通过demo学习OpenStack开发所需的基础知识 -- 数据库(2)

在上一篇文章，我们介绍了SQLAlchemy的基本概念，也介绍了基本的使用流程。本文我们结合webdemo这个项目来介绍如何在项目中使用SQLAlchemy。另外，我们还会介绍数据库版本管理的概念和实践，这也是OpenStack每个项目都需要做的事情。

Webdemo中的数据模型的定义和实现

我们之前在webdemo项目中已经开发了一个user管理的API，可以在这里回顾。当时只是接收了API请求并且打印信息，并没有实际的进行数据存储。现在我们就要引入数据库操作，来完成user管理的API。

User数据模型

在开发数据库应用前，需要先定义好数据模型。因为本文只是要演示SQLAlchemy的应用，所以我们定义个最简单的数据模型。user表的定义如下：

• id: 主键，一般由数据库的自增类型实现。
• user_id: user id，是一个UUID字符串，是OpenStack中最常用来标记资源的方式，全局唯一，并且为该字段建立索引。
• name: user的名称，允许修改，全局唯一，不能为空。
• email: user的email，允许修改，可以为空。

搭建数据库层的代码框架

OpenStack项目中我见过两种数据库的代码框架分隔，一种是Keystone的风格，它把一组API的API代码和数据库代码都放在同一个目录下，如下所示：

采用Pecan框架的项目则大多把数据库相关代码都放在db目录下，比如Magnum项目，如下所示：

由于webdemo采用的是Pecan框架，而且把数据库操作的代码放到同一个目录下也会比较清晰，所以我们采用和Magnum项目相同的方式来编写数据库相关的代码，创建webdemo/db目录，然后把数据库操作的相关代码都放在这个目录下，如下所示：

由于webdemo项目还没有使用oslo_db库，所以代码看起来比较直观，没有Magnum项目复杂。接下来，我们就要开始写数据库操作的相关代码，分为两个步骤：

1. 在db/models.py中定义User类，对应数据库的user表。
2. 在db/api.py中实现一个Connection类，这个类封装了所有的数据库操作接口。我们会在这个类中实现对user表的CRUD等操作。

定义User数据模型映射类

db/models.py中的代码如下：

from sqlalchemy import Column, Integer, String
from sqlalchemy.ext import declarative
from sqlalchemy import Index


Base = declarative.declarative_base()


class User(Base):
    """User table"""

    __tablename__ = 'user'
    __table_args__ = (
        Index('ix_user_user_id', 'user_id'),
    )
    id = Column(Integer, primary_key=True)
    user_id = Column(String(255), nullable=False)
    name = Column(String(64), nullable=False, unique=True)
    email = Column(String(255))

我们按照我们之前定义的数据模型，实现了映射类。

实现DB API

DB通用函数

在db/api.py中，我们先定义了一些通用函数，代码如下：

from sqlalchemy import create_engine
import sqlalchemy.orm
from sqlalchemy.orm import exc

from webdemo.db import models as db_models


_ENGINE = None
_SESSION_MAKER = None


def get_engine():
    global _ENGINE
    if _ENGINE is not None:
        return _ENGINE

    _ENGINE = create_engine('sqlite://')
    db_models.Base.metadata.create_all(_ENGINE)
    return _ENGINE


def get_session_maker(engine):
    global _SESSION_MAKER
    if _SESSION_MAKER is not None:
        return _SESSION_MAKER

    _SESSION_MAKER = sqlalchemy.orm.sessionmaker(bind=engine)
    return _SESSION_MAKER


def get_session():
    engine = get_engine()
    maker = get_session_maker(engine)
    session = maker()

    return session

上面的代码中，我们定义了三个函数：

• get_engine：返回全局唯一的engine，不需要重复分配。
• get_session_maker：返回全局唯一的session maker，不需要重复分配。
• get_session：每次返回一个新的session，因为一个session不能同时被两个数据库客户端使用。

这三个函数是使用SQLAlchemy中经常会封装的，所以OpenStack的oslo_db项目就封装了这些函数，供所有的OpenStack项目使用。

这里需要注意一个地方，在get_engine()中：

    _ENGINE = create_engine('sqlite://')
    db_models.Base.metadata.create_all(_ENGINE)

我们使用了sqlite内存数据库，并且立刻创建了所有的表。这么做只是为了演示方便。在实际的项目中，create_engine()的数据库URL参数应该是从配置文件中读取的，而且也不能在创建engine后就创建所有的表（这样数据库的数据都丢了）。要解决在数据库中建表的问题，就要先了解数据库版本管理的知识，也就是database migration，我们在下文中会说明。

Connection实现

Connection的实现就简单得多了，直接看代码。这里只实现了get_user()和list_users()方法。

class Connection(object):

    def __init__(self):
        pass

    def get_user(self, user_id):
        query = get_session().query(db_models.User).filter_by(user_id=user_id)
        try:
            user = query.one()
        except exc.NoResultFound:
            # TODO(developer): process this situation
            pass

        return user

    def list_users(self):
        session = get_session()
        query = session.query(db_models.User)
        users = query.all()

        return users

    def update_user(self, user):
        pass

    def delete_user(self, user):
        pass

在API Controller中使用DB API

现在我们有了DB API，接下来就是要在Controller中使用它。对于使用Pecan框架的应用来说，我们定义一个Pecan hook，这个hook在每个请求进来的时候实例化一个db的Connection对象，然后在controller代码中我们可以直接使用这个Connection实例。关于Pecan hook的相关信息，请查看Pecan官方文档。

首先，我们要实现这个hook，并且加入到app中。hook的实现代码在webdemo/api/hooks.py中：

from pecan import hooks

from webdemo.db import api as db_api


class DBHook(hooks.PecanHook):
    """Create a db connection instance."""

    def before(self, state):
        state.request.db_conn = db_api.Connection()

然后，修改webdemo/api/app.py中的setup_app()方法：

def setup_app():
    config = get_pecan_config()

    app_hooks = [hooks.DBHook()]
    app_conf = dict(config.app)
    app = pecan.make_app(
        app_conf.pop('root'),
        logging=getattr(config, 'logging', {}),
        hooks=app_hooks,
        **app_conf
    )

    return app

现在，我们就可以在controller使用DB API了。我们这里要重新实现API服务(4)实现的GET /v1/users这个接口：

...
class User(wtypes.Base):
    id = int
    user_id = wtypes.text
    name = wtypes.text
    email = wtypes.text


class Users(wtypes.Base):
    users = [User]
...
class UsersController(rest.RestController):

    @pecan.expose()
    def _lookup(self, user_id, *remainder):
        return UserController(user_id), remainder

    @expose.expose(Users)
    def get(self):
        db_conn = request.db_conn     # 获取DBHook中创建的Connection实例
        users = db_conn.list_users()  # 调用所需的DB API
        users_list = []
        for user in users:
            u = User()
            u.id = user.id
            u.user_id = user.user_id
            u.name = user.name
            u.email = user.email
            users_list.append(u)
        return Users(users=users_list)

    @expose.expose(None, body=User, status_code=201)
    def post(self, user):
        print user

现在，我们就已经完整的实现了这个API，客户端访问API时是从数据库拿数据，而不是返回一个模拟的数据。读者可以使用API服务(4)中的方法运行测试服务器来测试这个API。注意：由于数据库操作依赖于SQLAlchemy库，所以需要把它添加到requirement.txt中：SQLAlchemy<1.1.0,>=0.9.9。

小结

现在我们已经完成了数据库层的代码框架搭建，读者可以大概了解到一个OpenStack项目中是如何进行数据库操作的。上面的代码可以到https://github.com/diabloneo/webdemo下载。

数据库版本管理

数据库版本管理的概念

上面我们在get_engine()函数中使用了内存数据库，并且创建了所有的表。在实际项目中，这么做肯定是不行的：

1. 实际项目中不会使用内存数据库，这种数据库一般只是在单元测试中使用。
2. 如果每次create_engine都把数据库的表重新创建一次，那么数据库中的数据就丢失了，绝对不可容忍。

解决这个问题的办法也很简单：不使用内存数据库，并且在运行项目代码前先把数据库中的表都建好。这么做确实是解决了问题，但是看起来有点麻烦：

1. 如果每次都手动写SQL语句来创建数据库中的表，会很容易出错，而且很麻烦。
2. 如果项目修改了数据模型，那么不能简单的修改建表的SQL语句，因为重新建表会让数据丢失。我们只能增加新的SQL语句来修改现有的数据库。
3. 最关键的是：我们怎么知道一个正在生产运行的数据库是要执行那些SQL语句？如果数据库第一次使用，那么执行全部的语句是正确的；如果数据库已经在使用，里面有数据，那么我们只能执行那些修改表定义的SQL语句，而不能执行那些重新建表的SQL语句。

为了解决这种问题，就有人发明了数据库版本管理的概念，也称为Database Migration。基本原理是：在我们要使用的数据库中建立一张表，里面保存了数据库的当前版本，然后我们在代码中为每个数据库版本写好所需的SQL语句。当对一个数据库执行migration操作时，会执行从当前版本到目标版本之间的所有SQL语句。举个例子：

1. 在Version 1时，我们在数据库中建立一个user表。
2. 在Version 2时，我们在数据库中建立一个project表。
3. 在Version 3时，我们修改user表，增加一个age列。

那么在我们对一个数据库执行migration操作，数据库的当前版本Version 1，我们设定的目标版本是Version 3，那么操作就是：建立一个project表，修改user表，增加一个age列，并且把数据库当前版本设置为Version 3。

数据库的版本管理是所有大型数据库项目的需求，每种语言都有自己的解决方案。OpenStack中主要使用SQLAlchemy的两种解决方案：sqlalchemy-migrate和Alembic。早期的OpenStack项目使用了sqlalchemy-migrate，后来换成了Alembic。做出这个切换的主要原因是Alembic对数据库版本的设计和管理更灵活，可以支持分支，而sqlalchemy-migrate只能支持直线的版本管理，具体可以看OpenStack的WiKi文档Alembic。

接下来，我们就在我们的webdemo项目中引入Alembic来进行版本管理。

Alembic

要使用Alembic，大概需要以下步骤：

1. 安装Alembic
2. 在项目中创建Alembic的migration环境
3. 修改Alembic配置文件
4. 创建migration脚本
5. 执行迁移动作

看起来步骤很复杂，其实搭建好环境后，新增数据库版本只需要执行最后两个步骤。

安装Alembic

在webdemo/requirements.txt中加入：alembic>=0.8.0。然后在virtualenv中安装即可。

在项目中创建Alembic的migration环境

一般OpenStack项目中，Alembic的环境都是放在db/sqlalchemy/目录下，因此，我们先建立目录webdemo/db/sqlalchemy/，然后在这个目录下初始化Alembic环境：

(.venv)➜ ~/programming/python/webdemo git:(master) ✗ $ cd webdemo/db
(.venv)➜ ~/programming/python/webdemo/webdemo/db git:(master) ✗ $ ls
api.py  api.pyc  __init__.py  __init__.pyc  models.py  models.pyc  sqlalchemy
(.venv)➜ ~/programming/python/webdemo/webdemo/db git:(master) ✗ $ cd sqlalchemy
(.venv)➜ ~/programming/python/webdemo/webdemo/db/sqlalchemy git:(master) ✗ $ ls
(.venv)➜ ~/programming/python/webdemo/webdemo/db/sqlalchemy git:(master) ✗ $ alembic init alembic
  Creating directory /home/diabloneo/programming/python/webdemo/webdemo/db/sqlalchemy/alembic ... done
  Creating directory /home/diabloneo/programming/python/webdemo/webdemo/db/sqlalchemy/alembic/versions ... done
  Generating /home/diabloneo/programming/python/webdemo/webdemo/db/sqlalchemy/alembic/script.py.mako ... done
  Generating /home/diabloneo/programming/python/webdemo/webdemo/db/sqlalchemy/alembic.ini ... done
  Generating /home/diabloneo/programming/python/webdemo/webdemo/db/sqlalchemy/alembic/README ... done
  Generating /home/diabloneo/programming/python/webdemo/webdemo/db/sqlalchemy/alembic/env.pyc ... done
  Generating /home/diabloneo/programming/python/webdemo/webdemo/db/sqlalchemy/alembic/env.py ... done
  Please edit configuration/connection/logging settings in '/home/diabloneo/programming/python/webdemo/webdemo/db/sqlalchemy/alembic.ini' before proceeding.
(.venv)➜ ~/programming/python/webdemo/webdemo/db/sqlalchemy git:(master) ✗ $

现在，我们就在webdemo/db/sqlalchemy/alembic/目录下建立了一个Alembic migration环境：

修改Alembic配置文件

webdemo/db/sqlalchemy/alembic.ini文件是Alembic的配置文件，我们现在需要修改文件中的sqlalchemy.url这个配置项，用来指向我们的数据库。这里，我们使用SQLite数据库，数据库文件存放在webdemo项目的根目录下，名称是webdemo.db：

## sqlalchemy.url = driver://user:pass@localhost/dbname
sqlalchemy.url = sqlite:///../../../webdemo.db

注意：实际项目中，数据库的URL信息是从项目配置文件中读取，然后通过动态的方式传递给Alembic的。具体的做法，读者可以参考Magnum项目的实现：https://github.com/openstack/magnum/blob/master/magnum/db/sqlalchemy/migration.py。

创建migration脚本

现在，我们可以创建第一个迁移脚本了，我们的第一个数据库版本就是创建我们的user表：

(.venv)➜ ~/programming/python/webdemo/webdemo/db/sqlalchemy git:(master) ✗ $ alembic revision -m "Create user table"
  Generating /home/diabloneo/programming/python/webdemo/webdemo/db/sqlalchemy/alembic/versions/4bafdb464737_create_user_table.py ... done

现在脚本已经帮我们生成好了，不过这个只是一个空的脚本，我们需要自己实现里面的具体操作，补充完整后的脚本如下：

"""Create user table

Revision ID: 4bafdb464737
Revises:
Create Date: 2016-02-21 12:24:46.640894

"""

## revision identifiers, used by Alembic.
revision = '4bafdb464737'
down_revision = None
branch_labels = None
depends_on = None

from alembic import op
import sqlalchemy as sa


def upgrade():
    op.create_table(
        'user',
        sa.Column('id', sa.Integer, primary_key=True),
        sa.Column('user_id', sa.String(255), nullable=False),
        sa.Column('name', sa.String(64), nullable=False, unique=True),
        sa.Column('email', sa.String(255))
    )


def downgrade():
    op.drop_table('user')

其实就是把User类的定义再写了一遍，使用了Alembic提供的接口来方便的创建和删除表。

执行迁移操作

我们需要在webdemo/db/sqlalchemy/目录下执行迁移操作，可能需要手动指定PYTHONPATH：

(.venv)➜ ~/programming/python/webdemo/webdemo/db/sqlalchemy git:(master) ✗ $ PYTHONPATH=../../../ alembic upgrade head
INFO  [alembic.migration] Context impl SQLiteImpl.
INFO  [alembic.migration] Will assume non-transactional DDL.
INFO  [alembic.migration] Running upgrade  -> 4bafdb464737, Create user table

alembic upgrade head会把数据库升级到最新的版本。这个时候，在webdemo的根目录下会出现webdemo.db这个文件，可以使用sqlite3命令查看内容：

(.venv)➜ ~/programming/python/webdemo git:(master) ✗ $ ls
AUTHORS  build  ChangeLog  dist  LICENSE  README.md  requirements.txt  Session.vim  setup.cfg  setup.py  webdemo  webdemo.db  webdemo.egg-info
(.venv)➜ ~/programming/python/webdemo git:(master) ✗ $ sqlite3 webdemo.db
SQLite version 3.8.11.1 2015-07-29 20:00:57
Enter ".help" for usage hints.
sqlite> .tables
alembic_version  user
sqlite> .schema alembic_version
CREATE TABLE alembic_version (
        version_num VARCHAR(32) NOT NULL
);
sqlite> .schema user
CREATE TABLE user (
        id INTEGER NOT NULL,
        user_id VARCHAR(255) NOT NULL,
        name VARCHAR(64) NOT NULL,
        email VARCHAR(255),
        PRIMARY KEY (id),
        UNIQUE (name)
);
sqlite> .header on
sqlite> select * from alembic_version;
version_num
4bafdb464737

测试新的数据库

现在我们可以把之前使用的内存数据库换掉，使用我们的文件数据库，修改get_engine()函数：

def get_engine():
    global _ENGINE
    if _ENGINE is not None:
        return _ENGINE

    _ENGINE = create_engine('sqlite:///webdemo.db')
    return _ENGINE

现在你可以手动往webdemo.db中添加数据，然后测试下API：

➜ ~/programming/python/webdemo git:(master) ✗ $ sqlite3 webdemo.db
SQLite version 3.8.11.1 2015-07-29 20:00:57
Enter ".help" for usage hints.
sqlite> .header on
sqlite> select * from user;
sqlite> .schema user
CREATE TABLE user (
        id INTEGER NOT NULL,
        user_id VARCHAR(255) NOT NULL,
        name VARCHAR(64) NOT NULL,
        email VARCHAR(255),
        PRIMARY KEY (id),
        UNIQUE (name)
);
sqlite> insert into user values(1, "user_id", "Alice", "alice@example.com");
sqlite> select * from user;
id|user_id|name|email
1|user_id|Alice|alice@example.com
sqlite> .q
➜ ~/programming/python/webdemo git:(master) ✗ $
➜ ~/programming/python/webdemo git:(master) ✗ $ curl http://localhost:8080/v1/users
{"users": [{"email": "alice@example.com", "user_id": "user_id", "id": 1, "name": "Alice"}]}% 

小结

现在，我们就已经完成了database migration代码框架的搭建，可以成功执行了第一个版本的数据库迁移。OpenStack项目中也是这么来做数据库迁移的。后续，一旦修改了项目，需要修改数据模型时，只要新增migration脚本即可。这部分代码也可以在https://github.com/diabloneo/webdemo中看到。

在实际生产环境中，当我们发布了一个项目的新版本后，在上线的时候，都会自动执行数据库迁移操作，升级数据库版本到最新的版本。如果线上的数据库版本已经是最新的，那么这个操作没有任何影响；如果不是最新的，那么会把数据库升级到最新的版本。

关于Alembic的更多使用方法，请阅读官方文档Alembic。

总结

本文到这边就结束了，这两篇文章我们了解OpenStack中数据库应用开发的基础知识。接下来，我们将会了解OpenStack中单元测试的相关知识。

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