12.23 一篇文章帶你看懂各類網關接口(GI)

前幾天和同事討論起CGI的性能、CGI為什麼是一項落後的技術的時候，發現其實很多人對CGI等的網關技術並不熟悉。這裡相信很多同學也都聽過CGI、fastCGI、WSGI等的詞語，但是應該很多同學都分辨不清它們的區別和聯繫，本篇文章，就和大家一起探討這些技術的發展簡史。而本篇文章標題的GI，指的就是Gateway Interface（網關接口）的縮寫。

瞭解網關接口之前，我們需要先弄清楚兩個東西，Web服務器和Web應用程序。什麼是Web服務器？什麼是Web應用程序？雖然在我的Django小程序課程裡面，有對這兩者的區別展開來介紹，但是這裡考慮到很多同學並沒有學習這門課，所以我們先把這兩個概念弄清楚，否則在後面討論起網關接口，也只會一知半解。

Web服務器

首先，什麼是Web服務器。Web服務器是服務於網站後臺的一個軟件，是常駐於物理服務器的一個計算機程序。Web服務器可以向瀏覽器等Web客戶端提供文檔，也可以放置網站文件，讓全世界瀏覽；可以放置數據文件，讓全世界下載。目前最主流的三個Web服務器是Apache、 Nginx 、IIS。

Apache是世界使用排名第一的Web服務器軟件。它可以運行在幾乎所有廣泛使用的計算機平臺上，由於其跨平臺和安全性被廣泛使用，是最流行的Web服務器端軟件之一。它快速、可靠並且可通過簡單的API擴充，將Perl/Python等解釋器編譯到服務器中。

Nginx是一款輕量級的Web服務器/反向代理服務器及電子郵件（IMAP/POP3）代理服務器，在BSD-like 協議下發行。其特點是佔有內存少，併發能力強，事實上Nginx的併發能力在同類型的網頁服務器中表現較好，中國大陸使用Nginx網站用戶有：百度、京東、新浪、網易、騰訊、淘寶等。

這裡先簡單討論一下Nginx和Apache的區別，在資源上，Nginx佔用的內存更少；在性能上，Nginx的併發能力更強；在社區方面，Nginx和Apache都擁有廣泛的使用者，Apache的插件會比Nginx豐富一些。另外Nginx的功能比Apache要豐富一些，Nginx除了作為Web服務器以外，也經常作為反向代理服務器等使用，而Apache則主要作為Web服務器去使用。

還有IIS，IIS是微軟公司在Windows Server提供的一個Web服務器，一般部署在Windows系統上，也有一定的使用者。

Web應用程序

瞭解了Web服務器，我們接著瞭解一下Web應用程序。

Web應用程序一般指的是完成業務邏輯的程序，比如熟悉Python語言的，經常會用Django、Flask、Tornado等框架來完成業務邏輯的處理，接受請求，返回結果；熟悉Java語言的，則經常會使用Spring、Spring Boot來完成業務邏輯處理；熟悉PHP語言的，則常用ThinkPHP、Laravel、CI等等框架來完成Web後臺的開發；還有Golang、Node.js等等，都會有相應的框架來完成Web請求的處理。

這些就是定義為Web應用程序的東西，也就是我們常說的Web框架，比如一個Pythoner問另外一個Pythoner，你一般使用什麼Web框架呀？這個就是Web應用程序。

那麼Web服務器和Web應用程序有啥區別？其實在前面的描述裡面，我已經說的比較清楚了，Web應用程序主要是完成業務邏輯的處理，Web服務器則主要是進行外部請求的接收和轉發。這裡需要注意的是，我們一般不應該把業務邏輯放在Web服務器上去處理，雖然說Web服務器支持廣泛的腳本來進行拓展，但是我們一般情況下還是不應該把業務邏輯放在Web服務器去處理，比如攔截請求、鑑權處理等等的操作。

看到這裡可能有些人又會有疑問了，在開發Web應用的時候，我們直接就可以把應用跑起來接受請求了呀，為啥還需要Web服務器的存在。比如說使用Django的時候，直接輸入命令python manage.py runserver，就可以接收請求了，為啥還需要Web服務器呢。

這主要是從性能上去考慮的，Web應用雖然在開發階段就可以通過一些命令來啟動服務，但是這些功能主要是提供調試所使用的，真正部署上線的時候，如果流量較大，性能是不行的，所以需要有Web服務器的存在。Web服務器是專門用於接收外部請求並處理的軟件，所以Web服務器在性能上會比Web應用更佳，畢竟術業有專攻。Web服務器處理靜態資源請求(CSS、JS、HTML、圖片)等，性能會比Web應用更好。另外對於一些非靜態資源的請求，則需要轉發到後臺Web應用。

到這裡，我們基本分清楚Web服務器和Web應用的區別了，這裡面我們注意一個關鍵詞“轉發”，當Web服務器接受請求的時候，會把請求轉發到後臺Web應用去處理，我們本篇文章的主角，GI就工作在這個轉發的過程中。

CGI

終於輪到主角“網關接口”。前面介紹了GI工作的地方，接下來我們就來一起探討一下現在有哪些GI，他們有哪些特點和區別。

首先是CGI，CGI是Common Gateway Interface （通用網關接口）的縮寫。CGI是一項古老的技術。最初是在1993年由美國國家超級電腦應用中心（NCSA）為NCSA HTTPd Web服務器開發的。CGI的原理非常簡單粗暴，在支持CGI的Web服務器下，只需要寫一個簡單的腳本，然後在腳本中輸出內容，這些內容就會返回給前臺。舉個簡單的例子，使用Python實現一個hello.py：

<code>#!/usr/bin/env python

print 'Hello, World! Hello CGI.'
/<code>

然後把他改名為hello.cgi，部署到Web服務器下，當請求到達的時候，打印的字符串就會通過Web服務器返回到頁面。我們常常稱這種應用為console application (也可以稱作command-line interface programs) 的程序，這樣的腳本稱為CGI腳本。

CGI工作完整的原理是這樣的：

一句話就是 Web 服務器中的 CGI 進程將接收到的 HTTP 請求數據讀取到環境變量中，通過標準輸入轉發給CGI程序；當CGI程序處理完成後，Web 服務器中的CGI進程從標準輸出中讀取返回數據，並轉換回 HTTP 響應消息格式，最終將頁面呈現給用戶。然後 Web 服務器關閉掉這個 CGI 進程。

可以說 CGI 協議特別擅長處理 Web 服務器和 Web 應用的通信問題。然而，它有一個嚴重缺陷，對於每個請求都需要重新 fork 出一個 CGI 進程，處理完成後立即關閉。當請求量比較大時，會有嚴重的性能問題，因為頻繁的創建進程和回收進程，會佔用非常多的服務器資源。因為CGI的性能問題，於是新一代的CGI技術，FastCGI應運而生。

FastCGI

快速通用網關接口（Fast Common Gateway Interface／FastCGI）是一種讓交互程序與Web服務器通信的協議。FastCGI是早期通用網關接口（CGI）的增強版本。

FastCGI致力於減少網頁服務器與CGI程序之間交互的開銷，從而使服務器可以同時處理更多的網頁請求。

而FastCGI的工作原理是這樣的：

所以FastCGI可以看作是解決原始CGI性能問題的一個升級版本。

WSGI

WSGI：全稱是Web Server Gateway Interface，Web服務器網關接口，WSGI不是服務器，Python模塊，框架，API或者任何軟件，只是一種規範，描述前面Web服務器如何與Web應用通信的規範。

前面介紹網關接口的時候介紹了CGI、FastCGI等，那這裡的WSGI主要是Python為Web服務器和Web應用程序之間通信而設計的。在Python中，常見的Web框架Tornado、Django、Flask都支持使用WSGI和Web服務器進行通信，而在採用WSGI協議的時候，則常常安裝uWSGI模塊來完成通信。

ASGI

與WSGI類似的還有一個ASGI，ASGI也是由Python實現的一類網關接口，這裡的A指的是Async，異步的意思。ASGI是WSGI的擴展，支持除了原來的HTTP以外的WebSocket等的網絡協議。

Servlet、Tomcat

終於來到Java陣營了，在前面的CGI、FastCGI、WSGI等等，主要都是PHP、C++、Python等語言實現Web應用程序和Web服務器通信的網關接口，尤其是CGI、FastCGI，在以前C++、PHP大行其道的時候，它們擁有廣泛的用戶基礎，像騰訊等大企業，由於歷史的關係，內部系統中還有很多保留著CGI、FastCGI等技術。那麼在Java的陣營下，一般使用什麼技術作為Web服務器和Web應用框架之間的通信呢？

Servlet，談到Java不得不談的一項技術，全稱Server Applet，是用Java編寫的服務器端程序，可以看做是前面我們介紹的Web應用程序。其主要功能在於交互式地瀏覽和修改數據，生成動態Web內容。Servlet最初誕生在1997年，最新的一個版本Servlet4.0於2017年9月份推出，Servlet擁有廣泛的用戶群體。

如果說Servlet是應用程序，那Servlet容器就是包含應用程序的Web服務器，常見的Servlet容器就有我們熟知的湯姆貓(Tomcat)、Jetty等，Servlet容器管理著Servlet應用，我們的Servlet程序一般通過Servlet容器對外進行服務。

隨著Docker容器技術和K8S容器編排技術的成熟，今天微服務技術也是非常熱門，而微服務離不開的Spring Boot、Spring Cloud的其中，就有Servlet、Servlet容器的身影。

我們說說Spring Boot，對於Spring Boot，大家都被他快捷的開發和部署方式所吸引，Spring Boot是由早期的Spring框架發展而來的，其設計目的是用來簡化新Spring應用的初始搭建以及開發過程。在我們開發使用Spring Boot開發Web後臺的時候，我們在寫完邏輯代碼的時候，在本地只需要點擊運行，就能通過瀏覽器進行調試，頗為方便；這和前面我們使用PHP、Python開發Web程序非常類似，我們在使用Flask、Tornado等框架開發Web程序的時候，也可以通過簡單的啟動，就可以在本地通過瀏覽器去調試。但是這裡是有一些區別的，我們說Flask、Tornado等框架是Web應用框架，沒有說他們是Web服務器，他們通過前面介紹的網關接口(GI)通信，但是在使用Spring Boot的時候，卻很少說需要把它部署在Web服務器Apache、Nginx之下，一般部署Spring Boot應用的時候，我們直接把它打包成jar包，就可以在服務器跑起來對外服務了。這是為什麼呢？

其實Spring Boot內嵌了Servlet容器Tomcat，也就是Spring Boot既充當了Web應用程序的角色，也充當了Web服務器的角色，在開發Spring Boot應用程序的過程中，我們是先通過代碼實現了Web應用程序的邏輯，處理請求和應答，而Servlet容器的部分，完全不需要我們去配置，這就是Spring Boot簡單、便捷，高效的開發效率的原因，所以現在很多同學都喜歡使用Spring Boot去開發Web的後臺。Spring Boot提供了簡單的開發模式，但是也帶來一些問題，比如說很多同學根本無法分清楚Web應用程序和Web服務器的區別等等。

最後簡單的回顧一下今天這篇文章，我們主要是介紹了現在Web後端各種網關接口，包括CGI、FastCGI、WSGI等，在理解這些之前，我們需要弄懂Web服務器和Web應用程序，而網關接口，就是主要工作在Web服務器和Web應用程序之間的。最後我們還介紹了Java陣營的技術，在Java現在大行其道的Spring Boot框架裡面，我們不再特意強調Web服務器和Web應用程序，Spring Boot框架是把兩個融合在一起的一個框架，Spring Boot可以便捷的開發和部署Web程序，就是因為內部包含了一個叫Tomcat的Servlet容器，也就是Web服務器。

最後希望這篇文章對大家捋清楚Web後臺技術和網關接口，都能有一定的幫助。