Python Web部署方式總結

不要讓伺服器裸奔

學過PHP的都了解，php的正式環境部署非常簡單，改幾個文件就OK，用FastCgi方式也是分分鐘的事情。相較起來，Python在web應用程式上的部署就繁雜的多，主要是工具繁多，主流伺服器支援不足，在了解Python的生產環境部署方式之前，先明確一些概念！很重要！

CGI：

CGI即通用網關介面(Common Gateway Interface)，是外部應用程式（CGI程式）與Web伺服器之間的介面標準，是在CGI程式與Web伺服器之間傳遞訊息的規程。 CGI規格允許Web伺服器執行外部程序，並將它們的輸出傳送給網路瀏覽器，CGI將Web的一組簡單的靜態超媒體文件變成一個完整的新的互動式媒體。通俗的講CGI就像是一座橋，把網頁和WEB伺服器中的執行程序連接起來，它把HTML接收的指令傳遞給伺服器的執行程序，再把伺服器執行程序的結果回饋給HTML頁。 CGI 的跨平台效能極佳，幾乎可以在任何作業系統上實現。

CGI方式在遇到連線請求（使用者請求）先要建立cgi的子進程，啟動一個CGI進程，然後處理請求，處理完後結束這個子進程。這就是fork-and-execute模式。所以用cgi方式的伺服器有多少連線請求就會有多少cgi子進程，子進程反覆載入是cgi效能低下的主要原因。當使用者請求數量非常多時，會大量擠佔系統的資源如內存，CPU時間等，造成效能低。

CGI腳本工作流程：

1. 瀏覽器透過HTML表單或超連結請求指向一個CGI應用程式的URL。

2. 伺服器執行務器收發到請求。所指定的CGI應用程式。

3. CGI應用程式執行所需的操作，通常是基於瀏覽者輸入的內容。

4. CGI應用程式把結果格式化為網頁伺服器和瀏覽器能夠理解的文件（通常是HTML網頁）。

5. 網頁伺服器把結果回到瀏覽器中。

python有cgi模組可支援原生cgi程式

FastCGI：

　　FastCGI是一個可伸縮地、高速地在HTTP 服務器和動態腳本語言間通訊的介面。多數流行的HTTP server都支援FastCGI，包括Apache、Nginx和lighttpd等，同時，FastCGI也被許多腳本語言所支持，其中就有Python。 FastCGI是從CGI發展改進而來的。傳統CGI介面方式的主要缺點是效能很差，因為每次HTTP伺服器遇到動態程式時都需要重新啟動腳本解析器來執行解析，然後結果會傳回給HTTP伺服器。這在處理高並發訪問時，幾乎是不可用的。 FastCGI像是常駐(long-live)型的CGI，它可以一直執行著，只要啟動後，不會每次都要花時間去fork一次(這是CGI最為人詬病的fork-and-execute 模式)。 CGI 就是所謂的短生存期應用程序，FastCGI 就是所謂的長生存期應用程式。由於 FastCGI 程式並不需要不斷的產生新進程，可以大幅降低伺服器的壓力並且產生較高的應用效率。它的速度效率最少要比CGI 技術提高 5 倍以上。它也支援分散式的運算, 即 FastCGI 程式可以在網站伺服器以外的主機上執行並且接受來自其它網站伺服器來的請求。

FastCGI是語言無關的、可伸縮架構的CGI開放擴展，其主要行為是將CGI解釋器進程保持在內存中並因此獲得較高的性能。眾所周知，CGI解釋器的反覆載入是CGI效能低下的主要原因，如果CGI解釋器保持在記憶體中並接受FastCGI進程管理器調度，則可以提供良好的效能、伸縮性、Fail-Over特性等等。 FastCGI介面方式採用C/S結構，可以將HTTP伺服器和腳本解析伺服器分開，同時在腳本解析伺服器上啟動一個或多個腳本解析守護程式。當HTTP伺服器每次遇到動態程式時，可以直接交付給FastCGI進程來執行，然後將得到的結果傳回瀏覽器。這種方式可以讓HTTP伺服器專一地處理靜態請求或將動態腳本伺服器的結果傳回給客戶端，這在很大程度上提高了整個應用系統的效能。

FastCGI的工作流程:

1. Web Server啟動時載入FastCGI進程管理器（PHP-CGI或PHP-FPM或spawn-cgi)

2. FastCGI進程管理器本身，啟動多個解釋器進程(可見多個php-cgi)並等待來自Web Server的連線。

3. 當客戶端請求到達Web Server時，FastCGI進程管理器選擇並連接到一個CGI解釋器。 Web server將CGI環境變數和標準輸入傳送到FastCGI子進程php-cgi。

4. FastCGI子進程完成處理後將標準輸出和錯誤訊息從同一連接返回Web Server。當FastCGI子程序關閉連線時，請求便告處理完成。 FastCGI子進程接著等待並處理來自FastCGI進程管理器(運行在Web Server中)的下一個連線。 在CGI模式中，php-cgi在此便退出。

FastCGI 的特點：

1. 打破傳統頁面處理技術。傳統的頁面處理技術，程式必須與 Web 伺服器或 Application 伺服器處於同一台伺服器中。這種歷史已經早N年被FastCGI技術所打破，FastCGI技術的應用程式可以被安裝在伺服器群組中的任何一台伺服器，而透過 TCP/IP 協定與 Web 伺服器通訊，這樣做既適合開發大型分散式 Web 群，也適合高效資料庫控制。

2. 明確的請求模式。 CGI 技術沒有一個明確的角色，在 FastCGI 程式中，程式被賦予明確的角色（響應器角色、認證器角色、過濾器角色）。

WSGI：

　　Python Web伺服器閘道介面（Python Web Server Gateway Interface，縮寫為WSGI）是為Python語言定義的Web伺服器和Web應用程式或框架之間的簡單而通用的介面。自從WSGI被開發出來以後，許多其它語言中也出現了類似介面。 WSGI是作為Web伺服器與Web應用程式或應用程式框架之間的一種低階的接口，以提升可移植Web應用開發的共同點。 WSGI是基於現存的CGI標準而設計的。

WSGI區分為兩個部分：一為“伺服器”或“網關”，另一為“應用程式”或“應用框架”。在處理一個WSGI請求時，伺服器會為應用程式提供環境上下文及一個回呼函數（Callback Function）。當應用程式完成處理請求後，透過先前的回呼函數，將結果回傳給伺服器。所謂的 WSGI 中間件同時實現了API的兩方，因此可以在WSGI服務和WSGI應用之間起調解作用：從WSGI伺服器的角度來說，中間件扮演應用程序，而從應用程式的角度來說，中間件扮演伺服器. 「中間件」元件可以執行以下功能：

1. 重寫環境變數後，根據目標URL，將請求訊息路由到不同的應用程式物件。

2. 允許在一個進程中同時運行多個應用程式或應用程式框架。

3. 負載平衡和遠端處理，透過在網路上轉送請求和回應訊息。

4. 進行內容後處理，例如套用XSLT樣式表。

以前，如何選擇合適的Web應用程式框架成為困擾Python初學者的一個問題，這是因為，一般而言，Web應用框架的選擇將限制可用的Web伺服器的選擇，反之亦然。那時的Python應用程式通常是為CGI，FastCGI，mod_python中的一個而設計，甚至是為特定Web伺服器的自訂的API介面而設計的。 WSGI沒有官方的實現, 因為WSGI更像協議。只要遵照這些協定,WSGI應用(Application)都可以在任何伺服器(Server)上運作, 反之亦然。 WSGI就是Python的CGI包裝，相對於Fastcgi是PHP的CGI包裝。

WSGI將 web 元件分為三類： web伺服器，web中間件,web應用程序， wsgi基本處理模式為 ： WSGI Server -> (WSGI Middleware)* -> WSGI Application 。

uwsgi：

uwsgi協議是一個uWSGI伺服器自有的協議，它用於定義傳輸訊息的類型（type of information），每一個uwsgi packet前4byte為傳輸訊息類型描述，它與WSGI相比是兩樣東西。據稱其效率是fcgi的10倍。具體的協議內容請參考：the uwsgi protocol（http://uwsgi-docs.readthedocs.org/en/latest/Protocol.html）

以上四者都可以理解為協議！協定!協定!實現了這樣的協議，就可以實現Web伺服器與Web應用程式相關聯的web服務！

uWSGI：

　　uWSGI專案旨在為部署分散式叢集的網路應用開發一套完整的解決方案。 uWSGI主要面向web及其標準服務，已成功的應用於多種不同的語言。由於uWSGI的可擴展架構，它能夠被無限的擴展用來支援更多的平台和語言。目前，你可以使用C，C++和Objective-C來寫插件。專案名稱中的「WSGI」是為了向同名的Python Web標準表示感謝，因為WSGI為此專案開發了第一個外掛程式。 uWSGI是一個Web伺服器，它實作了WSGI協定、uwsgi、http等協定。 uWSGI，既不用wsgi協議也不用FastCGI協議，而是自創了上文說將的uwsgi協議。

uWSGI的主要特點如下：

1. 超快的性能。

2. 低記憶體佔用（實測為apache2的mod_wsgi的一半左右）。

3. 多app管理。

4. 詳盡的日誌功能（可以用來分析app效能和瓶頸）。

5. 高度可自訂（記憶體大小限制，服務一定次數後重啟等）。

Gunicorn：

　　和uWSGi類似的工具，從rails的部署工具(Unicorn)移植過來的。但它所使用的協定是前文所講的WSGI，這是python2.5時定義的官方標準(PEP 333 )，根紅苗正，而且部署比較簡單，詳細的使用教學請點這裡（http://gunicorn.org/）。 Gunicorn採用prefork模式，Gunicorn 伺服器與各種 Web 框架相容，只需非常簡單的執行，輕量級的資源消耗，以及相當迅速。它的特點是與 Django 結合緊密，部署特別方便。 缺點也很多，不支持 HTTP 1.1，同時存取效能不高，與 uWSGI，Gevent 等有一定的效能差距。

1. Gunicorn設計

Gunicorn 是一個 master 進程，spawn 出數個工作進程的 web 伺服器。 master 進程控制工作進程的產生與消亡，工作進程只需要接受請求並且處理。這樣分離的方式使得 reload 程式碼非常方便，也很容易增加或減少工作進程。 工作進程這塊作者給了很大的擴充餘地，它可以支援不同的IO方式，如 Gevent,Sync 同步進程，Asyc 非同步進程，Eventlet 等等。 master 跟 worker 流程​​完全分離，使得 Gunicorn 實質上就是一個控制流程的服務。

2. Gunicorn原始碼結構

從 Application.run() 開始，先初始化配置，從檔案讀取，終端讀取等等方式完成 configurate。然後啟動 Arbiter，Arbiter 是實質上的 master 進程的核心，它首先從配置類別中讀取並設置，然後初始化訊號處理函數，建立 socket。然後就是開始 spawn 工作進程，根據配置的工作進程數進行 spawn。然後就進入了輪詢狀態，收到訊號，處理訊號然後繼續。這裡喚醒進程的方式是建立一個 PIPE，透過訊號處理函數往 pipe 裡 write，然後 master 從 select.select() 喚醒。

工作進程在 spawn 後，開始初始化，然後同樣對訊號進行處理，並且開始輪詢，處理 HTTP 請求，呼叫 WSGI 的應用端，得到 resopnse 返回。然後繼續。

Sync 同步進程的好處在於每個 request 都是分開的，每個 request 失敗都不會影響其他 request，但這樣導致了效能上的瓶頸。

Tornado：

　　Tornado即使一款python 的開發框架，也是一個非同步非阻塞的http伺服器，它本身的資料產出實作沒有遵從上文所說的一些通用協議，因為自身就是web伺服器，所以動態請求就直接通過內部的機制，輸出成用戶所請求的動態內容。如果把它當作一個單獨伺服器，想用它來配合其他的框架如Flask來部署，則需要採用WSGI協議，Tornado內建了該協議，tornado.wsgi.WSGIContainer。

wsgiref：

　　Python自帶的實作了WSGI協定的的wsgi server。 wsgi server可以理解為一個符合wsgi規範的web server，接收request請求，封裝一系列環境變量，依照wsgi規範呼叫註冊的wsgi app，最後將response回傳給客戶端。 Django的自備伺服器就是它了。

以上都可以理解為實現！實現！實現！實現了協定的工具！

註：mod_wsgi（apache的模組）其實也是實現了wsgi協定的模組，現在幾乎不廢棄了，所以也不多說了，有興趣的自己查一下吧。

所以如果你採用Django框架開發了應用之後，想部署到生產環境，肯定不能用Django自帶的，可以用使用uwsgi協議的uWSGI伺服器，也可以採用實現了WSGI協議的gunicorn或者Tornado，亦可以用FastCGI、CGI模式的Nginx、lighttpd、apache伺服器。其他框架亦如此！明白了這些概念在部署的時候就可以做到心中有數，各種工具之間的搭配也就「知其然，並知其所以然」了。

在我們組的專案中有兩種框架Django和Tornado，生產環境也用到了兩種部署方式。 uWSGI和Gunicorn：

Django專案用Nginx+uWSGI方式部署，Tornado專案用Nginx+Gunicorn方式部署：

Nginx都作為負載平衡以及靜態內容轉發。 Tornado計畫用supervisord來管理Gunicorn，用Gunicorn管理Tornado。眾所周知，由於Python的GIL存在，所以Python的並發都採用多進程模式，所以我們部署的方式是一個核心兩個進程。

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