのマイクロサービスに分解されています。追加されたサービスは Java プラットフォームで開発され、復元性と拡張性を確保するために Kubernetes クラスターにデプロイされます。これは、残りのサービスも Java で開発しなければならないという意味ではなく、個々のサービスに適したプラットフォームを自由に選択することができます。

検索サービスを開発するプラットフォームとして Python を選択しましょう。サービスを見つけるためのモデルは設計されているので (2022 年 3 月の記事を参照)、このモデルをコードと構成に変換するだけです。

Python 的アプローチ

Python は、約 30 年前から存在する汎用プログラミング言語です。初期の段階では、これは自動化スクリプトの主な選択肢でした。しかし、DjangoやFlaskといったフレームワークの登場により人気が高まり、エンタープライズアプリケーション開発などさまざまな分野で利用されるようになりました。データ サイエンスと機械学習によりその成長がさらに促進され、Python は現在、トップ 3 プログラミング言語の 1 つとなっています。

多くの人は、Python の成功はコーディングの容易さによるものだと考えています。これは理由の一部にすぎません。小さなスクリプトを開発することが目的である限り、Python は本当に楽しめるおもちゃのようなものです。ただし、本格的な大規模アプリケーション開発の領域に入ると、多くの if と else に対処する必要があります。 Python は他のプラットフォームと同じくらい良くても悪くても変わります。たとえば、オブジェクト指向のアプローチを採用してください。多くの Python 開発者は、Python がクラスや継承などをサポートしていることさえ知らないかもしれません。 Python は本格的なオブジェクト指向開発をサポートしていますが、Python 独自の方法で、Python 的です。調べてみましょう!

ドメイン モデル

AddService データを MySQL データベースに保存することにより、システムにユーザーを追加します。 FindService 目標は、ユーザー名でユーザーを検索するための REST API を提供することです。ドメイン モデルを図 1 に示します。これは主に、 User エンティティの Name 、 PhoneNumber 、 などのいくつかの値オブジェクトで構成されます。ユーザーリポジトリ 。

図 1: サービスを見つけるためのドメイン モデル

名前 から始めましょう。これは値オブジェクトであるため、作成時に検証され、不変のままでなければなりません。基本的な構造は次のとおりです。

class Name:value: strdef __post_init__(self):if self.value is None or len(self.value.strip()) < 8 or len(self.value.strip()) > 32:raise ValueError("Invalid Name")

ご覧のとおり、 Name には文字列型の値が含まれています。これは初期化後の一環として検証されます。

Python 3.7 提供了 ​​@dataclass​​ 装饰器，它提供了许多开箱即用的数据承载类的功能，如构造函数、比较运算符等。如下是装饰后的 ​​Name​​ 类：

from dataclasses import dataclass@dataclassclass Name:value: strdef __post_init__(self):if self.value is None or len(self.value.strip()) < 8 or len(self.value.strip()) > 32:raise ValueError("Invalid Name")

以下代码可以创建一个 ​​Name​​ 对象：

name = Name("Krishna")

​​value​​ 属性可以按照如下方式读取或写入：

name.value = "Mohan"print(name.value)

可以很容易地与另一个 ​​Name​​ 对象比较，如下所示：

other = Name("Mohan")if name == other:print("same")

如你所见，对象比较的是值而不是引用。这一切都是开箱即用的。我们还可以通过冻结对象使对象不可变。这是 ​​Name​​ 值对象的最终版本：

from dataclasses import dataclass@dataclass(frozen=True)class Name:value: strdef __post_init__(self):if self.value is None or len(self.value.strip()) < 8 or len(self.value.strip()) > 32:raise ValueError("Invalid Name")

​​PhoneNumber​​ 也遵循类似的方法，因为它也是一个值对象：

@dataclass(frozen=True)class PhoneNumber:value: intdef __post_init__(self):if self.value < 9000000000:raise ValueError("Invalid Phone Number")

​​User​​ 类是一个实体，不是一个值对象。换句话说，​​User​​ 是可变的。以下是结构：

from dataclasses import dataclassimport datetime@dataclassclass User:_name: Name_phone: PhoneNumber_since: datetime.datetimedef __post_init__(self):if self._name is None or self._phone is None:raise ValueError("Invalid user")if self._since is None:self.since = datetime.datetime.now()

你能观察到 ​​User​​ 并没有冻结，因为我们希望它是可变的。但是，我们不希望所有属性都是可变的。标识字段如 ​​_name​​ 和 ​​_since​​ 是希望不会修改的。那么，这如何做到呢？

Python3 提供了所谓的描述符协议，它会帮助我们正确定义 getter 和 setter。让我们使用 ​​@property​​ 装饰器将 getter 添加到 ​​User​​ 的所有三个字段中。

@propertydef name(self) -> Name:return self._name@propertydef phone(self) -> PhoneNumber:return self._phone@propertydef since(self) -> datetime.datetime:return self._since

​​phone​​ 字段的 setter 可以使用 ​​@.setter​​ 来装饰：

@phone.setterdef phone(self, phone: PhoneNumber) -> None:if phone is None:raise ValueError("Invalid phone")self._phone = phone

通过重写 ​​__str__()​​ 函数，也可以为 ​​User​​ 提供一个简单的打印方法：

def __str__(self):return self.name.value + " [" + str(self.phone.value) + "] since " + str(self.since)

这样，域模型的实体和值对象就准备好了。创建异常类如下所示：

class UserNotFoundException(Exception):pass

域模型现在只剩下 ​​UserRepository​​ 了。Python 提供了一个名为 ​​abc​​ 的有用模块来创建抽象方法和抽象类。因为 ​​UserRepository​​ 只是一个接口，所以我们可以使用 ​​abc​​ 模块。

任何继承自 ​​abc.ABC​​ 的类都将变为抽象类，任何带有 ​​@abc.abstractmethod​​ 装饰器的函数都会变为一个抽象函数。下面是 ​​UserRepository​​ 的结构：

from abc import ABC, abstractmethodclass UserRepository(ABC):@abstractmethoddef fetch(self, name:Name) -> User:pass

​​UserRepository​​ 遵循仓储模式。换句话说，它在 ​​User​​ 实体上提供适当的 CRUD 操作，而不会暴露底层数据存储语义。在本例中，我们只需要 ​​fetch()​​ 操作，因为 ​​FindService​​ 只查找用户。

因为 ​​UserRepository​​ 是一个抽象类，我们不能从抽象类创建实例对象。创建对象必须依赖于一个具体类实现这个抽象类。数据层 ​​UserRepositoryImpl​​ 提供了 ​​UserRepository​​ 的具体实现：

class UserRepositoryImpl(UserRepository):def fetch(self, name:Name) -> User:pass

由于 ​​AddService​​ 将用户数据存储在一个 MySQL 数据库中，因此 ​​UserRepositoryImpl​​ 也必须连接到相同的数据库去检索数据。下面是连接到数据库的代码。注意，我们正在使用 MySQL 的连接库。

from mysql.connector import connect, Errorclass UserRepositoryImpl(UserRepository):def fetch(self, name:Name) -> User:try:with connect(host="mysqldb",user="root",password="admin",database="glarimy",) as connection:with connection.cursor() as cursor:cursor.execute("SELECT * FROM ums_users where name=%s", (name.value,))row = cursor.fetchone()if cursor.rowcount == -1:raise UserNotFoundException()else:return User(Name(row[0]), PhoneNumber(row[1]), row[2])except Error as e:raise e

在上面的片段中，我们使用用户 ​​root​​ / 密码 ​​admin​​ 连接到一个名为 ​​mysqldb​​ 的数据库服务器，使用名为 ​​glarimy​​ 的数据库（模式）。在演示代码中是可以包含这些信息的，但在生产中不建议这么做，因为这会暴露敏感信息。

​​fetch()​​ 操作的逻辑非常直观，它对 ​​ums_users​​ 表执行 SELECT 查询。回想一下，​​AddService​​ 正在将用户数据写入同一个表中。如果 SELECT 查询没有返回记录，​​fetch()​​ 函数将抛出 ​​UserNotFoundException​​ 异常。否则，它会从记录中构造 ​​User​​ 实体并将其返回给调用者。这没有什么特殊的。

应用层

最终，我们需要创建应用层。此模型如图 2 所示。它只包含两个类：控制器和一个 DTO。

图 2: 添加服务的应用层

众所周知，一个 DTO 只是一个没有任何业务逻辑的数据容器。它主要用于在 ​​FindService​​ 和外部之间传输数据。我们只是提供了在 REST 层中将 ​​UserRecord​​ 转换为字典以便用于 JSON 传输：

class UserRecord:def toJSON(self):return {"name": self.name,"phone": self.phone,"since": self.since}

控制器的工作是将 DTO 转换为用于域服务的域对象，反之亦然。可以从 ​​find()​​ 操作中观察到这一点。

class UserController:def __init__(self):self._repo = UserRepositoryImpl()def find(self, name: str):try:user: User = self._repo.fetch(Name(name))record: UserRecord = UserRecord()record.name = user.name.valuerecord.phone = user.phone.valuerecord.since = user.sincereturn recordexcept UserNotFoundException as e:return None

​​find()​​ 操作接收一个字符串作为用户名，然后将其转换为 ​​Name​​ 对象，并调用 ​​UserRepository​​ 获取相应的 ​​User​​ 对象。如果找到了，则使用检索到的 ​​User`` 对象创建​​UserRecord`。回想一下，将域对象转换为 DTO 是很有必要的，这样可以对外部服务隐藏域模型。

​​UserController​​ 不需要有多个实例，它也可以是单例的。通过重写 ​​__new__​​，可以将其建模为一个单例。

class UserController:def __new__(self):if not hasattr(self, ‘instance’):self.instance = super().__new__(self)return self.instancedef __init__(self):self._repo = UserRepositoryImpl()def find(self, name: str):try:user: User = self._repo.fetch(Name(name))record: UserRecord = UserRecord()record.name = user.name.getValue()record.phone = user.phone.getValue()record.since = user.sincereturn recordexcept UserNotFoundException as e:return None

我们已经完全实现了 ​​FindService​​ 的模型，剩下的唯一任务是将其作为 REST 服务公开。

REST API

​​FindService​​ 只提供一个 API，那就是通过用户名查找用户。显然 URI 如下所示：

GET /user/{name}

此 API 希望根据提供的用户名查找用户，并以 JSON 格式返回用户的电话号码等详细信息。如果没有找到用户，API 将返回一个 404 状态码。

我们可以使用 Flask 框架来构建 REST API，它最初的目的是使用 Python 开发 Web 应用程序。除了 HTML 视图，它还进一步扩展到支持 REST 视图。我们选择这个框架是因为它足够简单。 创建一个 Flask 应用程序：

from flask import Flaskapp = Flask(__name__)

然后为 Flask 应用程序定义路由，就像函数一样简单：

@app.route('/user/<name>')def get(name):pass

注意 ​​@app.route​​ 映射到 API ​​/user/<name>​</name>​，与之对应的函数的 ​​get()​​。

如你所见，每次用户访问 API 如 ​​http://server:port/user/Krishna​​ 时，都将调用这个 ​​get()​​ 函数。Flask 足够智能，可以从 URL 中提取 ​​Krishna​​ 作为用户名，并将其传递给 ​​get()​​ 函数。

​​get()​​ 函数很简单。它要求控制器找到该用户，并将其与通常的 HTTP 头一起打包为 JSON 格式后返回。如果控制器返回 ​​None​​，则 ​​get()​​ 函数返回合适的 HTTP 状态码。

from flask import jsonify, abortcontroller = UserController()record = controller.find(name)if record is None:abort(404)else:resp = jsonify(record.toJSON())resp.status_code = 200return resp

最后，我们需要 Flask 应用程序提供服务，可以使用 ​​waitress​​ 服务：

from waitress import serveserve(app, host="0.0.0.0", port=8080)

在上面的片段中，应用程序在本地主机的 8080 端口上提供服务。最终代码如下所示：

from flask import Flask, jsonify, abortfrom waitress import serveapp = Flask(__name__)@app.route('/user/<name>')def get(name):controller = UserController()record = controller.find(name)if record is None:abort(404)else:resp = jsonify(record.toJSON())resp.status_code = 200return respserve(app, host="0.0.0.0", port=8080)

部署

​​FindService​​ 的代码已经准备完毕。除了 REST API 之外，它还有域模型、数据层和应用程序层。下一步是构建此服务，将其容器化，然后部署到 Kubernetes 上。此过程与部署其他服务妹有任何区别，但有一些 Python 特有的步骤。

在继续前进之前，让我们来看下文件夹和文件结构：

+ ums-find-service+ ums- domain.py- data.py- app.py- Dockerfile- requirements.txt- kube-find-deployment.yml

如你所见，整个工作文件夹都位于 ​​ums-find-service​​ 下，它包含了 ​​ums​​ 文件夹中的代码和一些配置文件，例如 ​​Dockerfile​​、​​requirements.txt​​ 和 ​​kube-find-deployment.yml​​。

​​domain.py​​ 包含域模型，​​data.py​​ 包含 ​​UserRepositoryImpl​​，​​app.py​​ 包含剩余代码。我们已经阅读过代码了，现在我们来看看配置文件。

第一个是 ​​requirements.txt​​，它声明了 Python 系统需要下载和安装的外部依赖项。我们需要用查找服务中用到的每个外部 Python 模块来填充它。如你所见，我们使用了 MySQL 连接器、Flask 和 Waitress 模块。因此，下面是 ​​requirements.txt​​ 的内容。

Flask==2.1.1Flask_RESTfulmysql-connector-pythonwaitress

第二步是在 ​​Dockerfile​​ 中声明 Docker 相关的清单，如下：

FROM python:3.8-slim-busterWORKDIR /umsADD ums /umsADD requirements.txt requirements.txtRUN pip3 install -r requirements.txtEXPOSE 8080ENTRYPOINT ["python"]CMD ["/ums/app.py"]

总的来说，我们使用 Python 3.8 作为基线，除了移动 ​​requirements.txt​​ 之外，我们还将代码从 ​​ums​​ 文件夹移动到 Docker 容器中对应的文件夹中。然后，我们指示容器运行 ​​pip3 install​​ 命令安装对应模块。最后，我们向外暴露 8080 端口（因为 waitress 运行在此端口上）。

为了运行此服务，我们指示容器使用使用以下命令：

python /ums/app.py

一旦 ​​Dockerfile​​ 准备完成，在 ​​ums-find-service​​ 文件夹中运行以下命令，创建 Docker 镜像：

docker build -t glarimy/ums-find-service

它会创建 Docker 镜像，可以使用以下命令查找镜像：

docker images

尝试将镜像推送到 Docker Hub，你也可以登录到 Docker。

docker logindocker push glarimy/ums-find-service

最后一步是为 Kubernetes 部署构建清单。

在之前的文章中，我们已经介绍了如何建立 Kubernetes 集群、部署和使用服务的方法。我假设仍然使用之前文章中的清单文件来部署添加服务、MySQL、Kafka 和 Zookeeper。我们只需要将以下内容添加到 ​​kube-find-deployment.yml​​ 文件中：

apiVersion: apps/v1kind: Deploymentmetadata:name: ums-find-servicelabels:app: ums-find-servicespec:replicas: 3selector:matchLabels:app: ums-find-servicetemplate:metadata:labels:app: ums-find-servicespec:containers:- name: ums-find-serviceimage: glarimy/ums-find-serviceports:- containerPort: 8080---apiVersion: v1kind: Servicemetadata:name: ums-find-servicelabels:name: ums-find-servicespec:type: LoadBalancerports:- port: 8080selector:app: ums-find-service

上面清单文件的第一部分声明了 ​​glarimy/ums-find-service​​ 镜像的 ​​FindService​​，它包含三个副本。它还暴露 8080 端口。清单的后半部分声明了一个 Kubernetes 服务作为 ​​FindService​​ 部署的前端。请记住，在之前文章中，mysqldb 服务已经是上述清单的一部分了。

运行以下命令在 Kubernetes 集群上部署清单文件：

kubectl create -f kube-find-deployment.yml

部署完成后，可以使用以下命令验证容器组和服务：

kubectl get services

输出如图 3 所示：

图 3: Kubernetes 服务

它会列出集群上运行的所有服务。注意查找服务的外部 IP，使用 ​​curl​​ 调用此服务：

curl http://10.98.45.187:8080/user/KrishnaMohan

注意：10.98.45.187 对应查找服务，如图 3 所示。

如果我们使用 ​​AddService​​ 创建一个名为 ​​KrishnaMohan​​ 的用户，那么上面的 ​​curl​​ 命令看起来如图 4 所示：

图 4: 查找服务

用户管理系统（UMS）的体系结构包含 ​​AddService​​ 和 ​​FindService​​，以及存储和消息传递所需的后端服务，如图 5 所示。可以看到终端用户使用 ​​ums-add-service​​ 的 IP 地址添加新用户，使用 ​​ums-find-service​​ 的 IP 地址查找已有用户。每个 Kubernetes 服务都由三个对应容器的节点支持。还要注意：同样的 mysqldb 服务用于存储和检索用户数据。

图 5: UMS 的添加服务和查找服务

其他服务

UMS 系统还包含两个服务：​​SearchService​​ 和 ​​JournalService​​。在本系列的下一部分中，我们将在 Node 平台上设计这些服务，并将它们部署到同一个 Kubernetes 集群，以演示多语言微服务架构的真正魅力。最后，我们将观察一些与微服务相关的设计模式。

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