实时 Django 终于来了 —— Django Channels 入门指南

Reference: http://www.oschina.net/translate/in_deep_with_django_channels_the_future_of_real_time_apps_in_django

今天，我们很高兴请到Jacob Kaplan-Moss。Jacob是来自Herokai，也是 Django的长期的核心代码贡献者，他将在这里分享一些他对某些特性的深入研究，他认为这些特性将重新定义框架未来。 当Django刚创建时，那是十多年前，网络还是一个不太复杂的地方。大部分的网页都是静态的。由数据库支撑的模型/视图/ 控制器架构的网络应用还是很新鲜的东西。Ajax刚刚开始被使用，只在较少的场景中。 到现在2016年，网络明显更加强大。过去的几年里已经看到了所谓的“实时”网络应用：在这类应用中客户端和服务器之间、点对点通信交互非常频繁。包含很多服务（又名微服务）的应用也变成是常态。新的web技术允许web应用程序走向十年前我们只敢在梦里想象的方向。这些核心技术之一就是WebSockets：一种新的提供全双工通信的协议——一个持久的，允许任何时间发送数据的客户端和服务器之间的连接。

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在这个新的世界，Django显示出了它的老成。在其核心，Django是建立在请求和响应的简单概念之上的：浏览器发出请求，Django调用一个视图，它返回一个响应并发送回浏览器。 这在WebSockets中是行不通的 ！视图的生命周期只在一个请求当中，没有一种机制能打开一个连接不断的发送数据到客户端，而不发送相关请求。 因此：Django  Channels就应运而生了。Channels,简而言之,取代了Django中的“guts” ——请求/响应周期发送跨通道的消息。Channels允许Django以非常类似于传统HTTP的方式支持WebSockets。Channels也允许在运行Django的服务器上运行后台任务。HTTP请求表现以前一样,但也通过Channels进行路由。因此,在Channels 支持下Django现在看起来像这样:

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如您所见，Django Channels引入了一些新的概念: Channels基本上就是任务队列：消息被生产商推到通道，然后传递给监听通道的消费者之一。如果你使用Go语言中的渠道,这个概念应该相当熟悉。主要的区别在于，Django Channels通过网络工作，使生产者和消费者透明地运行在多台机器上。这个网络层称为通道层。通道设计时使用Redis作为其首选通道层，虽然也支持其他类型(和API来创建自定义通道层)。有很多整洁和微妙的技术细节，查阅文档可以看到完整的记录。 现在，通道作为一个独立的应用程序搭配使用Django 1.9使用。计划是将通道合并到Django1.10版本，今年夏天将会发布。 我认为Channels将是Django的一个非常重要的插件：它们将支撑Django顺利进入这个新的web开发的时代。虽然这些api还没有成为Django的一部分，他们将很快就会是！所以，现在是一个完美的时间开始学习Channels：你可以了解未来的Django。

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开始实践：如何在Django中实现一个实时聊天应用 作为一个例子，我构建了一个简单的实时聊天应用程序——就像一个非常非常轻量级的Slack。有很多的房间,每个人都在同一个房间里可以聊天,彼此实时交互（使用WebSockets）。 你可以访问我在网络上部署的例子，看看在GitHub上的代码，或点击这个按钮来部署自己的。（这需要一个免费的Heroku账户，所以得要先注册）： 注意:你需要在点击上面的按钮后，启动工作进程。使用仪表盘或运行heroku ps:scale web=1:free worker=1:free。 如果你想深入了解这个应用程序是如何工作的——包括你为什么需要worker！——那么请继续读下去。我将会一步一步来构建这个应用程序，并突出关键位置和概念。

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第一步——从Django开始

虽然在实现上有了很大差异，但是这仍旧是我们使用了十年的Django。所以第一步和其他任何Django应用是一样的（如果你是Django新手，你得看看如何在Heroku上开始使用Python和Django新手教程）。创建一个工程后，你可以定义模型来表示一个聊天室和其中的消息（chat/models.py）：

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class Room(models.Model):     name = models.TextField()     label = models.SlugField(unique=True)   class Message(models.Model):     room = models.ForeignKey(Room, related_name='messages')     handle = models.TextField()     message = models.TextField()     timestamp = models.DateTimeField(default=timezone.now, db_index=True)

（在这一步中，包括后面的例子，我已经将代码最简化，希望能将焦点放到重点上，全部代码请看Gitbub。）

然后创建一个聊天室视图以及相应的urls.py和模板：

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def chat_room(request, label):     # If the room with the given label doesn't exist, automatically create it     # upon first visit (a la etherpad).     room, created = Room.objects.get_or_create(label=label)       # We want to show the last 50 messages, ordered most-recent-last     messages = reversed(room.messages.order_by('-timestamp')[:50])       return render(request, "chat/room.html", {         'room': room,         'messages': messages,     })

现在，我们已经已经有了一个可以运行的Django应用。如果你在标准的Django环境中运行它，你可以看到已经存在的聊天室和聊天记录，但是聊天室内无法进行交互操作。实时没有起作用，我们得做工作来处理 WebSockets。

雪落无痕xdj
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接下来我们做什么

为了搞明白接下来后台需要做些什么，我们得先看下客户端的代码。你可以在 chat.js 中找到，其实也没做多少工作！首先，创建一个 websocket：

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1 2	var ws_scheme = window.location.protocol == "https:" ? "wss" : "ws"; var chat_socket = new ReconnectingWebSocket(ws_scheme + '://' + window.location.host + "/chat" + window.location.pathname);

注意：

• 像HTTP和 HTTPS一样，WebSocket协议区分为安全和非安全两种，我们可以按照需要选择合适的.

• 因为Heroku的路由有60秒钟过期的问题。 我使用了 一个浏览器WebSocket小技巧 可以在socket断开时自动重连。 （感谢Kenneth Reitz，在他的 Flask WebSocket例子中指出了这一点）。

接下来，我们将加入一个回调函数，当表单提交时，我们就通过WebSocket发送数据（而不是 POST数据）：

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$('#chatform').on('submit', function(event) {     var message = {         handle: $('#handle').val(),         message: $('#message').val(),     }     chat_socket.send(JSON.stringify(message));     return false; });

我们可以通过WebSocket发送任何想要发送的数据。像众多的API一样， JSON 是最容易的，所以我们将要发送的数据打包成JSON格式。

最后，我们需要将回调函数与WebSocket上的新数据接收事件对接起来：

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chatsock.onmessage = function(message) {     var data = JSON.parse(message.data);     $('#chat').append('<tr>'          + '<td>' + data.timestamp + '</td>'          + '<td>' + data.handle + '</td>'         + '<td>' + data.message + ' </td>'     + '</tr>'); };

简单提示：从获取的信息中拉取数据，在会话的表上加上一行。如果现在就运行这个代码，他是无法运行的，现在还没有谁监听WebSocket连接呢，只是简单的HTTP。现在，让我们来连接WebSocket。

雪落无痕xdj
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安装和创建 Channels

要将这个应用“通道化”，我们需要做三件事情：安装Channels，建立通道层，定义通道路由，修改我们的工程使其运行在Channels上（而不是WSGI）。

1. 安装Channels

要安装Channels，只需要执行pip install channels，然后将 "channels”添加到 INSTALLED_APPS配置项中。安装Channels后，允许Django以“通道模式”运行，使用上面描述的通道架构来完成请求/响应的循环。（为了向后兼容，你仍可以以 WSGI模式运行Django ，但是在这种模式下WebSockets和Channel的其他特性就不能工作了。）

2. 选择一个通道层

接下来，我们将定义一个通道层。这是Channels用来在消费者和生产者（消息发送者）之间传递消息的交换机制。 这是一种有特定属性的消息队列（详细信息请查看Channels文档）。

我们将使用Redis作为我们的通道层：它是首选的生产型（可用于工程部署）通道层，是部署在Heroku上显而易见的选择。 当然也有一些驻留内存和基于数据的通道层，但是它们更适合于本地开发或者低流量情况下使用。 （更多细节，再次请查看 文档。）

但是首先：因为Redis通道层是在另外的包中实现的，我们需要运行pip安装 asgi_redis。（我将会在下面稍微介绍点“ASGI”。）然后我们在CHANNEL_LAYERS配置中定义通道层：

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CHANNEL_LAYERS = {     "default": {         "BACKEND": "asgi_redis.RedisChannelLayer",         "CONFIG": {             "hosts": [os.environ.get('REDIS_URL', 'redis://localhost:6379')],         },         "ROUTING": "chat.routing.channel_routing",     }, }

要注意的是我们把Redis的连接URL放到环境外面，以适应部署到Heroku的情况。

雪落无痕xdj
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3. 通道路由

在通道层（CHANNEL_LAYERS），我们已经告诉 Channel去哪里找通道路由——chat.routing.channel_routing。通道路由很类似与URL路由的概念：URL路由将URL映射到视图函数；通道路由将通道映射到消费者函数。跟 urls.py类似，按照惯例通道路由应该在routing.py里。现在，我们创建一条空路由：

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1	channel_routing = {}

(我们将在后面看到好几条通道路由信息，当连接WebSocket的时候回用到。)

你会注意到我们的app里有urls.py和routing.py两个文件：我们使用同一个app处理HTTP请求和WebSockets。这是很典型的做法：Channels应用也是Django应用，所以你想用的所有Django的特性——视图，表单，模型等等——都可以在Channels应用里使用。

雪落无痕xdj
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4. 运行

最后，我们需要替换掉Django的基于HTTP/WSGI的请求处理器，而是使用通道。它是一个基于新兴标准ASGI（异步服务器网关接口）的, 所以我们将在asgi.py文件里定义处理器：

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import os import channels.asgi   os.environ.setdefault("DJANGO_SETTINGS_MODULE", "chat.settings") channel_layer = channels.asgi.get_channel_layer()

(将来，Django会自动生成这个文件，就像现在自动生成wsgi.py文件一样。)

现在，如果一切顺利的话，我们应该能在通道上把这个app运行起来。Channels接口服务叫做Daphne，我们可以运行如下命令运行这个app：

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1	$ daphne chat.asgi:channel_layer --port 8888

** 如果现在访问http://localhost:8888/ 我们会看到……什么事情也没发生。这很让人困惑，直到你想起Channels将 Django分成了两部分：前台接口服务 Daphne，后台消息消费者。所以想要处理HTTP 请求，我们得运行一个worker：

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1	$ python manage.py runworker

现在请求应该能传递过去了。这说明了其中的机制很简洁：Channels 继续处理 HTTP(S)请求，但是是以一个完全不同的方式去处理，这与通过Django运行 Celery 没有太大的不同，那种情况下运行WSGI服务的同时也要运行Celery服务。不过现在，所有的任务——HTTP请求， WebSockets，后台服务都在worker中运行起来了.

（顺便说一句，我们仍然可以通过运行python manage.py runserver命令来做本地测试。当这么做时， Channels只是在同一进程里运行起Daphne和一个worker。）

雪落无痕xdj
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WebSocket消费者

好了，我们已经完成了安装；让我们开始进入最奇妙的部分吧。

Channels 将WebSocket连接映射到三个通道中:

• 一个新的客户端 （如浏览器）第一次通过WebSocket连接上时，一条消息被发送到 websocket.connect 通道。当这发生时，我们记录这个客户端当前进入一个已知的聊天室。

• 每条客户端通过已建立的socket发送的消息都被发送到 websocket.receive通道。（这些都是从浏览器接收到的消息；记住通道都是单向的。我们等一会儿会介绍如何将消息发送给客户端。）当一条消息被接受时，我们将对聊天室里所有其他客户端进行广播。

• 最后，当客户端断开连接时，一条消息被发送到websocket.disconnect通道。当这发生时，我们将此客户端从聊天室里移除。

首先，我们得在routing.py文件里对这个三个通道进行hook:

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from . import consumers   channel_routing = {     'websocket.connect': consumers.ws_connect,     'websocket.receive': consumers.ws_receive,     'websocket.disconnect': consumers.ws_disconnect, }

其实很简单：就是将每个通道连接到对应的处理函数。现在我们来看看这些函数。按照惯例我们会将这些函数放到一个 consumers.py 文件里（但是像视图一样，其实也可以放在任何地方）。

首先来看看 ws_connect：

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from channels import Group from channels.sessions import channel_session from .models import Room   @channel_session def ws_connect(message):     prefix, label = message['path'].strip('/').split('/')     room = Room.objects.get(label=label)     Group('chat-' + label).add(message.reply_channel)     message.channel_session['room'] = room.label

（为了清晰起见，我将代码中的异常处理和日志去掉了。要看完整版本，请看GitHub上的consumers.py）。

雪落无痕xdj
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这里代码很多，让我们一行行来看： 7. 客户端将会连接到一个/chat/{label}/形式的WebSocket，label映射的是一个房间的属性。因为所有的WebSocket消息（不考虑URL）客户端都可以在相同的频道里发送和获取消息，我们要在哪个房间工作，通过路径解析就可以。 客户端解析WebSocket路径是通过读取message['path']获得的，这不同于传统的URL路由，Django的urls.py的路由是基于path的。如果你有多个WebSocket URL，你会需要路由到你自己定制的不同函数。（这是一个“早期”频道方面的内容；很可能在未来的版本里Channel将会包含在WebSocket URL 路由中。） 8. 现在，我们可以从数据库中查看Room对象了。

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9. 这条线是使聊天功能能工作的关键。我们需要知道如何把消息发送回这个客户端。要做到这点，我们将使用消息的应答通道——每条消息都会有一个应答通道属性（reply_channelattribute），可以用来把消息发送回这个客户端。（我们不需要去自己创建这个通道；Channels已经创建好了。）

然而，只把消息发送到这一个通道还是远远不够的的；当一个用户聊天时，我们想把消息送给每一个连接到此聊天室的用户。要做到这点，我们使用一个通道组（channel group）。一个组是由多个通道连接而成，你可以用他来广播消息。所以，我们将这个消息的应答通道加入到这个聊天室的特殊通道组中。

10. 最后，后续的消息（接收/断开）不再包含这个URL（因为连接已经激活）。所以，我们需要一种方式来把一个WebSocket连接映射到哪个聊天室记录下来。要做到这点，我们可以使用一个通道会话。通道会话很像 Django的会话框架： 它们通过通道消息的属性message.channel_session把这些信息持久化下来。我们给一个消费者添加修饰属性 @channel_session，就可以让会话框架起效。 （文档见 通道会话如何工作的更多细节）。

现在一个客户端已经连接上来了，让我们看看ws_receive。WebSocket上每接收一条消息，这个消费者都会被调用：

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@channel_session def ws_receive(message):     label = message.channel_session['room']     room = Room.objects.get(label=label)     data = json.loads(message['text'])     m = room.messages.create(handle=data['handle'], message=data['message'])     Group('chat-'+label).send({'text': json.dumps(m.as_dict())})

（再一次说明，为了清晰起见，我把错误处理和日志都去掉了。）

雪落无痕xdj
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最初的几行很简单：从 channel_session中解析出聊天室，在数据库中查找出来该聊天室，解析JSON消息，将消息作为Message对象存放在数据库中。然后，我们所要作的就是将这条消息广播给聊天室里所有的成员，为了做到这点我们可以使用和前面一样的通道组。Group.send()将会把这条信息发送到加入到本组的所有reply_channel。

然后， ws_disconnect就很简单了：

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@channel_session def ws_disconnect(message):     label = message.channel_session['room']     Group('chat-'+label).discard(message.reply_channel)

这里，在从channel session里查找到聊天室后，我们从聊天组里断开了reply_channel，就是这样！

雪落无痕xdj
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部署和扩展

现在我们已经把 WebSockets连接起来并开始工作，我们可以像上面一样运行daphne和worker进行测试，或者运行manage.py runserver)。但是和自己聊天是很寂寞的哦，所以让我们在Heroku上把它跑起来！

大部分情况下， 一个 Channels 应用和一个Python应用在Heroku上都是一样的——在requirements.txt中有详细需求, 在runtime.txt定义Python运行事，通过标准的git推送到heroku上进行部署，等等。 （对于一个新手，请看 在Heroku上开始Python开发教程。） 我将重点突出那些Channel应用和标准Django应用不一样的地方：

1. Procfile 和处理类型

因为Channels应用同时需要 HTTP/WebSocket 服务和一个后台通道消费者， 所以Procfile需要定义这两种类型。下面是我们的Procfile:

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1 2	web: daphne chat.asgi:channel_layer --port $PORT --bind 0.0.0.0 -v2 worker: python manage.py runworker -v2

当我们首次部署，我们需要确认两种处理类型都在运行中（Heroku默认值启动web进程）：

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1	$ heroku ps:scale web=1:free worker=1:free

（一个简单的应用将运行在 Heroku的免费或者爱好者层上，不过在实际使用环境中你可能需要升级到产品级来提高吞吐量。）

雪落无痕xdj
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2. 插件： Postgres和Redis 就像Django的大多数应用，你需要一个数据库， Heroku的Postgres可以完美的满足要求。然而，Channels也需要一个 Redis实例作为通道层。所以，我们在首次部署我们的应用时需要创建一个 Heroku Postgres和一个 Heroku Redis： $ heroku addons:create heroku-postgresql $ heroku addons:create heroku-redis 3. 扩展 因为Channels实在是太新了，扩展性问题还不是很了解。然而，基于现在的架构和我早前做的一些性能测试，我可以做出一些预测。关键点在于Channels 把负责连接的处理进程（daphne）和负责通道消息处理的处理进程（runworker）分开了。这意味着： 通道的吞吐量——HTTP请求， WebSocket消息，或者自定义的通道消息——取决于工作者进程的数量。所以，如果你需要处理大量的请求，你可以扩展工作者进程 （比如，heroku上 ps:scale worker=3）。 并发水平——当前打开的连接数——将受限于前端web进程的规模。所以，如果你需要处理大量并发的WebSocket连接，你得扩展web进程（比如， heroku 上ps:scale worker=2）。 基于我前期做的测试工作， 在一个Standard-1X进程内Daphne是非常适合处理成百的并发连接的。所以我估计很少有场景需要扩展这个web进程。一个Channels应用中的工作者进程的个数与一个老风格Django应用所需的web进程个数是相当的。

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接下来要做些什么呢? 对WebSocket的支持是Django的一项很大的新特性，但是这只粗浅介绍了Channels可以做些什么。你要记住：Channels是一个运行后台任务的通用工具。因此，很多过去需要 Celery 或者 Python-RQ 才能做得事情，都可以用Channels替换。 Channels无法完全替换复杂的任务队列：他有些很重要的限制，比如只发一次，这并不适合所有的场景。 查看文档以了解全部细节。 当然， Channels可以使通常的后台任务更加简单。比如，你可以很容易的使用Channels完成图像缩略图生成，发送邮件、推文或者短信，运行耗时数据计算等等工作。 对于Channels来说：计划在 Django 1.10中包含Channels ，定于今年夏天发布。这意味着现在是一个很好的时机来尝试一下并给出反馈：您的反馈将会推动这一重要特性的发展方向。如果你想参与进来，看看这份指导文档向Djang贡献代码，  然后到 django开发者邮件列表 里分享你的反馈。 最后： 非常感谢 Andrew Godwin 在 Channels上付出的努力工作。这真是Django的一个非常激动人心的新方向，我很激动地看到它开始发展起来。

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进一步阅读

关于Channels的更多信息，请查看Channels文档，其中包含很多细节和引用，包括：

• Channels的FAQs答案。

•  将Channels整合进Django的计划。

• 正式的 异步网管接口说明 （如果你真的想要了解所有技术细节！）

关于在 Heroku上使用Python 的信息，请访问Python on Heroku in Dev Center。我推荐其中的几篇特别好的文章：

• Getting Started with Python on Heroku

• Configuring Django apps for Heroku