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アプリケーションとサーバーの架け橋を構築する

9月 15, 2025
# Misc

Takashi Yamamoto

Infrastructure Engineer · Leapcell

この記事はEnglish、한국어、Deutschでも利用できます
Cover of "アプリケーションとサーバーの架け橋を構築する"

はじめに：Webアプリケーションの影の立役者

Python開発者として、私たちはしばしば、単純な静的ファイル提供から複雑なAPI連携まで、さまざまなリクエストを処理するWebアプリケーションを構築します。しかし、私たちのアプリケーションロジックとWebサーバーの間には、多くの一般的なタスクを担当する重要なレイヤーが存在します。それがミドルウェアです。ミドルウェアはリクエストとレスポンスを傍受し、コアアプリケーションコードを煩雑にすることなく、ロギング、認証、キャッシング、さらにはデータ変換といった重要な機能を追加することを可能にします。このモジュラーアプローチは、アプリケーションをクリーンで保守しやすくするだけでなく、異なるプロジェクト間での再利用性も促進します。この記事では、この強力な概念の魔法を解き明かし、単純なWSGIまたはASGIミドルウェアをゼロから構築してその仕組みを明らかにします。

柱を理解する：WSGI、ASGI、そしてミドルウェア

コーディングに入る前に、私たちの旅の基盤となるコアコンセプトを明確に理解しましょう。

WSGIとは？

WSGI は Web Server Gateway Interface の略です。これは、Webサーバー（Gunicorn、uWSGIなど）とWebアプリケーションまたはフレームワーク（Flask、Djangoなど）の間の標準インターフェースを定義するPython仕様です。 サーバーは、2つの引数を受け取る呼び出し可能なWSGIアプリケーションを呼び出します。

  1. environ：CGIスタイルの環境変数、Webサーバー変数、HTTPヘッダーを含む辞書。
  2. start_response：アプリケーションがHTTPステータスとヘッダーをサーバーに送信するために使用する呼び出し可能なオブジェクト。

その後、アプリケーションはバイト文字列のイテラブルを返し、これがレスポンスボディを表します。

ASGIとは？

ASGI は Asynchronous Server Gateway Interface の略です。これはWSGIのモダンな後継であり、非同期操作、WebSocket、HTTP/2をサポートするように設計されています。WSGIと同様に、ASGIは非同期対応Webサーバー（Uvicorn、Hypercornなど）と非同期Webアプリケーション（FastAPI、Starletteなど）の間の標準インターフェースを定義します。 ASGIアプリケーションは、3つの引数を受け取る非同期呼び出し可能なオブジェクトです。

  1. scope：型（例：'http'、'websocket')、method、path、ヘッダーを含む、特定の接続に関する情報を含む辞書。
  2. receive：アプリケーションがサーバーからイベントメッセージ（例：リクエストボディチャンク、WebSocketメッセージ）を受信できるようにする、await可能な呼び出し可能なオブジェクト。
  3. send：アプリケーションがサーバーにイベントメッセージ（例：レスポンスステータス、ヘッダー、ボディチャンク、WebSocketメッセージ）を送信できるように、await可能な呼び出し可能なオブジェクト。

ミドルウェアとは？

WSGIおよびASGIのコンテキストでは、ミドルウェアは本質的にWSGIまたはASGIアプリケーション自体ですが、ひねりが加えられています。それは別のWSGIまたはASGIアプリケーションをラップします。このラッパーにより、ミドルウェアは、リクエストが内部アプリケーションに到達する前、およびレスポンスがそこから出た後に、それらを傍受できます。 Webアプリケーションの関数デコレータと考えて、アスペクト指向の懸念事項を追加すると想像してください。

シンプルなWSGIミドルウェアの構築

まず、受信リクエストパスをログに記録する単純なWSGIミドルウェアを作成してみましょう。

内部WSGIアプリケーション

まず、ミドルウェアでラップする基本的なWSGIアプリケーションが必要です。

# app.py
def simple_app(environ, start_response):
    """非常に基本的なWSGIアプリケーション。"""
    status = '200 OK'
    headers = [('Content-type', 'text/plain')]
    start_response(status, headers)
    return [b"Hello from the simple app!"]

if __name__ == '__main__':
    from wsgiref.simple_server import make_server
    httpd = make_server('', 8000, simple_app)
    print("Serving on port 8000...")
    httpd.serve_forever()

これを python app.py で実行し、http://localhost:8000 にアクセスすると、「Hello from the simple app!」と表示されます。

ロギングミドルウェアの設計

次に、ロギングミドルウェアを作成しましょう。WSGIミドルウェアは、初期化中にチェーンの次のWSGIアプリケーションを引数として受け取る必要があります。次に、その __call__ メソッドがWSGIインターフェースを実装します。

# middleware.py
import logging

logging.basicConfig(level=logging.INFO, format='%(asctime)s - %(levelname)s - %(message)s')

class RequestLoggerMiddleware:
    def __init__(self, app):
        """
        チェーンの次のWSGIアプリケーションでミドルウェアを初期化します。
        """
        self.app = app

    def __call__(self, environ, start_response):
        """
        ミドルウェアのWSGIインターフェースメソッド。
        リクエストを傍受し、ログに記録し、次にラップされたアプリケーションに渡します。
        そして最後にそのレスポンスを返します。
        """
        path = environ.get('PATH_INFO', '/')
        method = environ.get('REQUEST_METHOD', 'GET')
        logging.info(f"Request received: {method} {path}")

        # ラップされたアプリケーションのstart_responseを呼び出し、それをキャプチャします。
        # これは、ヘッダーまたはステータスを変更するミドルウェアにとって重要です。
        _headers = []
        _status = None

        def wrapped_start_response(status, headers, exc_info=None):
            nonlocal _status, _headers
            _status = status
            _headers = headers
            logging.info(f"Response status: {status}")
            return start_response(status, headers, exc_info)

        # ラップされたアプリケーションにリクエストを渡します。
        response_body = self.app(environ, wrapped_start_response)

        # ミドルウェアはここでresponse_bodyを検査または変更することもできます。
        # この単純なロガーでは、そのまま返します。
        return response_body

ミドルウェアの統合

最後に、simple_app と RequestLoggerMiddleware を統合できます。

# main.py
from wsgiref.simple_server import make_server
from app import simple_app
from middleware import RequestLoggerMiddleware

if __name__ == '__main__':
    # simple_appをロガーミドルウェアでラップします。
    application_with_middleware = RequestLoggerMiddleware(simple_app)

    httpd = make_server('', 8000, application_with_middleware)
    print("Serving application with middleware on port 8000...")
    httpd.serve_forever()

python main.py を実行して http://localhost:8000 にアクセスすると、コンソールにリクエストを示すログメッセージが表示され、その後ブラウザに「Hello from the simple app!」というレスポンスが表示されます。これは、ミドルウェアがリクエストを傍受し、ロギングタスクを実行し、次にリクエストをアプリケーションに転送する方法を示しています。

シンプルなASGIミドルウェアの作成

次に、同様のロギング機能をASGIミドルウェアを使用して実装してみましょう。ASGIの非同期性質は、少し異なるアプローチを必要とします。

内部ASGIアプリケーション

基本的なASGIアプリケーションを使用します。

# async_app.py
async def simple_async_app(scope, receive, send):
    """非常に基本的なASGIアプリケーション。"""
    if scope['type'] == 'http':
        await send({
            'type': 'http.response.start',
            'status': 200,
            'headers': [
                [b'content-type', b'text/plain'],
            ],
        })
        await send({
            'type': 'http.response.body',
            'body': b"Hello from the async app!",
        })
    elif scope['type'] == 'websocket':
        # WebSocket接続の単純なハンドラ
        await send({"type": "websocket.accept"})
        while True:
            message = await receive()
            if message['type'] == 'websocket.disconnect':
                break
            await send({"type": "websocket.send", "text": f"Echo: {message.get('text')}"})

これを実行するには、通常UvicornのようなASGIサーバーを使用します。 uvicorn async_app:simple_async_app --port 8000 --reload

ロギングASGIミドルウェアの設計

ASGIミドルウェアは、初期化時（通常は__init__）に次のASGIアプリケーションを受け取る非同期呼び出し可能なオブジェクトです。その __call__ メソッドも async def である必要があります。

# async_middleware.py
import logging
import time

logging.basicConfig(level=logging.INFO, format='%(asctime)s - %(levelname)s - %(message)s')

class AsyncRequestLoggerMiddleware:
    def __init__(self, app):
        self.app = app

    async def __call__(self, scope, receive, send):
        if scope['type'] == 'http':
            start_time = time.monotonic()
            path = scope.get('path', '/')
            method = scope.get('method', 'GET')
            logging.info(f"ASGI Request Received: {method} {path}")

            # レスポンスの詳細を傍受するためのカスタムsend関数を定義します。
            async def wrapped_send(message):
                if message['type'] == 'http.response.start':
                    status_code = message['status']
                    logging.info(f"ASGI Response Status: {status_code}")
                await send(message) # メッセージを元のsend関数に渡します。

            await self.app(scope, receive, wrapped_send)
            end_time = time.monotonic()
            duration = (end_time - start_time) * 1000 # ミリ秒単位
            logging.info(f"ASGI Request Processed: {method} {path} - Duration: {duration:.2f}ms")
        else:
            # HTTP以外の接続（例：WebSocket）の場合は、そのまま渡します。
            await self.app(scope, receive, send)

WSGIの start_response とは異なり、ASGIの send はメッセージの非同期ストリームです。ステータスのようなレスポンスの詳細を傍受するには、サーバーから提供される send 呼び出し可能オブジェクトをラップします。

Asyncミドルウェアの統合

次に、simple_async_app を AsyncRequestLoggerMiddleware でラップしましょう。

# async_main.py
from async_app import simple_async_app
from async_middleware import AsyncRequestLoggerMiddleware

# asyncアプリをロガーミドルウェアでラップします。
application_with_async_middleware = AsyncRequestLoggerMiddleware(simple_async_app)

if __name__ == '__main__':
    import uvicorn
    # Uvicornは直接ASGIアプリケーションを期待します。
    uvicorn.run(application_with_async_middleware, host="0.0.0.0", port=8000)

これを実行するには、 python async_main.py を使用します。ブラウザで http://localhost:8000 にアクセスします。コンソールで、受信リクエストと送信レスポンスの両方、および処理時間を含むログメッセージが表示されます。ASGIミドルウェアは、非同期でリクエスト・レスポンスサイクルを傍受、ログ記録、およびタイミングする能力を示しています。

一般的なアプリケーションシナリオ

ミドルウェアは信じられないほど多用途であり、多くのWebアプリケーション機能のバックボーンを形成します。

  • 認証/認可： 特定のルートへのアクセスを許可する前にユーザーの認証情報をチェックします。
  • ロギング： 示したように、リクエスト、レスポンス、エラーを追跡します。
  • CORS（Cross-Origin Resource Sharing）： オリジン間リクエストを許可または制限するために適切なヘッダーを追加します。
  • 圧縮： レスポンスの帯域幅を削減するために、gzipまたはBrotliでエンコードします。
  • レート制限： 単一ソースからのリクエスト数を制限して、乱用を防止します。
  • エラー処理： 例外をキャッチし、ユーザーフレンドリーなエラーページを返します。
  • セッション管理： リクエストをまたいだユーザーセッションを管理します。

ミドルウェアの構築方法を理解することで、これらの機能をクリーンで、分離され、再利用可能な方法で実装する力を得ることができます。Python Webアプリケーションをより堅牢で保守しやすくします。

結論：Webアプリケーション開発の強化

この記事全体を通して、WSGIとASGIミドルウェアの基本を解き明かし、Webリクエストとレスポンスの傍受および強化におけるその基本的な役割を実証しました。 Pythonインターフェースに従い、独自の単純なロギング例を実装することで、ロギングやセキュリティなどのアスペクト指向の懸念事項を、コアアプリケーションコード全体にロジックを散布することなく注入できる強力なパターンを目の当たりにしました。ミドルウェアは不可欠なツールとして機能し、Python Webアプリケーションのモジュール性、保守性、再利用性を大幅に向上させます。

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