通过demo学习OpenStack开发所需的基础知识 -- 软件包管理

为什么写这个系列

OpenStack是目前我所知的最大最复杂的基于Python项目。整个OpenStack项目包含了数十个主要的子项目，每个子项目所用到的库也不尽相同。因此，对于Python初学者和未接触过OpenStack项目的人来说，入门的难度相当大。

幸运的是，OpenStack中的项目有很多共同点。比如，它们有相同的代码库结构，都尽可能是用同样的库，配置文件和单元测试的规范也都几乎一样。因此，通过学习这些共通的部分，我们就可以快速掌握多个OpenStack项目。但是，万事开头难，学习这些基础知识总是痛苦的。不过，学习的难点并不在于这些知识点本身有多难理解，而是这些基础知识的应用场景和应用效果对初学者来说都是模糊的。这个系列文章的目的就是帮助有需要的人了解OpenStack中一些常见的知识点。理解过程就是通过动手做一个web application demo来实现的。

这个系列文章会涉及到以下的知识点：

包管理和pbr
WSGI, RESTful Service和Pecan框架
eventlet
SQLAlchymy
单元测试

下面的知识点是不会专门讲的，如果有遇到不会的请自学：

软件包管理

软件包管理是每个OpenStack项目的基础，其目的是用来将项目代码打包成源码包或者二进制包进行分发。一个项目的代码可能会被打包放到PyPI上，这样你可以通过pip命令安装这个包；也可能会被打包放到项目的软件仓库里，这样你可以通过apt-get install或者yum install来安装这个软件包。

不幸的是，Python在软件包管理十分混乱，至少历史上十分混乱。原因有两个：一是标准库提供的软件包管理功能十分弱，二是官方没有提供统一的软件包管理标准。对于这个领域，我曾经也是混乱的，只知道使用easy_install和pip来安装软件包。不过自从看了The Hacker's Guide to Python（《Python高手之路》）之后，算是知道点来龙去脉。

软件打包工具的历史

这里我会讲一下我知道的Python的软件打包工具的历史，我们按照历史顺序来叙述。

distutils (before 2000)

disutils自从1998年起就是Python标准库的一部分了，不过它在2000年就停止了开发。disutils是最早的Python打包工具和标准，也奠定了对Python软件进行打包的一个基本工作方式：使用setup.py文件。来看一个setup.py文件的例子：

#!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-

from disutils.core import setup

setup(name='webdemo',
      description='A simple web demo.',
      author='author name',
      author_email='author_name@example.com'
      url='http://example.com',
      packages=['webdemo'])

setup.py文件是放在项目根目录下的：

➜ ~/programming/python/webdemo git:(master) ✗ $ ls
LICENSE  README.md  setup.py  webdemo

然后你就可以使用命令python setup.py build来编译包，可以使用python setup.py install来安装这个项目。如果需要帮助，可以通过python setup.py --help-commands来查看支持的命令。

setuptools

disutils停止开发后，setuptools成了继任者。setuptools提供了很多高级功能，包括自动依赖处理、Egg分发格式以及easy_install命令。setuptools的使用方式和disutils差不多，也是以一个setup函数作为入口，只不过该函数来自于setuptools模块，而且支持更多的参数，比如classifiers, setup_requires等，参数更多意味着功能更多。

后来有一段时间setuptools项目发展开始变得缓慢了，就有人从setuptools项目创建了distribute项目。distribute开始支持Python 3等新特性。不过一段时间后，distribute项目又和setuptools项目合并了（2013年3月）。因此，现在已经不存在distribute项目了。

到目前为止，setuptools还是使用最多的打包工具，而且开发很活跃，2015年6月刚刚发布了18.0版本。setuptools项目的文档在：http://pythonhosted.org/setuptools/。OpenStack目前也是使用setuptools库来执行打包操作，我们下面会详细点介绍setuptools工具。

disutils2

在setuptools项目发展的过程中，有一个叫disutils2的项目也在并行开发中，其目的是全面取代Python标准库中的distutils。disutils2的最大改进是将setup函数的参数单独放到一个setup.cfg的文件中（这些成为包的元数据）。不够disutils2这个项目缺点很多，而且没有功能上还不如setuptools项目，所以在2012年的时候，这个项目被废弃了。

distlib

这个是一个新的打包工具，目标也是取代disutils。不过这个项目的开发进展也不快，到2015年才发布了0.2.0版本。目前还未能并入到Python的标准库中。不过可以保持关注。项目文档地址：https://readthedocs.org/projects/distlib/

在OpenStack中使用打包工具

前面已经提到了，OpenStack也是使用setuptools工具来进行打包，不过为了满足OpenStack项目的需求，引入了一个辅助工具pbr来配合setuptools完成打包工作。

pbr (Python Build Reasonableness)

pbr是一个setuptools的扩展工具，被开发出来的主要目的是为了方便使用setuptools，其项目文档地址也在OpenStack官网内：http://docs.openstack.org/developer/pbr/。

先说一下pbr如何使用：

import setuptools

setuptools.setup(setup_requires=['pbr'], pbr=True)

按照上面的方式就可以配置setuptools工具使用pbr来协助完成打包工作。这里的setup_requires参数意思是setup函数在执行之前需要依赖的包的列表。这里的依赖的包的功能可以理解为生成setup的实际参数。你可以看到，当使用pbr的时候，setup函数只有两个参数，然而实际上setuptools.setup函数实际上是disutils.core.setup函数，会接收任何参数，这些参数可以通过在调用时指定，也可以通过所依赖的扩展来生成（比如pbr）。

那么OpenStack社区为啥要开发pbr呢？因为setuptools库使用起来还是有点麻烦，参数太多，而且直接通过指定setup函数的参数的方法实在太不方便了。pbr就是为了方便而生的，它带了了如下的改进：

使用setup.cfg文件来提供包的元数据。这个是从disutils2学来的。
基于requirements.txt文件来实现自动依赖安装。requirements.txt文件中包含了一个项目所要依赖的库，这个文件的格式是和pip兼容的。
利用Sphinx实现文档自动化。
基于git history自动生成AUTHORS和ChangeLog文件。
针对git自动创建文件列表。
基于git tags的版本号管理。

pbr的版本推导

这里重点说明一下基于git tag的版本号管理这个功能。当使用pbr的时候，版本号有两种方式：postversioning和preversioning，postversioning是默认方式。要是用preversioning的方式，则需要设置setup.cfg文件中的*metadata]段的version字段的值*。无论采用哪种方式，版本号都是从git的历史推理得到的。pbr使用的版本号标准是[Linux/Python Compatible Semantic Versioning 3.0.0，简单的说就是下面这个标准：

Given a version number MAJOR.MINOR.PATCH, increment the:

MAJOR version when you make incompatible API changes,

MINOR version when you add functionality in a backwards-compatible manner,

and PATCH version when you make backwards-compatible bug fixes.

pbr的版本推导按照如下的步骤进行（注意，最终版本号才是软件包的版本号）：

如果设置version的值为一个给定的版本号，且这个版本号刚好对应一个tag，则这个值就是最终版本号（注意，这里只有签名的tag才有效）。
如果不是上面情况，则pbr会找到最近的一个tag，然后为其MINOR值加1得到一个比它大的最小版本号（注意，这个还不是最终版本号）。
然后pbr会从最近的一个tag开始遍历所有的git commit，并检查每个提交的commit message，在commit message中查找Sem-Ver:这样的行：

如果Sem-Ver的值是bugfix，则会增加版本号中PATCH部分的值。
如果Sem-Ver的值是feature或者deprecation，则会增加版本号中MINOR部分的值。
如果Sem-Ver的值是api-break，则会增加版本号中MAJOR部分的值。
如果Sem-Ver行不存在，则认为值是bugfix。
如果Sem-Ver的值不在上面列出的范围内，则会给出警告。

如果使用的是postversioning的方式，也就是setup.cfg中不指定version的值，则pbr会使用规则3推导出来的值作为目标版本号（只是目标版本号，不是最终版本号）。
如果使用的是preversioning的方式，也就是setup.cfg中指定了version的值（而且不符合规则1），则会检查指定的version是否高于规则3推导出来的版本号，如果没有，则会抛出异常，如果有，则使用指定的版本号作为目标版本号。
在得到目标版本号之后，开始计算开发版本号。开发版本号的形式如下：MAJOR.MINOR.PATCH.devN。这里要计算的是devN中的N。这个值等于从最近的git tag开始的提交数量。计算完开发版本号之后，就得到了最终版本号。

总的来说，从上面的规则计算出来的版本号只有两种形式，一种是发布版本号（对应到某个tag），另一种是开发版本号。注意：pbr要求tag都是要签名的，也就是打tag时要使用git tag -a -s X.Y.Z的形式。

setup.cfg和requirements.txt

setup.cfg

由于OpenStack项目都使用了setuptools和pbr来执行打包工作，因此项目的元数据都放在setup.cfg文件中。我们以keystone项目的setup.cfg文件为例来说明这个文件里一般会包含什么内容。以下是写这篇文章时最新的keystone项目的setup.cfg文件的内容（以#开头的是我加的注释）：

[metadata]  # 元数据段
name = keystone  # 软件包名称
version = 8.0.0  # 软件包版本号，还可以指定preversoining, postversioning等值，具体的作用看pbr的文档。
summary = OpenStack Identity  # 简介
description-file =  # 指定README文件
    README.rst
author = OpenStack  # 作者
author-email = openstack-dev@lists.openstack.org  # 作者邮件
home-page = http://www.openstack.org/  # 主页
classifier =  # 包的分类，下面具体说
    Environment :: OpenStack
    Intended Audience :: Information Technology
    Intended Audience :: System Administrators
    License :: OSI Approved :: Apache Software License
    Operating System :: POSIX :: Linux
    Programming Language :: Python
    Programming Language :: Python :: 2
    Programming Language :: Python :: 2.7

[files]  # 文件段
packages =  # 包名称
    keystone

[global]  # 全局段
setup-hooks =  # 指定安装hook
    pbr.hooks.setup_hook


[egg_info]  # 指定egg信息
tag_build =
tag_date = 0
tag_svn_revision = 0

[build_sphinx]  # 文档build相关信息
all_files = 1
build-dir = doc/build
source-dir = doc/source

[compile_catalog]
directory = keystone/locale
domain = keystone

[update_catalog]
domain = keystone
output_dir = keystone/locale
input_file = keystone/locale/keystone.pot

[extract_messages]
keywords = _ gettext ngettext l_ lazy_gettext
mapping_file = babel.cfg
output_file = keystone/locale/keystone.pot
copyright_holder = OpenStack Foundation
msgid_bugs_address = https://bugs.launchpad.net/keystone

# NOTE(dstanek): Uncomment the [pbr] section below and remove the ext.apidoc
# Sphinx extension when https://launchpad.net/bugs/1260495 is fixed.
[pbr]  # pbr本身的配置
warnerrors = True
autodoc_tree_index_modules = True

[entry_points]  # 指定入口点
console_scripts =  # 指定要生成的可执行文件
    keystone-all = keystone.cmd.all:main
    keystone-manage = keystone.cmd.manage:main

# 下面是其他entry_points内容，主要用于指定不同功能的扩展，和打包无关。
...

(上面有些未注释的部分我目前还不太清楚，后续补充，可以先参考PEP301)

这里说说一下classifier这个参数。这个参数是用来指定一个软件包的分类、许可证、允许运行的操作系统、允许运行的Python的版本的信息。这些信息是在一个叫trove的项目。关于Python和trove的关系，请参考http://stackoverflow.com/questions/9094220/trove-classifiers-definition。

你可以在PyPI上找到完整的classifier值列表，地址是：https://pypi.python.org/pypi?%3Aaction=list_classifiers。另外，你也可以通过setuptools的命令来获取这个列表，在项目根目录下执行：python setup.py register --list-classifiers。

requirements.txt

这个文件指定了一个项目依赖的包有哪些，并且支出了依赖的包的版本需求，可以看看keystone项目的requirements.txt：

# The order of packages is significant, because pip processes them in the order
# of appearance. Changing the order has an impact on the overall integration
# process, which may cause wedges in the gate later.

pbr<2.0,>=0.11
WebOb>=1.2.3
eventlet>=0.17.4
greenlet>=0.3.2
PasteDeploy>=1.5.0
Paste
Routes!=2.0,>=1.12.3
cryptography>=0.8.2 # Apache-2.0
six>=1.9.0
SQLAlchemy<1.1.0,>=0.9.7
sqlalchemy-migrate>=0.9.6
stevedore>=1.5.0 # Apache-2.0
passlib
python-keystoneclient>=1.6.0
keystonemiddleware>=1.5.0
oslo.concurrency>=2.1.0 # Apache-2.0
oslo.config>=1.11.0 # Apache-2.0
oslo.messaging!=1.12.0,>=1.8.0 # Apache-2.0
oslo.db>=1.10.0 # Apache-2.0
oslo.i18n>=1.5.0 # Apache-2.0
oslo.log>=1.2.0 # Apache-2.0
oslo.middleware!=2.0.0,>=1.2.0 # Apache-2.0
oslo.policy>=0.5.0 # Apache-2.0
oslo.serialization>=1.4.0 # Apache-2.0
oslo.service>=0.1.0 # Apache-2.0
oslo.utils>=1.6.0 # Apache-2.0
oauthlib>=0.6
pysaml2>=2.4.0
dogpile.cache>=0.5.3
jsonschema!=2.5.0,<3.0.0,>=2.0.0
pycadf>=0.8.0
msgpack-python>=0.4.0

软件包归档格式

Python的软件包一开始是没有官方的标准分发格式的。比如Java有jar包或者war包作为分发格式，Python则什么都没有。后来不同的工具都开始引入一些比较通用的归档格式。比如，setuptools引入了Egg格式。但是，这些都不是官方支持的，存在元数据和包结构彼此不兼容的问题。因此，为了解决这个问题，PEP 427定义了新的分发包标准，名为Wheel。目前pip和setuptools工具都支持Wheel格式。这里我们简单总结一下常用的分发格式：

tar.gz格式：这个就是标准压缩格式，里面包含了项目元数据和代码，可以使用python setup.py sdist命令生成。
.egg格式：这个本质上也是一个压缩文件，只是扩展名换了，里面也包含了项目元数据以及源代码。这个格式由setuptools项目引入。可以通过命令python setup.py bdist_egg命令生成。
.whl格式：这个是Wheel包，也是一个压缩文件，只是扩展名换了，里面也包含了项目元数据和代码，还支持免安装直接运行。whl分发包内的元数据和egg包是有些不同的。这个格式是由PEP 427引入的。可以通过命令python setup.py bdist_wheel生成。

.egg-info和.dist-info目录

如果你到系统中安装Python库的路径下看看，就能看到很多名称以.egg-info或者以.dist-info结尾的目录。这些目录的内容就是这个库的元数据，是从库的分发包中拷贝出来的。其中.egg-info类型的目录来自于Egg格式的分发包，.dist-info类型的目录来自于Wheel格式的分发包。

软件包的安装

安装工具

上面已经提到了，setuptools项目提供了一个软件包安装工具*esay_install。easy_install支持从软件归档文件中或者从PyPI上安装软件包，不过这个工具并不好用，比如缺少卸载功能等，因此并不流行，现在更多的都是使用pip工具。

pip项目提供了很好的软件包安装方式，并且已经被包含到Python 3.4中，可以从PyPI、tarball或者Wheel归档中安装和卸载软件按包。关于pip常见的用法，这里就不赘述了(pip install, pip uninstall, pip search, ...)。

安装路径

软件包的安装路径依赖于操作系统、Python版本和安装方式。

在Debian系的系统上（比如Ubuntu）
- 使用apt-get install从系统软件源安装
  - Python 2.7: /usr/lib/python2.7/dist-packages
  - Python 3.4: /usr/lib/python3.4/dist-packages
- 使用pip install命令安装
  - Python 2.7: /usr/local/lib/python2.7/dist-packages
  - Python 3.4: /usr/local/lib/python3.4/dist-packages
- 在virtualenv中使用pip install安装
  - Python 2.7: lib/python2.7/site-packages
  - Python 3.4: lib/python3.4/site-packages
在CentOS系的系统上
- 使用yum install命令安装
  - Python 2.7: /usr/lib/python2.7/site-packages

以开发模式安装

pip的安装命令可以使用-e选项，用来从本地代码目录或者版本库URL来安装一个开发版本的库。采用这种方式的时候，在安装目录下只会创建一个包含软件包信息的文件，真正的代码不会安装到系统目录下。

webdemo的打包管理

学习过包管理相关的知识后，我们就要以OpenStack的方法来创建一个我们自己的项目。这个项目的名称是webdemo，就是一个简单的web服务器。这个项目会贯穿这个系列文章。在本文中，我们首先要创建webdemo的项目框架并添加软件包管理相关的内容。

项目目录结构

➜ ~/programming/python/webdemo git:(master) ✗ $ tree .
.
├── LICENSE
├── README.md
├── requirement.txt
├── setup.cfg
├── setup.py
└── webdemo
    └── __init__.py

1 directory, 6 files

这个是一个最简单的Python项目目录：

源代码放在子目录webdemo/下
然后包含了软件包管理的所需的文件：setup.py, setup.cfg, requirements.txt
LICENSE和README

软件包管理相关

首先是setup.py，就是这么简单：

#!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-

import setuptools


# In python < 2.7.4, a lazy loading of package `pbr` will break
# setuptools if some other modules registered functions in `atexit`.
# solution from: http://bugs.python.org/issue15881#msg170215
try:
        import multiprocessing  # noqa
except ImportError:
        pass


setuptools.setup(
    setup_requires=['pbr'], pbr=True)

然后是setup.cfg：

[metadata]
name = webdemo
version = 0.0.1
summary = Web Application Demo
description-file = README.md
author = author
author-email = author@example.com
classifier =
    Environment :: Web Environment
    Intended Audience :: Developers
    Intended Audience :: Education
    License :: OSI Approved :: GNU General Public License v2 (GPLv2)
    Operating System :: POSIX :: Linux
    Programming Language :: Python
    Programming Language :: Python :: 2
    Programming Language :: Python :: 2.7

[global]
setup-hooks =
    pbr.hooks.setup_hook

[files]
packages =
    webdemo

[entry_points]
console_scripts =

只包含最基本的信息。接下来是requirements.txt文件：

# The order of packages is significant, because pip processes them in the order
# of appearance. Changing the order has an impact on the overall integration
# process, which may cause wedges in the gate later.

pbr<2.0,>=0.11

目前只依赖于pbr库。源代码目录下现在只有一个空的__init__.py文件。我们已经搭建好了这个最简单的项目框架了。首先，我们要把这些代码提交到git库，然后打上tag 0.0.1：

➜ ~/programming/python/webdemo git:(master) ✗ $ git log --oneline
697427c Add packaging information
2cbbf4d Initial commit
➜ ~/programming/python/webdemo git:(master) ✗ $ git tag -a -s 0.0.1
➜ ~/programming/python/webdemo git:(master) ✗ $ git tag
0.0.1

然后就可以使用python setup.py sdist命令来生成一个0.0.1版本的源码归档了：

➜ ~/programming/python/webdemo git:(master) ✗ $ python setup.py sdist
running sdist
[pbr] Writing ChangeLog
[pbr] Generating ChangeLog
[pbr] Generating AUTHORS
running egg_info
writing pbr to webdemo.egg-info/pbr.json
writing webdemo.egg-info/PKG-INFO
writing top-level names to webdemo.egg-info/top_level.txt
writing dependency_links to webdemo.egg-info/dependency_links.txt
writing entry points to webdemo.egg-info/entry_points.txt
[pbr] Processing SOURCES.txt
[pbr] In git context, generating filelist from git
warning: no previously-included files found matching '.gitreview'
warning: no previously-included files matching '*.pyc' found anywhere in distribution
writing manifest file 'webdemo.egg-info/SOURCES.txt'
warning: sdist: standard file not found: should have one of README, README.rst, README.txt

running check
warning: check: missing required meta-data: url

creating webdemo-0.0.1
creating webdemo-0.0.1/webdemo
creating webdemo-0.0.1/webdemo.egg-info
making hard links in webdemo-0.0.1...
hard linking AUTHORS -> webdemo-0.0.1
hard linking ChangeLog -> webdemo-0.0.1
hard linking LICENSE -> webdemo-0.0.1
hard linking README.md -> webdemo-0.0.1
hard linking requirement.txt -> webdemo-0.0.1
hard linking setup.cfg -> webdemo-0.0.1
hard linking setup.py -> webdemo-0.0.1
hard linking webdemo/__init__.py -> webdemo-0.0.1/webdemo
hard linking webdemo.egg-info/PKG-INFO -> webdemo-0.0.1/webdemo.egg-info
hard linking webdemo.egg-info/SOURCES.txt -> webdemo-0.0.1/webdemo.egg-info
hard linking webdemo.egg-info/dependency_links.txt -> webdemo-0.0.1/webdemo.egg-info
hard linking webdemo.egg-info/entry_points.txt -> webdemo-0.0.1/webdemo.egg-info
hard linking webdemo.egg-info/not-zip-safe -> webdemo-0.0.1/webdemo.egg-info
hard linking webdemo.egg-info/pbr.json -> webdemo-0.0.1/webdemo.egg-info
hard linking webdemo.egg-info/top_level.txt -> webdemo-0.0.1/webdemo.egg-info
copying setup.cfg -> webdemo-0.0.1
Writing webdemo-0.0.1/setup.cfg
Creating tar archive
removing 'webdemo-0.0.1' (and everything under it)
➜ ~/programming/python/webdemo git:(master) ✗ $ ls dist
webdemo-0.0.1.tar.gz
➜ ~/programming/python/webdemo git:(master) ✗ $ ls
AUTHORS  ChangeLog  dist  LICENSE  README.md  requirement.txt  setup.cfg  setup.py  webdemo  webdemo.egg-info

验证成功，在dist/目录下生成了一个0.0.1版本的源码归档，同时生成了如下的文件和目录：AUTHORS, ChangeLog, webdemo.egg-info。