python 微服務方案

介紹

使用python做web開發面臨的一個最大的問題就是性能，在解決C10K問題上顯的有點吃力。有些異步框架Tornado、Twisted、Gevent 等就是為了解決性能問題。這些框架在性能上有些提升，但是也出現了各種古怪的問題難以解決。

在python3.6中，官方的異步協程庫asyncio正式成為標准。在保留便捷性的同時對性能有了很大的提升,已經出現許多的異步框架使用asyncio。

使用較早的異步框架是aiohttp，它提供了server端和client端，對asyncio做了很好的封裝。但是開發方式和最流行的微框架flask不同，flask開發簡單，輕量，高效。正是結合這些優點, 以Sanic為基礎，集成多個流行的庫來搭建微服務。 Sanic框架是和Flask相似的異步協程框架，簡單輕量，並且性能很高。本項目就是以Sanic為基礎搭建的python微服務框架。(思想適用於其他語言)

微服務設計原則個人總結:

X 軸 ：指的是水平復制，很好理解，就是講單體系統多運行幾個實例，做個集群加負載均衡的模式。
Z 軸 ：是基於類似的數據分區，比如一個互聯網打車應用突然或了，用戶量激增，集群模式撐不住了，那就按照用戶請求的地區進行數據分區，北京、上海、四川等多建幾個集群。簡單理解數據庫拆分,比如分庫分表
Y 軸 ：就是我們所說的微服務的拆分模式，就是基於不同的業務拆分。

微服務總體架構:

    

 

特點

• 使用sanic異步框架，簡單，輕量，高效。
• 使用uvloop為核心引擎，使sanic在很多情況下單機並發甚至不亞於Golang。
• 使用asyncpg為數據庫驅動，進行數據庫連接，執行sql語句執行。
• 使用aiohttp為Client，對其他微服務進行訪問。
• 使用peewee為ORM，但是只是用來做模型設計和migration。
• 使用opentracing為分布式追蹤系統。
• 使用unittest做單元測試，並且使用mock來避免訪問其他微服務。
• 使用swagger做API標准，能自動生成API文檔。

服務端

使用sanic異步框架，有較高的性能，但是使用不當會造成blocking, 對於有IO請求的都要選用異步庫。添加庫要慎重。
sanic使用uvloop異步驅動，uvloop基於libuv使用Cython編寫，性能比nodejs還要高。

功能說明：

啟動前

1.  
   @app.listener('before_server_start')
2.  
   async def before_srver_start(app, loop):
3.  
   queue = asyncio.Queue()
4.  
   app. queue = queue
5.  
   loop.create_task(consume(queue, app.config.ZIPKIN_SERVER))
6.  
   reporter = AioReporter( queue=queue)
7.  
   tracer = BasicTracer(recorder=reporter)
8.  
   tracer.register_required_propagators()
9.  
   opentracing.tracer = tracer
10.  
    app.db = await ConnectionPool(loop=loop).init(DB_CONFIG)

• 創建DB連接池
• 創建Client連接
• 創建queue, 消耗span，用於日志追蹤
• 創建opentracing.tracer進行日志追蹤

中間件

1.  
   @app.middleware('request')
2.  
   async def cros(request):
3.  
   if request.method == 'POST' or request.method == 'PUT':
4.  
   request['data'] = request.json
5.  
   span = before_request(request)
6.  
   request['span'] = span
7.  
    
8.  
    
9.  
   @app.middleware('response')
10.  
    async def cors_res(request, response):
11.  
    span = request['span'] if 'span' in request else None
12.  
    if response is None:
13.  
    return response
14.  
    result = {'code': 0}
15.  
    if not isinstance(response, HTTPResponse):
16.  
    if isinstance(response, tuple) and len(response) == 2:
17.  
    result.update({
18.  
    'data': response[0],
19.  
    'pagination': response[1]
20.  
    })
21.  
    else:
22.  
    result.update({'data': response})
23.  
    response = json(result)
24.  
    if span:
25.  
    span.set_tag('http.status_code', "200")
26.  
    if span:
27.  
    span.set_tag('component', request.app.name)
28.  
    span.finish()
29.  
    return response

• 創建span, 用於日志追蹤
• 對response進行封裝，統一格式

異常處理

對拋出的異常進行處理，返回統一格式

任務

創建task消費queue中對span，用於日志追蹤

異步處理

由於使用的是異步框架，可以將一些IO請求並行處理

Example:

1.  
   async def async_request(datas):
2.  
   # async handler request
3.  
   results = await asyncio.gather(*[data[2] for data in datas])
4.  
   for index, obj in enumerate(results):
5.  
   data = datas[index]
6.  
   data[0][data[1]] = results[index]
7.  
    
8.  
   @user_bp.get('/<id:int>')
9.  
   @doc.summary("get user info")
10.  
    @doc.description("get user info by id")
11.  
    @doc.produces(Users)
12.  
    async def get_users_list(request, id):
13.  
    async with request.app.db.acquire(request) as cur:
14.  
    record = await cur.fetch(
15.  
    """ SELECT * FROM users WHERE id = $1 """, id)
16.  
    datas = [
17.  
    [record, 'city_id', get_city_by_id(request, record['city_id'])]
18.  
    [record, 'role_id', get_role_by_id(request, record['role_id'])]
19.  
    ]
20.  
    await async_request(datas)
21.  
    return record

get_city_by_id, get_role_by_id是並行處理。

相關連接

sanic

模型設計 & ORM

Peewee is a simple and small ORM. It has few (but expressive) concepts, making it easy to learn and intuitive to use。

ORM使用peewee, 只是用來做模型設計和migration, 數據庫操作使用asyncpg。

Example:

1.  
   # models.py
2.  
    
3.  
   class Users(Model):
4.  
   id = PrimaryKeyField()
5.  
   create_time = DateTimeField(verbose_name='create time',
6.  
   default=datetime.datetime.utcnow)
7.  
   name = CharField(max_length=128, verbose_name="user's name")
8.  
   age = IntegerField(null=False, verbose_name="user's age")
9.  
   sex = CharField(max_length=32, verbose_name="user's sex")
10.  
    city_id = IntegerField(verbose_name='city for user', help_text=CityApi)
11.  
    role_id = IntegerField(verbose_name='role for user', help_text=RoleApi)
12.  
     
13.  
    class Meta:
14.  
    db_table = 'users'
15.  
     
16.  
     
17.  
    # migrations.py
18.  
     
19.  
    from sanic_ms.migrations import MigrationModel, info, db
20.  
     
21.  
    class UserMigration(MigrationModel):
22.  
    _model = Users
23.  
     
24.  
    # @info(version="v1")
25.  
    # def migrate_v1(self):
26.  
    # migrate(self.add_column('sex'))
27.  
     
28.  
    def migrations():
29.  
    try:
30.  
    um = UserMigration()
31.  
    with db.transaction():
32.  
    um.auto_migrate()
33.  
    print("Success Migration")
34.  
    except Exception as e:
35.  
    raise e
36.  
     
37.  
    if __name__ == '__main__':
38.  
    migrations()

• 運行命令 python migrations.py
• migrate_v1函數添加字段sex, 在BaseModel中要先添加name字段
• info裝飾器會創建表migrate_record來記錄migrate，version每個model中必須唯一，使用version來記錄是否執行過，還可以記錄author，datetime
• migrate函數必須以migrate_開頭

相關連接

peewee

數據庫操作

asyncpg is the fastest driver among common Python, NodeJS and Go implementations

使用asyncpg為數據庫驅動, 對數據庫連接進行封裝, 執行數據庫操作。

不使用ORM做數據庫操作，一個原因是性能，ORM會有性能的損耗，並且無法使用asyncpg高性能庫。另一個是單個微服務是很簡單的，表結構不會很復雜，簡單的SQL語句就可以處理來，沒必要引入ORM。使用peewee只是做模型設計

Example:

1.  
   sql = "SELECT * FROM users WHERE name=$1"
2.  
   name = "test"
3.  
   async with request.app.db.acquire(request) as cur:
4.  
   data = await cur.fetchrow(sql, name)
5.  
    
6.  
   async with request.app.db.transaction(request) as cur:
7.  
   data = await cur.fetchrow(sql, name)

• acquire() 函數為非事務, 對於只涉及到查詢的使用非事務，可以提高查詢效率
• tansaction() 函數為事務操作，對於增刪改必須使用事務操作
• 傳入request參數是為了獲取到span，用於日志追蹤
• TODO 數據庫讀寫分離

相關連接

asyncpg
benchmarks

客戶端

使用aiohttp中的client，對客戶端進行了簡單的封裝，用於微服務之間訪問。

Don’t create a session per request. Most likely you need a session per application which performs all requests altogether.
A session contains a connection pool inside, connection reusage and keep-alives (both are on by default) may speed up total performance.

Example:

1.  
   @app.listener('before_server_start')
2.  
   async def before_srver_start(app, loop):
3.  
   app.client = Client(loop, url='http://host:port')
4.  
    
5.  
   async def get_role_by_id(request, id):
6.  
   cli = request.app.client.cli(request)
7.  
   async with cli.get('/cities/{}'.format(id)) as res:
8.  
   return await res.json()
9.  
    
10.  
    @app.listener('before_server_stop')
11.  
    async def before_server_stop(app, loop):
12.  
    app.client.close()
13.  
     

對於訪問不同的微服務可以創建多個不同的client，這樣每個client都會keep-alives

日志 & 分布式追蹤系統

裝飾器logger

1.  
   @logger(type='method', category='test', detail='detail', description="des", tracing=True, level=logging.INFO)
2.  
   async def get_city_by_id(request, id):
3.  
   cli = request.app.client.cli(request)

• type: 日志類型，如 method, route
• category: 日志類別，默認為app的name
• detail: 日志詳細信息
• description: 日志描述，默認為函數的注釋
• tracing: 日志追蹤，默認為True
• level: 日志級別，默認為INFO

分布式追蹤系統

• OpenTracing是以Dapper，Zipkin等分布式追蹤系統為依據, 建立了統一的標准。
• Opentracing跟蹤每一個請求，記錄請求所經過的每一個微服務，以鏈條的方式串聯起來，對分析微服務的性能瓶頸至關重要。
• 使用opentracing框架，但是在輸出時轉換成zipkin格式。 因為大多數分布式追蹤系統考慮到性能問題，都是使用的thrift進行通信的，本着簡單，Restful風格的精神，沒有使用RPC通信。以日志的方式輸出, 可以使用fluentd, logstash等日志收集再輸入到Zipkin。Zipkin是支持HTTP輸入的。
• 生成的span先無阻塞的放入queue中，在task中消費隊列的span。后期可以添加上采樣頻率。
• 對於DB，Client都加上了tracing

相關連接

opentracing
zipkin
jaeger

API接口

api文檔使用swagger標准。

Example:

1.  
   from sanic_ms import doc
2.  
    
3.  
   @user_bp.post('/')
4.  
   @doc.summary('create user')
5.  
   @doc.description('create user info')
6.  
   @doc.consumes(Users)
7.  
   @doc.produces({'id': int})
8.  
   async def create_user(request):
9.  
   data = request['data']
10.  
    async with request.app.db.transaction(request) as cur:
11.  
    record = await cur.fetchrow(
12.  
    """ INSERT INTO users(name, age, city_id, role_id)
13.  
    VALUES($1, $2, $3, $4, $5)
14.  
    RETURNING id
15.  
    """, data['name'], data['age'], data['city_id'], data['role_id']
16.  
    )
17.  
    return {'id': record['id']}

• summary: api概要
• description: 詳細描述
• consumes: request的body數據
• produces: response的返回數據
• tag: API標簽
• 在consumes和produces中傳入的參數可以是peewee的model,會解析model生成API數據, 在field字段的help_text參數來表示引用對象
• http://host:ip/openapi/spec.json 獲取生成的json數據

相關連接

swagger

Response 數據

在返回時，不要返回sanic的response，直接返回原始數據，會在Middleware中對返回的數據進行處理，返回統一的格式，具體的格式可以[查看]

單元測試

單元測試使用unittest。 mock是自己創建了MockClient，因為unittest還沒有asyncio的mock，並且sanic的測試接口也是發送request請求，所以比較麻煩. 后期可以使用pytest。

Example:

1.  
   from sanic_ms.tests import APITestCase
2.  
   from server import app
3.  
    
4.  
   class TestCase(APITestCase):
5.  
   _app = app
6.  
   _blueprint = 'visit'
7.  
    
8.  
   def setUp(self):
9.  
   super(TestCase, self).setUp()
10.  
    self._mock.get('/cities/1',
11.  
    payload={'id': 1, 'name': 'shanghai'})
12.  
    self._mock.get('/roles/1',
13.  
    payload={'id': 1, 'name': 'shanghai'})
14.  
     
15.  
    def test_create_user(self):
16.  
    data = {
17.  
    'name': 'test',
18.  
    'age': 2,
19.  
    'city_id': 1,
20.  
    'role_id': 1,
21.  
    }
22.  
    res = self.client.create_user(data=data)
23.  
    body = ujson.loads(res.text)
24.  
    self.assertEqual(res.status, 200)

• 其中_blueprint為blueprint名稱
• 在setUp函數中，使用_mock來注冊mock信息, 這樣就不會訪問真實的服務器, payload為返回的body信息
• 使用client變量調用各個函數, data為body信息，params為路徑的參數信息，其他參數是route的參數

代碼覆蓋

1.  
   coverage erase
2.  
   coverage run --source . -m sanic_ms tests
3.  
   coverage xml -o reports/coverage.xml
4.  
   coverage2clover -i reports/coverage.xml -o reports/clover.xml
5.  
   coverage html -d reports

• coverage2colver 是將coverage.xml 轉換成 clover.xml，bamboo需要的格式是clover的。

相關連接

unittest
coverage

異常處理

使用 app.error_handler = CustomHander() 對拋出的異常進行處理

Example:

1.  
   from sanic_ms.exception import ServerError
2.  
    
3.  
   @visit_bp.delete('/users/<id:int>')
4.  
   async def del_user(request, id):
5.  
   raise ServerError(error='內部錯誤',code=10500, message="msg")

• code: 錯誤碼，無異常時為0，其余值都為異常
• message: 狀態碼信息
• error: 自定義錯誤信息
• status_code: http狀態碼，使用標准的http狀態碼