FastAPI 作為一個高效能的 Python Web 框架，在微服務開發領域備受關注。本文不僅介紹 FastAPI 的基礎使用，更深入探討如何利用其特性建構穩健、可擴充套件的微服務架構。從環境設定到 API 設計、依賴注入的應用、錯誤處理機制，以及最終的微服務應用程式建構，提供一個全面的學習路徑。同時，文章也涵蓋了 FastAPI 的進階議題，例如非同步操作、中介軟體應用等，幫助讀者更深入地理解 FastAPI 的核心功能和應用場景。
在現今軟體開發領域，微服務架構已成為主流趨勢。FastAPI 以其高效能、易用性和豐富的功能，成為 Python 微服務開發的理想選擇。本文旨在提供一個全面的 FastAPI 微服務開發，涵蓋從基礎設定到進階應用的各個方面，幫助開發者快速上手並建構高品質的微服務應用程式。
快速開始使用 FastAPI 的微服務開發
FastAPI 是一個現代化的 Python Web 框架，旨在快速開發高效能的 API。它提供了許多強大的功能，包括自動 API 檔案、強大的型別系統和對非同步程式設計的支援。
設定 FastAPI 的開發環境
要開始使用 FastAPI，首先需要安裝它。您可以使用 pip 安裝 FastAPI：
pip install fastapi
接下來，需要安裝一個 ASGI 伺服器，例如 uvicorn：
pip install uvicorn
初始化和組態 FastAPI
建立一個新的 Python 檔案，例如 main.py，並匯入 FastAPI：
from fastapi import FastAPI
app = FastAPI()
這樣就建立了一個基本的 FastAPI 應用程式。
設計和實作 REST APIs
FastAPI 提供了強大的型別系統，允許您使用 Python 的型別系統定義 API 的結構。例如，定義一個用於管理使用者的 API：
from pydantic import BaseModel
class User(BaseModel):
id: int
name: str
email: str
@app.get("/users/")
async def read_users():
return [{"id": 1, "name": "John Doe", "email": "john@example.com"}]
這個例子定義了一個 User 類別，該類別繼承自 BaseModel，並定義了三個屬性：id、name 和 email。然後，定義了一個 read_users 函式，該函式傳回了一個使用者列表。
管理使用者請求和伺服器回應
FastAPI 提供了強大的請求和回應系統，允許您輕鬆地管理使用者請求和伺服器回應。例如，定義一個用於建立新使用者的 API：
from fastapi import HTTPException
@app.post("/users/")
async def create_user(user: User):
if user.id < 0:
raise HTTPException(status_code=400, detail="Invalid user id")
return user
這個例子定義了一個 create_user 函式，該函式接收一個 User 物件作為引數。如果使用者的 id 小於 0，則丟擲一個 HTTPException，否則傳回建立的使用者。
引數型別宣告
FastAPI 提供了強大的型別系統，允許您使用 Python 的型別系統定義 API 的結構。例如，定義一個用於更新使用者的 API：
from pydantic import BaseModel
class UserUpdate(BaseModel):
name: str
email: str
@app.patch("/users/{user_id}")
async def update_user(user_id: int, user_update: UserUpdate):
return {"user_id": user_id, "name": user_update.name, "email": user_update.email}
這個例子定義了一個 UserUpdate 類別，該類別繼承自 BaseModel，並定義了兩個屬性：name 和 email。然後，定義了一個 update_user 函式，該函式接收一個 user_id 和一個 UserUpdate 物件作為引數。
路徑引數
FastAPI 提供了強大的路徑引數系統，允許您輕鬆地定義 API 的路徑。例如，定義一個用於取得使用者的 API：
@app.get("/users/{user_id}")
async def read_user(user_id: int):
return {"user_id": user_id, "name": "John Doe", "email": "john@example.com"}
這個例子定義了一個 read_user 函式，該函式接收一個 user_id 作為引數。
查詢引數
FastAPI 提供了強大的查詢引數系統，允許您輕鬆地定義 API 的查詢引數。例如，定義一個用於查詢使用者的 API：
from fastapi import Query
@app.get("/users/")
async def read_users(name: str = Query(None)):
if name:
return [{"id": 1, "name": name, "email": "john@example.com"}]
return [{"id": 1, "name": "John Doe", "email": "john@example.com"}]
這個例子定義了一個 read_users 函式，該函式接收一個 name 作為查詢引數。如果 name 不為空，則傳回一個使用者列表，否則傳回所有使用者。
內容解密：
以上內容介紹了 FastAPI 的基本使用方法，包括設定 FastAPI 的開發環境、初始化和組態 FastAPI、設計和實作 REST APIs、管理使用者請求和伺服器回應、引數型別宣告、路徑引數和查詢引數。這些內容為您提供了快速開始使用 FastAPI 的基礎知識。
圖表翻譯：
graph LR
A[FastAPI] --> B[設定開發環境]
B --> C[初始化和組態 FastAPI]
C --> D[設計和實作 REST APIs]
D --> E[管理使用者請求和伺服器回應]
E --> F[引數型別宣告]
F --> G[路徑引數]
G --> H[查詢引數]
這個圖表展示了 FastAPI 的基本使用流程，從設定開發環境到查詢引數。
API 開發核心功能探索
在進行 API 開發時，瞭解其核心功能和技術要求是非常重要的。這包括了對於不同引數的處理、請求和回應的管理、表單引數和 Cookie 的處理等。
技術要求和專案結構
首先，瞭解 API 的技術要求是基礎。這包括了對於專案結構的規劃，例如如何組織和管理龐大的專案。這需要考慮到專案的模組化、可擴充套件性和維護性。
實作 API 服務
實作 API 服務需要對於 API 的各個方面有深入的瞭解，包括了請求方法（如 GET、POST、PUT、DELETE）、請求體、請求頭和回應資料的處理。這些知識是基礎，但實際操作中還需要考慮到安全性、效率和可擴充套件性等問題。
管理模組和實作主程式
在實作 API 時，需要將專案分割成多個模組，以便於管理和維護。這包括瞭如何組織和匯入不同的模組元件，以及如何實作新的主程式檔案（如 main.py）。這些步驟需要謹慎規劃，以確保專案的清晰性和可維護性。
處理表單引數和 Cookie
在 API 開發中，還需要考慮到如何處理表單引數和 Cookie。這包括瞭如何從請求中提取表單資料，以及如何設定和管理 Cookie。這些功能對於實作使用者身份驗證和會話管理等功能是非常重要的。
回應資料和請求頭
最後，需要關注的是回應資料和請求頭的管理。這包括瞭如何構建和發送回應資料，如何設定和管理請求頭等。這些知識對於實作正確的 API 行為和保證使用者經驗是非常重要的。
內容解密：
以上內容對於 API 開發的核心功能進行了探索，涵蓋了從技術要求到實作細節的各個方面。透過這些知識，開發者可以更好地理解和實作 API，從而建立出更好的應用程式和服務。
flowchart TD
A[API 開發] --> B[技術要求]
B --> C[專案結構]
C --> D[API 服務實作]
D --> E[模組管理]
E --> F[表單引數和 Cookie 處理]
F --> G[回應資料和請求頭管理]
G --> H[總結]
圖表翻譯：
此圖表展示了 API 開發的核心流程，從技術要求開始，到專案結構、API 服務實作、模組管理、表單引數和 Cookie 處理，最後到回應資料和請求頭管理，然後總結整個流程。這個流程圖對於理解 API 開發的各個階段和過程是非常有幫助的。
API 設計與錯誤處理
在設計 API 時，錯誤處理是一個非常重要的方面。良好的錯誤處理可以幫助開發者快速地診斷和修復問題，同時也可以提供更好的使用者經驗。
單一狀態碼回應
在 API 中，狀態碼是用來表示請求結果的。一個單一的狀態碼回應可以簡化錯誤處理的過程。例如，當使用者請求一個不存在的資源時，API 可以傳回一個 404 狀態碼，表示資源不存在。
from fastapi import FastAPI, HTTPException
app = FastAPI()
@app.get("/items/{item_id}")
def read_item(item_id: int):
if item_id < 0:
raise HTTPException(status_code=404, detail="Item not found")
return {"item_id": item_id}
多個狀態碼
在某些情況下，API 可能需要傳回多個狀態碼。例如，當使用者請求一個資源時，API 可能需要傳回 200 狀態碼表示成功，或者傳回 404 狀態碼表示資源不存在。
from fastapi import FastAPI, HTTPException
app = FastAPI()
@app.get("/items/{item_id}")
def read_item(item_id: int):
if item_id < 0:
raise HTTPException(status_code=404, detail="Item not found")
elif item_id == 0:
raise HTTPException(status_code=403, detail="Forbidden")
return {"item_id": item_id}
自訂異常
在某些情況下，API 可能需要自訂異常以處理特定的錯誤情況。例如，當使用者請求一個資源時，API 可能需要傳回一個自訂異常表示資源不存在。
from fastapi import FastAPI, HTTPException
app = FastAPI()
class ItemNotFoundError(Exception):
pass
@app.get("/items/{item_id}")
def read_item(item_id: int):
if item_id < 0:
raise ItemNotFoundError("Item not found")
return {"item_id": item_id}
預設處理程式覆寫
在某些情況下，API 可能需要覆寫預設的處理程式以自訂錯誤處理。例如，當使用者請求一個資源時，API 可能需要傳回一個自訂錯誤訊息。
from fastapi import FastAPI, Request
from fastapi.exceptions import RequestValidationError
app = FastAPI()
@app.exception_handler(RequestValidationError)
def validation_error_handler(request: Request, exc: RequestValidationError):
return {"error": "Validation error"}
將物件轉換為 JSON 相容型別
在 API 中，物件需要被轉換為 JSON 相容型別以便於傳輸。FastAPI 提供了 jsonable_encoder 函式來實作這一功能。
from fastapi import FastAPI
from fastapi.encoders import jsonable_encoder
app = FastAPI()
@app.get("/items/{item_id}")
def read_item(item_id: int):
item = {"item_id": item_id, "name": "Item name"}
return jsonable_encoder(item)
管理 API 回應
在 API 中，回應需要被管理以便於傳輸。FastAPI 提供了 Response 類別來實作這一功能。
from fastapi import FastAPI, Response
app = FastAPI()
@app.get("/items/{item_id}")
def read_item(item_id: int):
return Response(content="Item not found", media_type="text/plain")
建立背景程式
在 API 中，背景程式需要被建立以便於執行任務。FastAPI 提供了 BackgroundTasks 類別來實作這一功能。
from fastapi import FastAPI, BackgroundTasks
app = FastAPI()
def write_notification(email: str, message: str):
with open("log.txt", mode="w") as email_file:
content = f"notification for {email}: {message}"
email_file.write(content)
@app.get("/send-notification/{email}")
def send_notification(email: str, background_tasks: BackgroundTasks):
background_tasks.add_task(write_notification, email, message="some notification")
return {"message": "Notification sent"}
使用非同步路徑操作
在 API 中，非同步路徑操作需要被使用以便於執行任務。FastAPI 提供了 async 和 await 關鍵字來實作這一功能。
from fastapi import FastAPI
app = FastAPI()
async def async_operation():
await asyncio.sleep(1)
return {"message": "Async operation completed"}
@app.get("/async-operation")
def read_async_operation():
return async_operation()
應用中介軟體過濾
在 API 中，中介軟體需要被應用以便於過濾請求。FastAPI 提供了 Middleware 類別來實作這一功能。
from fastapi import FastAPI, Request
from fastapi.middleware.cors import CORSMiddleware
app = FastAPI()
origins = [
"http://localhost:8000",
"http://localhost:8001",
]
app.add_middleware(
CORSMiddleware,
allow_origins=origins,
allow_credentials=True,
allow_methods=["*"],
allow_headers=["*"],
)
以上是 API 設計與錯誤處理的一些基本概念和實作方法。透過這些方法，開發者可以建立出安全、可靠和易於使用的 API。
依賴注入的探索
依賴注入（Dependency Injection）是一種軟體設計模式，允許我們將物件之間的依賴關係解耦合，使得程式碼更容易維護、測試和擴充套件。在這個章節中，我們將深入探討依賴注入的概念和實踐。
什麼是依賴注入？
依賴注入是一種技術，允許我們將物件的依賴關係從物件本身中分離出來。這意味著物件不再需要自己建立自己的依賴關係，而是由外部提供。這樣可以使得物件之間的耦合度降低，從而提高程式碼的靈活性和可測試性。
如何實作依賴注入？
有多種方式可以實作依賴注入，包括：
- 建構子注入：將依賴關係作為建構子的引數傳入。
- ** setter 注入**：使用 setter 方法設定依賴關係。
- 介面注入：使用介面定義依賴關係。
依賴注入的優點
依賴注入有多個優點，包括：
- 降低耦合度：依賴注入可以降低物件之間的耦合度，使得程式碼更容易維護和擴充套件。
- 提高可測試性：依賴注入可以使得物件更容易被測試，因為我們可以輕易地替換依賴關係。
- 提高靈活性：依賴注入可以使得程式碼更靈活，因為我們可以輕易地更改依賴關係。
實踐依賴注入
以下是一個簡單的例子，示範如何使用 Python 實作依賴注入：
# 定義一個依賴關係
class Logger:
def log(self, message):
print(message)
# 定義一個需要依賴關係的物件
class Service:
def __init__(self, logger):
self.logger = logger
def do_something(self):
self.logger.log("Doing something")
# 建立依賴關係
logger = Logger()
# 建立需要依賴關係的物件
service = Service(logger)
# 使用物件
service.do_something()
在這個例子中，Service 物件需要一個 Logger 依賴關係。 我們可以使用建構子注入的方式，將 Logger 依賴關係傳入 Service 物件的建構子中。
圖表翻譯：
classDiagram
class Logger {
+ log(message: str)
}
class Service {
+ __init__(logger: Logger)
+ do_something()
}
Service --* Logger
這個圖表示範了 Service 物件和 Logger 依賴關係之間的關係。 Service 物件需要一個 Logger 依賴關係，才能夠正常運作。
依賴注入的實作
在軟體開發中，依賴注入（Dependency Injection）是一種設計模式，允許元件之間的解耦，從而提高系統的靈活性和可測試性。以下是關於依賴注入在不同層面的實作的概述。
路由器和依賴注入
在路由器中實作依賴注入可以讓我們更好地管理不同元件之間的依賴關係。這樣可以使得系統的結構更加清晰，同時也方便了單元測試的進行。
主程式和依賴注入
在主程式中實作依賴注入可以讓我們更好地控制整個系統的依賴關係。這樣可以使得系統的啟動和執行更加穩定，同時也方便了系統的維護和更新。
根據依賴關係組織專案
根據依賴關係組織專案可以讓我們更好地理解系統的結構和依賴關係。這樣可以使得系統的維護和更新更加方便，同時也可以提高系統的可擴充套件性。
模型層
模型層是系統的核心，負責儲存和管理資料。這層的實作需要考慮資料的結構和儲存方式，同時也需要考慮資料的安全性和可靠性。
儲存函式庫層
儲存函式庫層負責提供資料儲存和查詢的功能。這層的實作需要考慮資料的儲存方式和查詢效率，同時也需要考慮資料的安全性和可靠性。
儲存函式庫工廠方法
儲存函式庫工廠方法提供了一種建立儲存函式庫例項的方式。這樣可以使得系統的組態更加靈活，同時也可以提高系統的可擴充套件性。
服務層
服務層負責提供業務邏輯的實作。這層的實作需要考慮業務邏輯的複雜性和可維護性，同時也需要考慮系統的可擴充套件性和可靠性。
REST API 和服務層
REST API 是一種提供服務層介面的方式。這樣可以使得系統的介面更加標準化，同時也可以提高系統的可擴充套件性和可靠性。
實際專案結構
實際專案結構需要考慮系統的複雜性和可維護性，同時也需要考慮系統的可擴充套件性和可靠性。這樣可以使得系統的結構更加清晰，同時也可以提高系統的可維護性和可靠性。
使用第三方容器
使用第三方容器可以提供了一種管理依賴關係的方式。這樣可以使得系統的結構更加清晰，同時也可以提高系統的可維護性和可靠性。
使用可組態容器
使用可組態容器可以提供了一種管理依賴關係的方式。這樣可以使得系統的結構更加清晰，同時也可以提高系統的可維護性和可靠性。
使用簡單組態
使用簡單組態可以提供了一種管理依賴關係的方式。這樣可以使得系統的結構更加清晰，同時也可以提高系統的可維護性和可靠性。
FastAPI 和 Lagom 整合
FastAPI 和 Lagom 整合可以提供了一種管理依賴關係的方式。這樣可以使得系統的結構更加清晰，同時也可以提高系統的可維護性和可靠性。
# 依賴注入示例
from typing import Dict
from fastapi import FastAPI
from pydantic import BaseModel
app = FastAPI()
# 定義模型
class Item(BaseModel):
id: int
name: str
# 定義儲存函式庫
class Repository:
def get_item(self, id: int) -> Item:
# 實作儲存函式庫邏輯
pass
# 定義服務層
class Service:
def __init__(self, repository: Repository):
self.repository = repository
def get_item(self, id: int) -> Item:
# 實作服務層邏輯
return self.repository.get_item(id)
# 定義REST API
@app.get("/items/{id}")
def read_item(id: int):
# 實作REST API邏輯
service = Service(Repository())
return service.get_item(id)
內容解密：
上述程式碼示例展示瞭如何使用依賴注入的方式來管理不同元件之間的依賴關係。這樣可以使得系統的結構更加清晰，同時也可以提高系統的可維護性和可靠性。
圖表翻譯：
graph LR
A[模型層] --> B[儲存函式庫層]
B --> C[服務層]
C --> D[REST API]
D --> E[使用者]
style A fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:4px
style B fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:4px
style C fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:4px
style D fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:4px
style E fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:4px
上述圖表展示了系統的結構和依賴關係。這樣可以使得系統的結構更加清晰，同時也可以提高系統的可維護性和可靠性。
微服務應用程式的建構
在建構微服務應用程式的過程中，需要考慮多個技術層面的要求。以下是建構微服務應用程式的步驟和技術細節。
技術要求
在開始建構微服務應用程式之前，需要明確技術要求。這包括了應用程式的功能、效能、安全性和可擴充套件性等方面的需求。
分解模式的應用
為了實作微服務的分解，需要將應用程式分解為多個子應用程式。這個過程需要仔細分析應用程式的功能和業務邏輯，以確定哪些部分可以獨立出來成為單獨的微服務。
子應用程式的建立
在分解模式的基礎上，建立子應用程式是下一步。這需要設計和實作每個子應用程式的業務邏輯、資料儲存和通訊機制等。
子模組的掛載
子應用程式建立完成後，需要將其掛載到主應用程式中。這需要設計一個合適的架構，以便子應用程式可以被輕鬆地整合到主應用程式中。
從技術架構視角來看，FastAPI 的易用性與高效能使其成為建構微服務的絕佳選擇。本文涵蓋了從環境設定、API 設計、依賴注入到微服務架構等一系列核心環節，提供了一個 FastAPI 微服務開發的完整路徑。分析 FastAPI 的特性，其自動化檔案生成、強型別系統和非同步支援等特性，顯著提升了開發效率，但也需要注意專案規模擴大後，依賴注入的複雜性管理和微服務間的通訊協調等挑戰。展望未來，FastAPI 與更多微服務框架和工具的整合將成為趨勢，例如與 Service Mesh 的結合，可以進一步簡化服務治理的複雜度。玄貓認為，FastAPI 在微服務領域的應用將持續擴充套件，開發者應關注其生態發展，並深入理解其核心機制，才能更好地發揮其效能優勢，構建更具彈性與擴充套件性的微服務應用。
