FastAPI非同步Web框架與RESTfulAPI開發

– 12 分鐘閱讀

現今 Web 開發講求高效能與快速回應，非同步程式設計和 ASGI 框架應運而生。Python 的 asyncio 模組與 ASGI 介面讓開發者得以利用單執行緒處理大量平行請求，提升應用程式效能。FastAPI 作為一個現代化的 Python Web 框架，結合 Starlette 和 Pydantic 的優勢，提供簡潔易用的 API 開發體驗。其自動生成 OpenAPI 檔案的特性更簡化了開發流程，讓開發者更專注於業務邏輯的實作。本文將會逐步介紹 FastAPI 的核心概念、使用方法以及如何建構 RESTful API。

Mermaid圖表示例

  graph LR
    A[開始] --> B[定義非同步函式]
    B --> C[呼叫非同步函式]
    C --> D[等待非同步函式完成]
    D --> E[結束]

圖表翻譯：

此圖示展示了一個簡單的非同步處理流程。首先，程式開始並定義一個非同步函式。接著，程式呼叫該非同步函式並等待其完成。最後，程式結束。

總字數檢查

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非同步程式設計與ASGI簡介

在現代的Web開發中，非同步程式設計扮演著越來越重要的角色。Python的asyncio模組為開發者提供了撰寫單執行緒並發程式碼的能力，利用async/await語法讓非同步程式設計變得更加直觀。

協程基礎

協程是一種特殊的函式，可以在執行過程中暫停並在適當時機還原執行。Python中的協程透過async def定義，並使用await關鍵字來標示暫停點。

import asyncio

async def main():
    for i in range(1, 6):
        await myfunction(i)
        print('In main', i)

async def myfunction(i):
    print('In myfunction', i)
    await asyncio.sleep(2)  # 使用asyncio.sleep代替time.sleep

asyncio.run(main())

內容解密：

  1. async def main()定義了一個協程函式main，作為程式的入口點。
  2. await myfunction(i)呼叫另一個協程myfunction並等待其完成。
  3. 在myfunction中，使用await asyncio.sleep(2)來模擬非同步操作，取代阻塞的time.sleep(2)。
  4. asyncio.run(main())啟動事件迴圈並執行main協程。

ASGI與非同步Web開發

傳統的WSGI（Web Server Gateway Interface）是為同步Web框架設計的，無法充分利用非同步程式設計的優勢。因此，ASGI（Asynchronous Server Gateway Interface）應運而生，為非同步Web應用提供了標準介面。

簡單的ASGI應用範例

async def app(scope, receive, send):
    await send({
        'type': 'http.response.start',
        'status': 200,
        'headers': [
            [b'content-type', b'text/plain'],
        ],
    })
    await send({
        'type': 'http.response.body',
        'body': b'Hello, world!',
    })

內容解密：

  1. app函式是一個ASGI可呼叫物件，接收三個引數：scope、receive和send。
  2. 使用await send({...})非同步傳送HTTP回應給客戶端。
  3. 第一次呼叫send設定HTTP回應頭，第二次呼叫傳送回應主體。

使用Uvicorn執行ASGI應用

由於Python標準函式庫中沒有內建ASGI伺服器，我們需要使用第三方套件如Uvicorn。以下範例展示如何使用Uvicorn執行前述的ASGI應用：

# main.py
import uvicorn

async def app(scope, receive, send):
    # ... (與前相同)

if __name__ == "__main__":
    uvicorn.run("main:app", port=5000, log_level="info")

內容解密：

  1. uvicorn.run("main:app", ...)啟動Uvicorn伺服器並載入main.py中的app物件。
  2. 設定伺服器監聽5000埠，並將日誌層級設為"info"。

REST架構與API簡介

FastAPI是一個現代、快速的Web框架，用於建構API。瞭解REST（Representational State of Resource）架構對於使用FastAPI至關重要。

API的基本概念

API（Application Programming Interface）是不同軟體系統之間的介面，定義了互動的規則和協定。可以將API比喻為餐廳中的服務員，負責在顧客和廚房之間傳遞資訊。

API與REST架構的深入解析

在現代軟體開發中，API（應用程式介面）扮演著至關重要的角色。它使得不同的應用程式能夠相互溝通，從而實作資料分享和功能擴充套件。本文將探討API的基本概念、REST架構的原理及其在API設計中的應用。

API的基本運作原理

API是一種定義明確的介面，允許不同的軟體系統進行互動。就像餐廳的點餐系統，客戶透過服務員下單，而廚房則根據訂單準備餐點。在這個過程中，服務員充當了客戶與廚房之間的媒介。同樣地，API作為不同應用程式之間的媒介，使得它們能夠按照特定的格式和協定進行資料交換。

以食品配送服務為例，當客戶透過配送服務的網站下單時，該網站會透過API向餐廳的訂單處理系統傳送請求。餐廳的系統在接收到請求後，會處理訂單並將結果以預定的格式傳回給配送服務的網站。這種機制確保了不同應用程式之間的順暢互動。

關鍵技術考量

  1. 授權與驗證：API必須實施嚴格的授權和驗證機制，以確保只有授權的應用程式能夠存取特定的資源。
  2. 資料格式：API需要定義明確的資料格式，以確保不同系統之間的資料交換順暢。
  3. 錯誤處理：良好的API設計應包含完善的錯誤處理機制，以便在出現問題時提供有用的回饋。

REST架構的核心原則

REST（表述性狀態轉移）是一種軟體架構風格，由Roy Fielding於2000年首次提出。它定義了一套設計原則，用於建立可擴充套件、靈活且易於維護的Web服務。遵循REST原則的API通常被稱為RESTful API。

REST的核心約束

  1. 統一介面：REST要求API具有統一的介面，這意味著對資源的請求應該是標準化的，並且應該包含處理請求所需的所有資訊。

    GET /users/123 HTTP/1.1
Host: example.com
Accept: application/json

    在這個例子中，客戶端透過統一的URI請求特定資源，並指定接受的資料格式。

  2. 無狀態性：RESTful API應該是無狀態的，這意味著伺服器不會保留任何客戶端的狀態資訊。每次請求都應該包含處理該請求所需的所有資訊。

    POST /users HTTP/1.1
Host: example.com
Content-Type: application/json

{
  "name": "John Doe",
  "email": "john@example.com"
}

    在這個例子中，客戶端透過POST請求建立新資源，並在請求體中提供所有必要資訊。

  3. 客戶端-伺服器架構：REST強調客戶端和伺服器之間的關注點分離。這使得兩者可以獨立發展，只要介面保持不變。

  4. 可快取性：RESTful API應該支援快取，以提高效能並減少伺服器的負載。

    HTTP/1.1 200 OK
Cache-Control: max-age=3600

{
  "id": 123,
  "name": "John Doe"
}

    在這個例子中，伺服器的回應包含了快取控制頭，允許客戶端快取該回應。

  5. 分層系統：REST允許將系統設計為分層結構，每一層都獨立於其他層。這提高了系統的可擴充套件性和靈活性。

  6. 按需程式碼（可選）：伺服器可以傳回可執行的程式碼（如JavaScript），以擴充套件客戶端的功能。不過，這一特性很少被使用，因為它可能帶來安全風險。

REST架構的優勢

實施REST原則可以帶來多項好處，包括：

  • 可擴充套件性：RESTful API易於擴充套件，可以支援大量的客戶端請求。
  • 簡單性：REST的統一介面和無狀態性使得API設計更加簡單直觀。
  • 可修改性：RESTful API易於修改和維護，因為客戶端和伺服器可以獨立發展。
  • 可靠性：REST的無狀態性提高了系統的可靠性，因為伺服器不需要維護客戶端的狀態資訊。
  • 可移植性：RESTful API具有良好的可移植性，可以在不同的平台上執行。
  • 可見性：REST的統一介面提高了API的可見性，使得開發者更容易理解和使用API。
  1. API安全性的提升：隨著API的使用越來越廣泛，安全性將成為一個越來越重要的議題。未來，我們可以期待看到更多關於API安全性的創新和改進。
  2. API標準化的推進：標準化是提高API互操作性的關鍵。未來，我們可能會看到更多關於API標準化的努力和嘗試。
  3. API在新技術中的應用：隨著新技術（如物聯網、區塊鏈等）的發展，API將在這些領域發揮越來越重要的作用。

總之，API和REST架構是現代軟體開發中的重要工具。透過深入理解和正確實施這些技術，開發者可以建立更高效、更靈活且更安全的軟體系統。隨著技術的不斷進步，我們可以期待看到更多關於API和REST架構的創新和應用。

HTTP 請求方法在 RESTful API 中的應用

在 RESTful API 的設計中，HTTP 請求方法扮演著至關重要的角色。根據統一介面原則，客戶端傳送的請求訊息必須是自包含的，並且包含處理請求所需的所有資訊。這包括資源的 URI、對資源執行的動作，以及完成動作所需的額外資料。這些動作透過 HTTP 方法（或稱為 HTTP 動詞）來表示。

主要的 HTTP 請求方法

最常用的 HTTP 方法包括 POST、GET、PUT 和 DELETE，它們分別對應於伺服器資源的 CRUD（建立、讀取、更新、刪除）操作。

1. POST 方法

POST 方法用於在伺服器上建立新的資源。它對應於 CRUD 中的 CREATE 操作。當客戶端傳送一個 POST 請求時，請求中通常包含建立新資源所需的資料。如果請求成功，伺服器會傳回一個包含新資源連結的 Location 標頭，以及 201 HTTP 狀態碼，表示資源已成功建立。

POST /users HTTP/1.1
Host: example.com
Content-Type: application/json

{
    "name": "John Doe",
    "email": "john.doe@example.com"
}

內容解密：

  • POST 請求用於建立新資源。
  • 請求主體中包含建立資源所需的資料。
  • 成功後傳回 201 狀態碼和 Location 標頭。

需要注意的是，兩次相同的 POST 請求會在伺服器上建立兩個不同的資源，因此 POST 方法不是冪等的。

2. GET 方法

GET 方法用於從伺服器檢索現有的資源。它對應於 CRUD 中的 READ 操作。GET 請求是無風險的，因為它只檢索資源而不修改它。此外，GET 操作是冪等的，因為兩次相同的 GET 請求會傳回相同的回應。

GET /users/123 HTTP/1.1
Host: example.com

內容解密：

  • GET 請求用於檢索資源。
  • 成功傳回 200 狀態碼和資源表示。
  • GET 操作是冪等的，不會修改伺服器上的資源。

3. PUT 方法

PUT 方法主要用於更新現有的資源。它對應於 CRUD 中的 UPDATE 操作。與 POST 操作類別似，PUT 請求中也包含更新資源所需的資料。如果更新成功，伺服器傳回 200 狀態碼。如果資源不存在，有些實作可能會使用 PUT 建立新資源，此時傳回 201 狀態碼。

PUT /users/123 HTTP/1.1
Host: example.com
Content-Type: application/json

{
    "name": "Jane Doe",
    "email": "jane.doe@example.com"
}

內容解密：

  • PUT 請求用於更新現有資源。
  • 如果資源不存在，可能會建立新資源。
  • 成功傳回 200 或 201 狀態碼。

與 POST 不同，PUT 請求是針對單個資源進行操作，因此具有冪等性。

4. DELETE 方法

DELETE 方法用於刪除伺服器上的一個或多個資源。成功執行後，伺服器傳回 200 或 204 狀態碼，表示資源已被刪除。與 GET 類別似，DELETE 操作也是冪等的，因為多次刪除同一個資源的效果是相同的。

DELETE /users/123 HTTP/1.1
Host: example.com

內容解密：

  • DELETE 請求用於刪除資源。
  • 成功傳回 200 或 204 狀態碼。
  • 多次刪除同一個資源不會產生不同的結果，因此是冪等的。

FastAPI 的依賴與特性

FastAPI 是一個現代化的、快速（高效能）的 Web 框架，用於構建 API。它根據 Starlette 和 Pydantic，利用 Python 的型別註解提供強大的資料驗證和轉換功能。FastAPI 與 OpenAPI（前身為 Swagger）無縫整合，能夠自動生成 API 檔案和互動式介面。

  graph LR
    A[FastAPI] --> B[Starlette]
    A --> C[Pydantic]
    A --> D[Uvicorn]
    A --> E[OpenAPI]

圖表翻譯： 此圖示展示了 FastAPI 的主要依賴關係。FastAPI 建立在 Starlette（一款輕量級的 ASGI Web 框架）和 Pydantic（用於資料驗證和解析的函式庫）的基礎上。它使用 Uvicorn（一款快速的 ASGI 伺服器）進行佈署，並與 OpenAPI 整合以自動生成 API 檔案。

Starlette 的特點

Starlette 提供了一系列功能，使其成為構建高效能 Web 應用和 API 的理想選擇：

  • WebSocket 支援：提供全雙工、雙向通訊通道，用於構建實時應用。
  • 事件處理器：允許開發者攔截和處理應用程式的啟動和關閉事件，用於初始化和清理工作，如建立和關閉資料函式庫連線。

FastAPI 介紹與安裝

FastAPI 是一個現代化的 Python 網頁應用框架，根據 Python 的型別提示（type hints）和非同步處理（asynchronous processing）。它由 Sebastian Ramirez 在 2018 年 12 月開發，目前已成為最受歡迎的網頁框架之一。

FastAPI 的核心元件

Starlette

Starlette 是一個輕量級的 ASGI 框架，具有路由、範本渲染、靜態檔案服務、cookie 和 session 管理等功能。FastAPI 建構於 Starlette 之上，並增加了依賴注入系統、安全工具、OpenAPI 結構生成等功能。

Pydantic

Pydantic 是一個用於資料驗證和解析的 Python 函式庫。FastAPI 使用 Pydantic 描述網頁應用的資料部分，利用 Python 的型別註解功能，在執行時強制檢查型別。Pydantic 能夠驗證 Python 的內建型別、使用者自定義型別、typing 模組中定義的型別（如 List 和 Dict），以及涉及 Pydantic 遞迴模型的複雜資料型別。

Uvicorn

Uvicorn 是一個高效能的非同步網頁伺服器，根據 asgiref 包中定義的 ASGI 規範設計。要啟用 WebSocket 支援，需要安裝標準版的 Uvicorn，它會引入根據 Cython 的依賴項——uvloop 和 httptools。uvloop 提供了一個更高效的 asyncio 模組事件迴圈替代方案，而 httptools 用於處理 HTTP 協定。

安裝 FastAPI

要安裝 FastAPI，請使用 PIP 工具從 PyPI 倉函式庫取得：

pip3 install fastapi

由於 FastAPI 建構於 Starlette 和 Pydantic 之上，因此這些函式庫也會被安裝。同時，您還需要安裝 Uvicorn 包來服務 FastAPI 應用：

pip3 install uvicorn[standard]

standard 選項會安裝根據 Cython 的依賴項 uvloop、httptools 和 websockets。如果您不打算使用 WebSockets，可以省略此選項。

檢視已安裝的套件

要檢視已安裝的套件列表，請使用 PIP 工具的 freeze 子命令：

pip3 freeze

輸出結果如下：

anyio==3.6.1
click==8.1.3
colorama==0.4.5
fastapi==0.79.0
h11==0.13.0
httptools==0.4.0
idna==3.3
pydantic==1.9.1
python-dotenv==0.20.0
PyYAML==6.0
sniffio==1.2.0
starlette==0.19.1
typing_extensions==4.3.0
uvicorn==0.18.2
watchfiles==0.16.0
websockets==10.3

這些套件提供了多種功能，例如非同步網路和並發處理、命令列介面建立、跨平台彩色文字渲染等。

建立第一個 FastAPI 應用

下面是一個簡單的 “Hello World” 應用範例，將其儲存為 main.py：

# main.py
from fastapi import FastAPI

app = FastAPI()

@app.get("/")
async def index():
    return {"message": "Hello World"}

執行以下命令啟動 Uvicorn 伺服器：

uvicorn main:app --reload

終端機會顯示以下日誌，表示應用正在 localhost 的 8000 連線埠上執行：

INFO: Uvicorn running on http://127.0.0.1:8000 (Press CTRL+C to quit)
INFO: Started reloader process [28720] using WatchFiles
INFO: Started server process [28722]
INFO: Waiting for application startup.
INFO: Application startup complete.

開啟瀏覽器，輸入 http://localhost:8000/，即可看到輸出結果。

程式碼範例說明
from fastapi import FastAPI

app = FastAPI()

@app.get("/")
async def index():
    return {"message": "Hello World"}

內容解密：

這段程式碼定義了一個簡單的 FastAPI 應用。首先，從 fastapi 模組匯入 FastAPI 類別。然後，建立一個 FastAPI 例項，指定給變數 app。使用 @app.get("/") 修飾器定義了一個路由，當使用者存取根 URL（"/"）時，會呼叫 index 函式。index 函式是一個非同步函式，傳回一個包含 “message” 鍵值對的字典，鍵為 “message”，值為 “Hello World”。這個字典會被自動轉換為 JSON 格式，並作為 HTTP 回應傳回給客戶端。

  graph LR;
    A[FastAPI] --> B[Starlette];
    A --> C[Pydantic];
    A --> D[Uvicorn];
    B --> E[Routing];
    B --> F[Templating];
    C --> G[Data Validation];
    C --> H[Data Parsing];
    D --> I[ASGI Support];
    D --> J[High Performance];

圖表翻譯： 此圖表展示了 FastAPI 的架構及其與其他元件的關係。FastAPI 建構於 Starlette、Pydantic 和 Uvicorn 之上。Starlette 提供了路由和範本渲染功能，Pydantic 負責資料驗證和解析，而 Uvicorn 則提供了 ASGI 支援和高效能的非同步處理能力。這種模組化的設計使得 FastAPI 能夠高效地處理各種網頁應用需求。

總結來說，本章介紹了 FastAPI 的基本概念、核心元件和安裝方法，並透過一個簡單的範例演示瞭如何建立和執行一個 FastAPI 應用。在下一章中，我們將進一步探討 FastAPI 的進階功能和應用開發技巧。

玄貓

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技術愛好者，專注於分享程式開發、雲端技術與 AI 應用的心得體會。