在 Kubernetes 上使用 Flask 搭建 Python 微服务

Question

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。本系列的第 10 部分演示了如何将用户管理系统的查找服务作为 Python 微服务部署在 Kubernetes 上。

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。

Pythonic 方法

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！

领域模型

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 。

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：

class Name:
    value: str
    def __post_init__(self):
        if self.value is None or len(self.value.strip()) < 8 or len(self.value.strip()) > 32:
            raise ValueError("Invalid Name")

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：

from dataclasses import dataclass

@dataclass
class Name:
    value: str
    def __post_init__(self):
        if self.value is None or len(self.value.strip()) < 8 or len(self.value.strip()) > 32:
            raise ValueError("Invalid Name")

以下代码可以创建一个 Name 对象：

name = Name("Krishna")

value 属性可以按照如下方式读取或写入：

name.value = "Mohan"
print(name.value)

可以很容易地与另一个 Name 对象比较，如下所示：

other = Name("Mohan")
if name == other:
    print("same")

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：

from dataclasses import dataclass

@dataclass(frozen=True)
class Name:
    value: str
    def __post_init__(self):
        if self.value is None or len(self.value.strip()) < 8 or len(self.value.strip()) > 32:
            raise ValueError("Invalid Name")

PhoneNumber 也遵循类似的方法，因为它也是一个值对象：

@dataclass(frozen=True)
class PhoneNumber:
    value: int
    def __post_init__(self):
        if self.value < 9000000000:
            raise ValueError("Invalid Phone Number")

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：

from dataclasses import dataclass
import datetime

@dataclass
class User:
    _name: Name
    _phone: PhoneNumber
    _since: datetime.datetime

    def __post_init__(self):
        if self._name is None or self._phone is None:
            raise ValueError("Invalid user")
        if self._since is None:
            self.since = datetime.datetime.now()

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。

@property
def name(self) -> Name:
    return self._name

@property
def phone(self) -> PhoneNumber:
    return self._phone

@property
def since(self) -> datetime.datetime:
    return self._since

phone 字段的 setter 可以使用 @<字段>.setter 来装饰：

@phone.setter
def phone(self, phone: PhoneNumber) -> None:
    if phone is None:
        raise ValueError("Invalid phone")
    self._phone = phone

通过重写 __str__() 函数，也可以为 User 提供一个简单的打印方法：

def __str__(self):
    return self.name.value + " [" + str(self.phone.value) + "] since " + str(self.since)

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：

class UserNotFoundException(Exception):
    pass

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：

from abc import ABC, abstractmethod

class UserRepository(ABC):
    @abstractmethod
    def fetch(self, name:Name) -> User:
        pass

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：

class UserRepositoryImpl(UserRepository):
    def fetch(self, name:Name) -> User:
        pass

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。

from mysql.connector import connect, Error

class UserRepositoryImpl(UserRepository):
    def fetch(self, name:Name) -> User:
        try:
            with connect(
                    host="mysqldb",
                    user="root",
                    password="admin",
                    database="glarimy",
                ) as connection:
                with connection.cursor() as cursor:
                    cursor.execute("SELECT * FROM ums_users where name=%s", (name.value,))
                    row = cursor.fetchone()
                    if cursor.rowcount == -1:
                        raise UserNotFoundException()
                    else:
                        return User(Name(row[0]), PhoneNumber(row[1]), row[2])
        except Error as e:
            raise e

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。

应用层

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。

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：

class UserRecord:
    def toJSON(self):
        return {
            "name": self.name,
            "phone": self.phone,
            "since": self.since
        }

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。

class UserController:

    def __init__(self):
        self._repo = UserRepositoryImpl()

    def find(self, name: str):
        try:
            user: User = self._repo.fetch(Name(name))
            record: UserRecord = UserRecord()
            record.name = user.name.value
            record.phone = user.phone.value
            record.since = user.since
            return record
        except UserNotFoundException as e:
            return None

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。

class UserController:
    def __new__(self):
        if not hasattr(self, ‘instance’):
            self.instance = super().__new__(self)
        return self.instance

    def __init__(self):
        self._repo = UserRepositoryImpl()

    def find(self, name: str):
        try:
            user: User = self._repo.fetch(Name(name))
            record: UserRecord = UserRecord()
            record.name = user.name.getValue()
            record.phone = user.phone.getValue()
            record.since = user.since
            return record
        except UserNotFoundException as e:
            return None

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。

REST API

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：

GET /user/{name}

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：

from flask import Flask
app = Flask(__name__)

然后为 Flask 应用程序定义路由，就像函数一样简单：

@app.route('/user/<name>')
def get(name):
    pass

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。

from flask import jsonify, abort

controller = UserController()
record = controller.find(name)
if record is None:
    abort(404)
else:
    resp = jsonify(record.toJSON())
    resp.status_code = 200
    return resp

最后，我们需要 Flask 应用程序提供服务，可以使用 waitress 服务：

from waitress import serve
serve(app, host="0.0.0.0", port=8080)

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：

from flask import Flask, jsonify, abort
from waitress import serve

app = Flask(__name__)

@app.route('/user/<name>')
def get(name):
    controller = UserController()
    record = controller.find(name)
    if record is None:
        abort(404)
    else:
        resp = jsonify(record.toJSON())
        resp.status_code = 200
        return resp

serve(app, host="0.0.0.0", port=8080)

部署

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：

+ ums-find-service
+ ums
- domain.py
- data.py
- app.py
- Dockerfile
- requirements.txt
- kube-find-deployment.yml

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。

Flask==2.1.1
Flask_RESTful
mysql-connector-python
waitress

第二步是在 Dockerfile 中声明 Docker 相关的清单，如下：

FROM python:3.8-slim-buster

WORKDIR /ums
ADD ums /ums
ADD requirements.txt requirements.txt
RUN pip3 install -r requirements.txt

EXPOSE 8080
ENTRYPOINT ["python"]
CMD ["/ums/app.py"]

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：

python /ums/app.py

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：

docker build -t glarimy/ums-find-service

它会创建 Docker 镜像，可以使用以下命令查找镜像：

docker images

尝试将镜像推送到 Docker Hub，你也可以登录到 Docker。

docker login
docker push glarimy/ums-find-service

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：

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
name: ums-find-service
labels:
app: ums-find-service
spec:
replicas: 3
selector:
matchLabels:
app: ums-find-service
template:
metadata:
labels:
app: ums-find-service
spec:
containers:
- name: ums-find-service
image: glarimy/ums-find-service
ports:
- containerPort: 8080
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
name: ums-find-service
labels:
name: ums-find-service
spec:
type: LoadBalancer
ports:
- port: 8080
selector:
app: ums-find-service

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：

kubectl create -f kube-find-deployment.yml

部署完成后，可以使用以下命令验证容器组和服务：

kubectl get services

输出如图 3 所示：

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：

curl http://10.98.45.187:8080/user/KrishnaMohan

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：

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。

其他服务

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。