快速学习Python框架FastAPI

FastAPI是一种现代、快速（高性能）的Web框架，用于Python 3.6+，使用Python类型提示构建API。它的设计初衷是帮助开发者在短时间内开发出高性能的API服务。FastAPI的灵感来源于许多高性能的编程框架，包括Express、Django REST Framework和Flask，但它提供了一些特定的特性和优化，使其脱颖而出。

什么是FastAPI？

FastAPI实现并支持了Python中的类型提示，使开发者能够在编写代码时更加高效和可靠。它不仅简化了API的开发过程，还在性能方面做出了显著贡献。FastAPI能够在多种情况下提供出色的吞吐量和低延迟，使其非常适合构建快速和可扩展的Web服务。

FastAPI的主要特性包括：

• 快速：FastAPI是当前最快的Python网络框架之一，就像NodeJS和Go这样的系统语言。它使用Starlette（用于网络部分）和Pydantic（用于数据部分）进行优化。
• 简单：开发者可以在数分钟内无痛地创建API。
• 基于标准：遵循OpenAPI和JSON Schema标准，让我们能够自动生成交互式文档和数据验证。
• 自动生成的交互式API文档：Swagger UI和ReDoc界面。
• Python 3.6+类型提示让代码自动完成，极大提升开发体验。
• 生产就绪：适合生产环境应用的代码。

安装FastAPI

在开始使用FastAPI之前，你需要确保你的Python环境已经配置好，然后你可以通过以下命令安装FastAPI：

pip install fastapi

为了运行FastAPI应用，我们还需要一个ASGI服务器，例如uvicorn：

pip install uvicorn

开始使用FastAPI

让我们从一个简单的示例应用开始，该应用提供了一个基本的“Hello, World!”服务。

创建一个文件名为main.py，代码如下：

from fastapi import FastAPI

app = FastAPI()

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

要运行这个应用，使用以下命令：

uvicorn main:app --reload

• main：指的是Python文件（不包括.py扩展名）。
• app：是FastAPI实例的名字。
• --reload：启用自动重载，在代码更改时自动重启服务器。适合开发模式使用。

打开浏览器访问http://127.0.0.1:8000，你将看到一个简单的JSON响应：{"Hello": "World"}。

此外，FastAPI会为你自动生成API文档。使用Swagger UI访问http://127.0.0.1:8000/docs，或者使用ReDoc访问http://127.0.0.1:8000/redoc。

定义请求方法

FastAPI支持几种常见的HTTP方法：GET、POST、PUT、DELETE等。让我们创建一个简单的示例，演示如何使用这些HTTP方法：

from fastapi import FastAPI

app = FastAPI()

# GET请求：获取信息
@app.get("/")
async def root():
    return {"message": "Hello World"}

# POST请求：创建新资源
@app.post("/items/")
async def create_item(item: dict):
    return {"item_name": item.get("name")}

# PUT请求：更新资源
@app.put("/items/{item_id}")
async def update_item(item_id: int, item: dict):
    return {"item_id": item_id, "item_name": item.get("name")}

# DELETE请求：删除资源
@app.delete("/items/{item_id}")
async def delete_item(item_id: int):
    return {"item_id": item_id}

在FastAPI中，通过Python的类型提示系统，我们可以方便地定义和解析路径参数、请求体、查询参数和表单数据。

路径参数

FastAPI通过使用类型提示来定义路径参数：

from fastapi import FastAPI

app = FastAPI()

@app.get("/users/{user_id}")
async def read_user(user_id: int):
    return {"user_id": user_id}

在这里，路径参数user_id定义为一个整数。FastAPI会自动验证传递的参数是否为整数，并在不匹配时返回一个400错误响应。

查询参数

除了路径参数，FastAPI还支持查询参数。它们是定义在URL路径之后的可选参数，通常用于过滤和分页：

from fastapi import FastAPI

app = FastAPI()

@app.get("/items/")
async def read_item(skip: int = 0, limit: int = 10):
    return {"skip": skip, "limit": limit}

在/items/路径上，skip和limit是可选的查询参数，具有默认值skip=0和limit=10。

请求体

FastAPI支持请求体数据的声明和验证。通常，POST、PUT等请求会需要一个请求体：

from fastapi import FastAPI
from pydantic import BaseModel

class Item(BaseModel):
    name: str
    description: str = None
    price: float
    tax: float = None

app = FastAPI()

@app.post("/items/")
async def create_item(item: Item):
    return item

在这里，我们使用Pydantic模型来定义请求体的结构和类型。FastAPI会验证和解析请求体中的数据，并将其作为参数传递给路径操作函数。

数据验证和自动文档

FastAPI利用Pydantic进行数据验证，并自动生成API文档。当你运行FastAPI应用时，它会生成两个API文档界面，分别是Swagger UI和ReDoc。

• Swagger UI：http://127.0.0.1:8000/docs – 提供了一个交互式的API文档，你可以在浏览器中测试所有API操作。
• ReDoc：http://127.0.0.1:8000/redoc – 另一个自动生成的API文档界面，风格简洁。

异步支持

FastAPI完全支持异步编程，它完全利用Python中的async和await特性。在定义路径操作函数时，可以通过async def来声明异步操作：

from fastapi import FastAPI

app = FastAPI()

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

异步编程能够帮助服务器处理更多请求，使其能够更快地响应客户端，尤其在I/O密集型环境中。结合uvicorn或任何ASGI兼容服务器，FastAPI能够实现真正的并发操作。

中间件与扩展

中间件是一个能够在请求或响应期间处理数据的函数。FastAPI提供简单的方式来编写中间件，这有助于在应用中引入额外的功能，例如请求/响应日志、CORS处理、安全措施等。

下面是一个简单的中间件示例，用于记录请求时间：

from fastapi import FastAPI
from starlette.middleware.base import BaseHTTPMiddleware
import time

app = FastAPI()

class TimingMiddleware(BaseHTTPMiddleware):
    async def dispatch(self, request, call_next):
        start_time = time.time()
        response = await call_next(request)
        process_time = time.time() - start_time
        response.headers["X-Process-Time"] = str(process_time)
        return response

app.add_middleware(TimingMiddleware)

CORS（跨域资源共享）

在现代Web应用开发中，CORS是一个常见的问题。FastAPI提供了一种简单的方式来处理CORS问题，你可以通过安装starlette.middleware.cors.CORSMiddleware来实现：

from fastapi import FastAPI
from starlette.middleware.cors import CORSMiddleware

app = FastAPI()

app.add_middleware(
    CORSMiddleware,
    allow_origins=["*"],  # 允许访问的源
    allow_credentials=True,
    allow_methods=["*"],    # 允许的HTTP方法
    allow_headers=["*"],    # 允许的HTTP表头
)

通过以上配置，你可以实现从不同源的客户端访问FastAPI应用。你可以根据实际需求调整允许的来源、方法和表头。

数据库集成

FastAPI是一个轻量级框架，可以很容易地与多种数据库集成。在构建生产级应用时，数据库是必不可少的一部分。其中SQLAlchemy是Python中常用的ORM框架，我们可以利用它与FastAPI进行集成：

首先，安装SQLAlchemy和数据库驱动：

pip install sqlalchemy
pip install databases

接下来，定义数据库配置和模型：

from sqlalchemy import create_engine, Column, Integer, String
from sqlalchemy.ext.declarative import declarative_base
from sqlalchemy.orm import sessionmaker

SQLALCHEMY_DATABASE_URL = "sqlite:///./test.db"

engine = create_engine(SQLALCHEMY_DATABASE_URL, connect_args={"check_same_thread": False})
SessionLocal = sessionmaker(autocommit=False, autoflush=False, bind=engine)
Base = declarative_base()

class Item(Base):
    __tablename__ = 'items'

    id = Column(Integer, primary_key=True, index=True)
    name = Column(String, index=True)
    description = Column(String, index=True)

创建数据库会话和路径操作：

from fastapi import Depends, FastAPI, HTTPException
from sqlalchemy.orm import Session
from typing import List

app = FastAPI()

Base.metadata.create_all(bind=engine)

def get_db():
    db = SessionLocal()
    try:
        yield db
    finally:
        db.close()

@app.post("/items/", response_model=Item)
def create_item(item: Item, db: Session = Depends(get_db)):
    db.add(item)
    db.commit()
    db.refresh(item)
    return item

@app.get("/items/", response_model=List[Item])
def read_items(skip: int = 0, limit: int = 10, db: Session = Depends(get_db)):
    items = db.query(Item).offset(skip).limit(limit).all()
    return items

在上面的代码中，我们定义了一个SQLAlchemy数据库模型，同时创建了CRUD操作，包括创建（POST）和读取（GET）功能。通过Depends依赖注入，我们将数据库会话传递给路径操作函数，使我们能够轻松管理数据库事务。

全面总结

FastAPI是一个强大且高效的Web框架，适合从小型项目到大型企业级应用的各种开发需求。因为它的自动文档、数据验证和优秀的性能，FastAPI在编写现代Web服务时提供了巨大的便捷性。结合异步、CORS、中间件和数据库集成功能，FastAPI能够帮助开发者快速构建稳健的API服务。我们强烈推荐在你的下一个项目中试用FastAPI，并享受其带来的高效开发体验。