在 Kubernetes 上使用 Flask 搭建 Python 微服务

,微服务遵循领域驱动设计（DDD），与开发平台无关。Python 微服务也不例外。Python3 的面向对象特性使得按照 DDD 对服务进行建模变得更加容易。,微服务架构的强大之处在于它的多语言性。企业将其功能分解为一组微服务，每个团队自由选择一个平台。,我们的用户管理系统已经分解为四个微服务，分别是添加、查找、搜索和日志服务。添加服务在 Java 平台上开发并部署在 Kubernetes 集群上，以实现弹性和可扩展性。这并不意味着其余的服务也要使用 Java 开发，我们可以自由选择适合个人服务的平台。,让我们选择 Python 作为开发查找服务的平台。查找服务的模型已经设计好了（参考 2022 年 3 月份的文章），我们只需要将这个模型转换为代码和配置。,Python 是一种通用编程语言，已经存在了大约 30 年。早期，它是自动化脚本的首选。然而，随着 Django 和 Flask 等框架的出现，它的受欢迎程度越来越高，现在各种领域中都在应用它，如企业应用程序开发。数据科学和机器学习进一步推动了它的发展，Python 现在是三大编程语言之一。,许多人将 Python 的成功归功于它容易编码。这只是一部分原因。只要你的目标是开发小型脚本，Python 就像一个玩具，你会非常喜欢它。然而，当你进入严肃的大规模应用程序开发领域时，你将不得不处理大量的 ​​if​​ 和 ​​else​​，Python 变得与任何其他平台一样好或一样坏。例如，采用一种面向对象的方法！许多 Python 开发人员甚至可能没意识到 Python 支持类、继承等功能。Python 确实支持成熟的面向对象开发，但是有它自己的方式 -- Pythonic！让我们探索一下！,​​AddService​​ 通过将数据保存到一个 MySQL 数据库中来将用户添加到系统中。​​FindService​​ 的目标是提供一个 REST API 按用户名查找用户。域模型如图 1 所示。它主要由一些值对象组成，如 ​​User​​ 实体的​​Name​​、​​PhoneNumber​​ 以及 ​​UserRepository​​。,,图 1: 查找服务的域模型,让我们从 ​​Name​​ 开始。由于它是一个值对象，因此必须在创建时进行验证，并且必须保持不可变。基本结构如所示：,如你所见，​​Name​​ 包含一个字符串类型的值。作为后期初始化的一部分，我们会验证它。,Python 3.7 提供了 ​​@dataclass​​ 装饰器，它提供了许多开箱即用的数据承载类的功能，如构造函数、比较运算符等。如下是装饰后的 ​​Name​​ 类：,以下代码可以创建一个 ​​Name​​ 对象：,​​value​​ 属性可以按照如下方式读取或写入：,可以很容易地与另一个 ​​Name​​ 对象比较，如下所示：,如你所见，对象比较的是值而不是引用。这一切都是开箱即用的。我们还可以通过冻结对象使对象不可变。这是 ​​Name​​ 值对象的最终版本：,​​PhoneNumber​​ 也遵循类似的方法，因为它也是一个值对象：,​​User​​ 类是一个实体，不是一个值对象。换句话说，​​User​​ 是可变的。以下是结构：,你能观察到 ​​User​​ 并没有冻结，因为我们希望它是可变的。但是，我们不希望所有属性都是可变的。标识字段如 ​​_name​​ 和 ​​_since​​ 是希望不会修改的。那么，这如何做到呢？,Python3 提供了所谓的描述符协议，它会帮助我们正确定义 getter 和 setter。让我们使用 ​​@property​​ 装饰器将 getter 添加到 ​​User​​ 的所有三个字段中。,​​phone​​ 字段的 setter 可以使用 ​​@<字段>.setter​​ 来装饰：,通过重写 ​​__str__()​​ 函数，也可以为 ​​User​​ 提供一个简单的打印方法：,这样，域模型的实体和值对象就准备好了。创建异常类如下所示：,域模型现在只剩下 ​​UserRepository​​ 了。Python 提供了一个名为 ​​abc​​ 的有用模块来创建抽象方法和抽象类。因为 ​​UserRepository​​ 只是一个接口，所以我们可以使用 ​​abc​​ 模块。,任何继承自 ​​abc.ABC​​ 的类都将变为抽象类，任何带有 ​​@abc.abstractmethod​​ 装饰器的函数都会变为一个抽象函数。下面是 ​​UserRepository​​ 的结构：,​​UserRepository​​ 遵循仓储模式。换句话说，它在 ​​User​​ 实体上提供适当的 CRUD 操作，而不会暴露底层数据存储语义。在本例中，我们只需要 ​​fetch()​​ 操作，因为 ​​FindService​​ 只查找用户。,因为 ​​UserRepository​​ 是一个抽象类，我们不能从抽象类创建实例对象。创建对象必须依赖于一个具体类实现这个抽象类。数据层 ​​UserRepositoryImpl​​ 提供了 ​​UserRepository​​ 的具体实现：,由于 ​​AddService​​ 将用户数据存储在一个 MySQL 数据库中，因此 ​​UserRepositoryImpl​​ 也必须连接到相同的数据库去检索数据。下面是连接到数据库的代码。注意，我们正在使用 MySQL 的连接库。,在上面的片段中，我们使用用户 ​​root​​ / 密码 ​​admin​​ 连接到一个名为 ​​mysqldb​​ 的数据库服务器，使用名为 ​​glarimy​​ 的数据库（模式）。在演示代码中是可以包含这些信息的，但在生产中不建议这么做，因为这会暴露敏感信息。,​​fetch()​​ 操作的逻辑非常直观，它对 ​​ums_users​​ 表执行 SELECT 查询。回想一下，​​AddService​​ 正在将用户数据写入同一个表中。如果 SELECT 查询没有返回记录，​​fetch()​​ 函数将抛出 ​​UserNotFoundException​​ 异常。否则，它会从记录中构造 ​​User​​ 实体并将其返回给调用者。这没有什么特殊的。,最终，我们需要创建应用层。此模型如图 2 所示。它只包含两个类：控制器和一个 DTO。,,图 2: 添加服务的应用层,众所周知，一个 DTO 只是一个没有任何业务逻辑的数据容器。它主要用于在 ​​FindService​​ 和外部之间传输数据。我们只是提供了在 REST 层中将 ​​UserRecord​​ 转换为字典以便用于 JSON 传输：,控制器的工作是将 DTO 转换为用于域服务的域对象，反之亦然。可以从 ​​find()​​ 操作中观察到这一点。,​​find()​​ 操作接收一个字符串作为用户名，然后将其转换为 ​​Name​​ 对象，并调用 ​​UserRepository​​ 获取相应的 ​​User​​ 对象。如果找到了，则使用检索到的 ​​User`` 对象创建​​UserRecord`。回想一下，将域对象转换为 DTO 是很有必要的，这样可以对外部服务隐藏域模型。,​​UserController​​ 不需要有多个实例，它也可以是单例的。通过重写 ​​__new__​​，可以将其建模为一个单例。,我们已经完全实现了 ​​FindService​​ 的模型，剩下的唯一任务是将其作为 REST 服务公开。,​​FindService​​ 只提供一个 API，那就是通过用户名查找用户。显然 URI 如下所示：,此 API 希望根据提供的用户名查找用户，并以 JSON 格式返回用户的电话号码等详细信息。如果没有找到用户，API 将返回一个 404 状态码。,我们可以使用 Flask 框架来构建 REST API，它最初的目的是使用 Python 开发 Web 应用程序。除了 HTML 视图，它还进一步扩展到支持 REST 视图。我们选择这个框架是因为它足够简单。 创建一个 Flask 应用程序：,然后为 Flask 应用程序定义路由，就像函数一样简单：,注意 ​​@app.route​​ 映射到 API ​​/user/<name>​​，与之对应的函数的 ​​get()​​。,如你所见，每次用户访问 API 如 ​​http://server:port/user/Krishna​​ 时，都将调用这个 ​​get()​​ 函数。Flask 足够智能，可以从 URL 中提取 ​​Krishna​​ 作为用户名，并将其传递给 ​​get()​​ 函数。,​​get()​​ 函数很简单。它要求控制器找到该用户，并将其与通常的 HTTP 头一起打包为 JSON 格式后返回。如果控制器返回 ​​None​​，则 ​​get()​​ 函数返回合适的 HTTP 状态码。,最后，我们需要 Flask 应用程序提供服务，可以使用 ​​waitress​​ 服务：,在上面的片段中，应用程序在本地主机的 8080 端口上提供服务。最终代码如下所示：,​​FindService​​ 的代码已经准备完毕。除了 REST API 之外，它还有域模型、数据层和应用程序层。下一步是构建此服务，将其容器化，然后部署到 Kubernetes 上。此过程与部署其他服务妹有任何区别，但有一些 Python 特有的步骤。,在继续前进之前，让我们来看下文件夹和文件结构：,如你所见，整个工作文件夹都位于 ​​ums-find-service​​ 下，它包含了 ​​ums​​ 文件夹中的代码和一些配置文件，例如 ​​Dockerfile​​、​​requirements.txt​​ 和 ​​kube-find-deployment.yml​​。,​​domain.py​​ 包含域模型，​​data.py​​ 包含 ​​UserRepositoryImpl​​，​​app.py​​ 包含剩余代码。我们已经阅读过代码了，现在我们来看看配置文件。,第一个是 ​​requirements.txt​​，它声明了 Python 系统需要下载和安装的外部依赖项。我们需要用查找服务中用到的每个外部 Python 模块来填充它。如你所见，我们使用了 MySQL 连接器、Flask 和 Waitress 模块。因此，下面是 ​​requirements.txt​​ 的内容。,第二步是在 ​​Dockerfile​​ 中声明 Docker 相关的清单，如下：,总的来说，我们使用 Python 3.8 作为基线，除了移动 ​​requirements.txt​​ 之外，我们还将代码从 ​​ums​​ 文件夹移动到 Docker 容器中对应的文件夹中。然后，我们指示容器运行 ​​pip3 install​​ 命令安装对应模块。最后，我们向外暴露 8080 端口（因为 waitress 运行在此端口上）。,为了运行此服务，我们指示容器使用使用以下命令：,一旦 ​​Dockerfile​​ 准备完成，在 ​​ums-find-service​​ 文件夹中运行以下命令，创建 Docker 镜像：,它会创建 Docker 镜像，可以使用以下命令查找镜像：,尝试将镜像推送到 Docker Hub，你也可以登录到 Docker。,最后一步是为 Kubernetes 部署构建清单。,在之前的文章中，我们已经介绍了如何建立 Kubernetes 集群、部署和使用服务的方法。我假设仍然使用之前文章中的清单文件来部署添加服务、MySQL、Kafka 和 Zookeeper。我们只需要将以下内容添加到 ​​kube-find-deployment.yml​​ 文件中：,上面清单文件的第一部分声明了 ​​glarimy/ums-find-service​​ 镜像的 ​​FindService​​，它包含三个副本。它还暴露 8080 端口。清单的后半部分声明了一个 Kubernetes 服务作为 ​​FindService​​ 部署的前端。请记住，在之前文章中，mysqldb 服务已经是上述清单的一部分了。,运行以下命令在 Kubernetes 集群上部署清单文件：,部署完成后，可以使用以下命令验证容器组和服务：,输出如图 3 所示：,,图 3: Kubernetes 服务,它会列出集群上运行的所有服务。注意查找服务的外部 IP，使用 ​​curl​​ 调用此服务：,注意：10.98.45.187 对应查找服务，如图 3 所示。,如果我们使用 ​​AddService​​ 创建一个名为 ​​KrishnaMohan​​ 的用户，那么上面的 ​​curl​​ 命令看起来如图 4 所示：,,图 4: 查找服务,用户管理系统（UMS）的体系结构包含 ​​AddService​​ 和 ​​FindService​​，以及存储和消息传递所需的后端服务，如图 5 所示。可以看到终端用户使用 ​​ums-add-service​​ 的 IP 地址添加新用户，使用 ​​ums-find-service​​ 的 IP 地址查找已有用户。每个 Kubernetes 服务都由三个对应容器的节点支持。还要注意：同样的 mysqldb 服务用于存储和检索用户数据。,,图 5: UMS 的添加服务和查找服务,UMS 系统还包含两个服务：​​SearchService​​ 和 ​​JournalService​​。在本系列的下一部分中，我们将在 Node 平台上设计这些服务，并将它们部署到同一个 Kubernetes 集群，以演示多语言微服务架构的真正魅力。最后，我们将观察一些与微服务相关的设计模式。