Wolfram言語のシンプルなhttpサーバー

前文

サーバー操作の概念

この記事を書くというアイデアは、Mathematicaを使用してローカルホスト上に独自のサーバーを作成する方法について説明しているHabrahabrに関する同様の記事を読んだ後に思いつきました。 Webサーバー自体は、PythonとTornado拡張可能サーバーを使用して作成されました。 彼はリクエストを処理し、応答をjson形式で送信し、ロジックはMathematicaに実装されました。 同時に、コマンドラインを使用してPythonとMathematicaの間の通信が行われ、サーバーへの各リクエストが数学のコアを再起動しました。 その他の詳細については、 @ Nilisの記事を参照してください 。 ここでは、同様の機能を実行する単純なコードの作成方法を示します。つまり、要求を処理して応答を送信するhttpサーバーを作成します。 さらに、Wolfram言語の興味深い機能とその構文を示したいと思います。

空のサーバー実装

最も簡単な方法は、main関数で実装を開始してから、さらに内陸に移動することです。 書き込むには、次のコマンドを実行してSocketLink`コンテキストをロードする必要があります。

Needs["SocketLink`"];
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

その後、このコンテキストの機能が使用可能になります。 次のように、含まれる機能を正確に確認できます。

 Information["SocketLink`*"];
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

それぞれが次のとおりであることを説明しましょう。

1. CreateClientSocket [ port ] -port - portを使用してソケットを作成します。
2. CreateServerSocket [ host 、 port ] -ホスト- ホストに接続し、ポート- ポートを使用するクライアントソケットを作成します。
3. OpenSocketStreams [ ソケット ] -ソケット- ソケットの入出力ストリームを開きます 。
4. CreateAsynchronousServer [ socket 、 handler ] -指定されたsocket- socketおよびhandler- handlerで 「サーバー」を作成します。

最も単純なケースでは、このコンテキストの2つの関数のみが必要です。

CreateAsynchronousServerおよびCreateServerSocket 。 もちろん、一見するとすべてが準備ができており、サーバーを「 作成 」する意味がないように見えます。 しかし、これはそうではありません。 CreateAsynchronousServer-指定されたソケットをリッスンする以外は何もできません。 したがって、他のすべてを実装する必要があります。 まず第一に、入力引数に制限を持つヘルパー関数を作成するとよいでしょう。

 MathematicaSimpleServer[socket_Socket, handler_Handler] := CreateAsynchronousServer[socket, handler];
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

Mathematicaの非ユーザー向けの説明。 " ：= "記号の左側（ SetDelayed [] ）は、実行後にメモリに保存されるテンプレートです。 右側には、テンプレートが検出されたときに実行されるルールがあります。 socket_Socketの形式で指定する-最初の引数がソケットでなければならないことを示します。 handler_Handlerパターン-2番目の引数はHandler型でなければならないことを示します。 このタイプは現在存在しません。 ただし、Mathematicaはこれに注意を払わず、入力パラメータの1つとして存在しない型を受け入れる関数を作成することを許可します。

このタイプが存在しない場合は、作成する必要があります。 やってみましょう。 次のコードは、 TagSetDelayed []を使用してMathematicaで独自の単純なデータ型を作成する方法を示しています。

 (* getters for Handler *) Handler /: GetRequestParser[Handler[parser_RequestParser, _]] := parser; Handler /: GetResponseGenerator[Handler[_, generator_ResponseGenerator]] := generator; (* setters for Handler *) Handler /: SetRequestParser[handler_Handler, parser_RequestParser] := Handler[handler, GetResponseGenerator[handler]]; Handler /: SetResponseGenerator[handler_Handler, generator_ResponseGenerator] := Handler[GetRequestParser[handler], generator];
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

Mathematica以外のユーザー向けの構文の説明。 「 /： 」 記号 （ TagSetDelayed [] ）は、左側にあるデータ型（ Handler ）に対してのみ、関数の操作が再定義され、その定義が完全に右側にあることを意味します。 関数が呼び出されたときに実行されるルールは、通常どおり、「 ：= 」記号の右側にあります。 このメソッドは、保護されたシステム機能に対しても機能します。 この場合、関数自体の名前ではなく、型名に関連する変更があるためです。 いくつかの機能は、テンプレート内の記号「 /： 」と「 ：= 」の間のハンドラータイプを明示的にどこかに配置する必要があることです（ただし、最上位ではありません）。 繰り返しますが、上記の4つの関数は、存在しないデータ型を使用して定義されていることに注意してください： RequestParser 、 ResponseGenerator 。 これで最後のタッチはハンドラーの定義に残ります-これは、サーバー内でハンドラーが呼び出されたときに実行されるテンプレートを作成するためです。 彼は、入力と出力ストリームの2つの要素のリストを入力として受け入れる必要があります。 これらのスレッドでほとんどすべてのアクションを実行できます。 前述のように、ハンドラーは入力ストリームを読み取り、出力ストリームに書き込む必要があります。 次のように実装します。

 handler_Handler[{input_InputStream, output_OutputStream}] := Module[{ requestParser = GetRequestParser[handler], responseGenerator = GetResponseGenerator[handler], request = "", response = "" }, (* read data from input stream of the socket *) {request} = If[# != {}, FromCharacterCode[#], Print[DateString[], "\nERROR"]; Close[input]; Close[output]; Return[]]& @ Last[Reap[While[True, TimeConstrained[ Sow[BinaryRead[input]], 0.01, (Close[input]; Break[]) ];];]]; (* logging *) Print[DateString[], "\nREQUEST:\n\n", request]; (* processing request *) response = responseGenerator[requestParser[request]]; (* logging and writing data to the output stream *) Switch[response, _String, Print[DateString[], "\nRESPONSE:\n\n", response]; BinaryWrite[output, ToCharacterCode[response]], {__Integer}, Print[DateString[], "\nRESPONSE:\n\n", FromCharacterCode[response]]; BinaryWrite[output, response]; ]; Close[output]; ];
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

奇妙なことに、しかしMathematicaでは、テンプレートの左側に一意の名前を作成する必要はまったくありません。 見出しと内部コンテンツを含む複雑な表現にすることができます。 関数定義を作成するこの方法はめったに使用されませんが、この場合は非常に便利です。 ハンドラーの内部コンテンツは、サーバーのログ全体を決定します。 これで、空のサーバー実装の準備ができました。 彼女は働きますが、役に立つことは何もしません。 結局のところ、すべてのリクエスト処理は、存在しない関数requestParser 、 responseGeneratorにあります。 この場合、文字列が入力に送信され、結果は文字列（またはSwich []スイッチの2番目のオプションで示唆されるバイトのリスト）である必要があります。 リクエストを読んだ後に誰も何も返すことを気にしませんが、この「 何でも 」が関数によって正しく処理されて回答が作成されるという条件でのみです。

リクエスト処理

サーバーの準備ができたので、 RequestParserタイプの実装を処理する必要があります。 最初に使用されます。 上記のHandlerの場合とまったく同じ方法で、最も単純な定義を作成します。

 requestParser_RequestParser[request_String] := request;
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

この定義によれば、関数はクエリ文字列自体を返すだけです。 開始するには十分です。 これですべてが同じになりましたが、応答ジェネレーターの場合：

 responseGenerator_ResponseGenerator[parsed_String] := "HTTP/1.1 200 OK Content-Length: 1024 Connection: close <!DOCTYPE html> <html> <head> <meta http-equiv=\"Content-Type\" content=\"text/html; charset=utf-8\" /> <title>MathematicaSimpleServer</title> </head> <body> Hello from mathematica simple server! </body> </html>"
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

ジェネレーターの定義も最も簡単です。 これは、表示されたページのhtmlマークアップに接続された単なる応答行です。 これですべて準備完了です！ サーバーを起動して、どのように機能するかを確認できます。 これを行うには、次のコードを実行します。

 socket = CreateServerSocket[8888]; handler = Handler[RequestParser[], ResponseGenerator[]]; server = MathematicaSimpleServer[socket, handler];
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

ここでブラウザを開き、アドレスhttp：// localhost：8888 /に移動します。 ブラウザには、次のようなページが表示されます。

 Thu 19 Jan 2017 01:22:00 REQUEST: GET / HTTP/1.1 Accept: text/html, application/xhtml+xml, image/jxr, */* Accept-Language: ru-RU User-Agent: Mozilla/5.0 (Windows NT 10.0; Win64; x64) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/51.0.2704.79 Safari/537.36 Edge/14.14393 Accept-Encoding: gzip, deflate Host: localhost:8888 Connection: Keep-Alive
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

 Wed 18 Jan 2017 14:56:45 RESPONSE: HTTP/1.1 200 OK Content-Length: 1024 Connection: close <!DOCTYPE html> <html> <head> <meta http-equiv="Content-Type" content="text/html; charset=utf-8" /> <title>MathematicaSimpleServer</title> </head> <body> Hello from mathematica simple server! </body> </html>
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

やった！ サーバーは引き続き機能します。 ResponseGenerator []の呼び出し中に返される、表示されたhtmlページのコードを停止しないで変更しようとするとどうなりますか？ それをやってみましょう-もう一度関数を定義してください：

 responseGenerator_ResponseGenerator[parsed_String] := ("HTTP/1.1 200 OK Content-Type: text/html; charset=utf-8 Content-Length: " <> ToString[StringLength[#]] <> " Connection: close " <> #)& @ "<!DOCTYPE html> <html> <head> <meta http-equiv=\"Content-Type\" content=\"text/html; charset=utf-8\" /> <title>MathematicaSimpleServer</title> </head> <body> Hello from mathematica simple server! <br/> we changed the server logic without stopping ;) </body> </html>"
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

上記のコードを実行してページを更新すると、変更されたコンテンツがブラウザーに表示されます。 Webサーバーを停止して、 ResponseGeneratorおよびRequestParserの新しい定義を追加し続けることはできません。 それにもかかわらず、それを止める方法を知ることは有用です。 コードを実行するだけで十分です。

 SocketLink`Sockets`CloseSocket[socket]; StopAsynchronousTask[server];
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

サーバー拡張

少し準備。 今後問題が発生しないように、このドキュメントの場所を作業ディレクトリとしてすぐに設定します。

 SetDirectory[NotebookDirectory[]];
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

明らかに、ブラウザウィンドウに2行を表示することは、Mathematicaの機能の良いデモンストレーションではありません。 テストのために、単純なhtml インデックスページを作成しましょう。 以下にページコードを示します。 サーバーが返す他のアドレスへのリンクが既にいくつかあります。 回答全体を作成する関数も追加されました。

 IndexPage[] := "<!DOCTYPE html> <html> <head> <meta http-equiv=\"Content-Type\" content=\"text/html; charset=utf-8\" /> <title>MathematicaSimpleServer</title> <link rel=\"icon\" type=\"image/png\" href=\"/favicon.png\"/> </head> <body> Index page for the mathematica simple server <ul> <li><a href=\"/graphic?Sin\" >graphic</a></li> <li><a href=\"/page.html\" >page</a></li> <li><a href=\"notebook.nb\" >notebook</a></li> </ul> </body> </html>"; ResponseString[page_String] := StringTemplate["HTTP/1.1 200 OK Content-Type: text/html; charset=utf-8 Content-Length: `length` Connection: close `page`"][<|"length" -> StringLength[page], "page" -> page|>]; ResponseString[page_String, length_Integer] := StringTemplate["HTTP/1.1 200 OK Content-Type: text/html; charset=utf-8 Content-Length: `length` Connection: close `page`"][<|"length" -> length, "page" -> page|>];
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

応答行とページマークアップコードを接続する関数-ResponseString [] -には2つの定義があります。最初の定義では、ページサイズを計算し、 Content-Lengthヘッダーの値を結果に置き換えます。 2番目の定義では、応答本文のサイズを個別に指定できます。 前述のように、メインページにはいくつかのリンクがあります。 リンクは、何らかのサーバーロジックが実行されるアドレスの1つにつながると想定されます。 合計で4つの異なるケースがあります-これは、メインページ自体の表示、任意のチャートへのリンク、htmlページ、および数学の既製のノートブックから形成されたページへのリンクです。 各ケースを個別に検討する必要があります。 最初のケース、メインページの読み込み。 GET要求がアドレス「/」または「/ index」で受信された場合にのみ実行されます。 この住所の確認方法は？ これを行うにはさまざまな方法があります。 以下は、最も人気のあるものではなく、興味深いものです。 まず、 RequestParserデータ型のKeysおよびPart関数を次のように再定義します。

 RequestParser /: Keys[RequestParser[rules___Rule]] := {rules}[[All, 1]]; RequestParser /: Part[RequestParser[___, "Address" -> function: (_Symbol|_Function), ___], "Address"] := function;
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

上記の式の構文を説明する価値があります。 rules___Rule-任意の（ゼロを含む）数の置換ルールを持つテンプレートです。 これは、任意の数の処理関数を使用してRequestParserを作成でき、Keys関数を使用してこれらの関数の名前をすべて取得できることを意味します。 興味深いことに、KeysはProtected属性を持つシステム関数であり、この関数の変更を禁止していますが、 TagSetDelayedを使用してタイプを指定すると、これを行うことができます。 同様に、組み込みのPart関数が再定義されました。 前述のように、 RequestParserは複雑な式であり、その中に一連のルールを含める必要があると想定されています。 各ルールはキーと値（処理する関数）です。 なぜこれがすべて必要なのですか？ 多数の条件とクエリ文字列チェックを記述することは非常に困難です。 リクエストをチェックするために正規表現またはテンプレートを選択するのが悪い場合、コードの一部が到達不能になるため、定義の順序を間違えるのはさらに簡単です。 一度に複数の関数によって1つの要求を処理し、結果を関数名と結果のペアとの関連付けの形式で返す方がはるかに簡単です。 以下は、このメソッドの実装です。

 requestParser_RequestParser[request_String] /; MatchQ[requestParser, RequestParser[_String -> (_Symbol|_Function)]] := Association[Map[Function[key, key -> (requestParser[[key]])[request]], Keys[requestParser]]];
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

ここで、同じ関数を作成する必要があります。 リクエストメソッドからアドレスを取得する関数は1つだけです。作成者の想像力は、リクエストの最初の行のアドレスの違いだけにサーバーの作業のすべてのばらつきを入れることができたためです。

 TakeAddress[request_String] := First[StringCases["GET " ~~ address___ ~~ " HTTP/" -> address][request]];
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

Mathematicaに慣れていない人のために-言語の文字列式には多くの興味深い構造があります。 上記の設計は直感的で、最初の行でGETとHTTPの間にあるすべてのテキストを選択するだけです。 以前のサーバー実装では、応答ジェネレーターは要求ハンドラーが返した文字列を処理しました。 ただし、キーと値のペアの関連付けがこの関数の入力に渡されます。 そのため、ジェネレーターは、結果の関連付けを応答に変換できる新しい定義を作成する必要があります。

 responseGenerator_ResponseGenerator[parsed_Association] /; parsed[["Address"]] == "/" || parsed[["Address"]] == "/index" := ResponseString[IndexPage[]];
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

新しいハンドラーでサーバーを再起動します。 現在、 RequestParser内には、すべての応答が処理される関数名（「アドレス」）および関数自体（ TakeAddress ）の明示的な指示があります。

 socket = CreateServerSocket[8888]; handler = Handler[RequestParser["Address" -> TakeAddress], ResponseGenerator[]]; server = MathematicaSimpleServer[socket, handler];
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

メインページは機能しています。 リクエストの正しい処理を他のリソースに追加します。 これらの最初は、指定された関数のグラフを取得する試みです。 最初に、応答ジェネレーターに定義を追加します。 Mathematicaのもう1つの興味深い機能。 他のタイプの引数または異なる数を指定するだけでなく、関数をオーバーライドできます。 また、「 /; 」記号を使用して関数を実行するための任意の複雑な条件を確立することもできます （ Condition [] ）。 " /; "記号の後と " ：= "記号の前に、テンプレート自体（名前と引数/関数のシグネチャ）の間に条件を記述するのが最も便利です。

 responseGenerator_ResponseGenerator[parsed_Association] /; StringMatchQ[parsed[["Address"]], "/graphic?" ~~ ___] := Module[{function = ToExpression[StringSplit[parsed[["Address"]], "?"][[-1]]]}, ResponseString[ExportString[Plot[function[x], {x, -5, 5}], "SVG"]] ];
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

これがどのように機能するかを確認できます-ページhttp：// localhost：8888 / indexの最初のリンクに移動するか、単にhttp：// localhost：8888 / graphic？Sinに移動します。 現在、以下が表示されます。

../graphic?Sin write ../graphic?Cos、またはLog / Exp / Sqrt / Function [x、x ^ 3] /などの代わりに、対応するグラフがページに表示されます。 次に、作業ディレクトリまたはサブディレクトリのいずれかにあるハンドラーに任意のhtmlページを表示する機能を追加します。 まず、コードを使用してこのページを作成します。

 Export["page.html", TableForm[Table[{ToString[i] <> "!", i!}, {i, 1, 9}]], "HTML"];
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

残念ながら、上記の行のコードを実行すると、Mathematica式をhtml形式にエクスポートするのに時間がかかることがすぐにわかります。 数学では、多くのページまたは他の要素（画像/表）を作成することは難しくありませんが、このすべてのデータを毎回エクスポートすることは、標準的な手段による作成よりも大幅に時間がかかります。 じゃあ すべてのページが既に存在し、テストページを保存したサーバーの作業ディレクトリのディスクにあると仮定します。 それを表示してみてください。 この場合、ページとその要素のいずれかがバイトのリストとしてインポートされ、応答ヘッダーのある行に対応するバイトのリストに接続されます。

 responseGenerator_ResponseGenerator[parsed_Association] /; FileExistsQ[FileNameJoin[{Directory[], parsed[["Address"]]}]] && StringTake[parsed[["Address"]], -3] != ".nb" := Module[{path = FileNameJoin[{Directory[], parsed[["Address"]]}], data}, data = Import[path, "Byte"]; Join[ToCharacterCode[ResponseString["", Length[data]]], data] ];
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

予想どおり、サーバーは整数の階乗値のテーブルをブラウザに返しました。 最後のケース。 保存したメモ帳をブラウザに表示します。 作業ディレクトリで、コードを使用して新しいNotebook.nbを作成します。

 notebook = CreateDocument[{TextCell["Bubble sort","Section"], ExpressionCell[Defer[list = RandomInteger[{0, 9}, 20]], "Input"], ExpressionCell[Defer[list //. {firsts___, prev_, next_, lasts___} :> {firsts, next, prev, lasts} /; next < prev], "Input"] }]; NotebookEvaluate[notebook, InsertResults -> True]; NotebookSave[notebook, FileNameJoin[{Directory[], "notebook.nb"}]] NotebookClose[notebook];
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

ここで、htmlページが要求されたときに発生したアクションと同様のアクションを実行します。 ただし、htmlコードを返す前に、メモ帳はまずhtmlに変換されます。

 responseGenerator_ResponseGenerator[parsed_Association] /; FileExistsQ[FileNameJoin[{Directory[], parsed[["Address"]]}]] && StringTake[parsed[["Address"]], -3] == ".nb" := Module[{path, data, notebook}, path = FileNameJoin[{Directory[], parsed[["Address"]]}]; notebook = Import[path, "NB"]; Export[path <> ".html", notebook, "HTML"]; data = Import[path <> ".html", "Byte"]; Join[ToCharacterCode[ResponseString["", Length[data]]], data] ];
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

もちろん、ブラウザにノートブックが正確に表示されるわけではありません。 それはすべて、Mathメモ帳がhtmlにエクスポートされる方法に依存します。 また、サーバーでは、リソースが不足している場合にユーザーに表示されるエラーページを追加する価値があります。

 responseGenerator_ResponseGenerator[parsed_Association] /; !FileExistsQ[FileNameJoin[{Directory[], parsed[["Address"]]}]] := Join[ToCharacterCode[StringReplace[ResponseString["Page not found"], "200 OK" -> "404 !OK"]]];
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

明らかに、この記事に示されているWebサーバーの実装は、ほぼ完全ではありません。 さらに、これには大きな欠点があります。 例として、少なくともサーバーが2つのコードのみを返すことができるという事実を引用することができます：200と404。したがって、提示されたコードは実験的/実証的であると最もよく見られます。

法的側面

著者に知られるようになったため、標準のWolfram Mathematicaライセンスでは、商業目的と個人目的の両方でサーバーアプリケーション内で数学コアを使用することは許可されていません。 この制限は、Webに接続すべきではないスケジュールされたタスクには適用されません。 Wolfram Researchには、大規模な（そうではない）サーバーサイドアプリケーションを実装するための独自の非常に優れたプラットフォームがあります-これはwebMathematicaです。 法律の問題を回避し、サーバーでWolfram言語を使用できるようにするのはwebMathematicaのライセンスであり、アプリケーションがその上で開発されているかどうか（webMathematica）は関係なく、ライセンスを購入する必要があります。 著者は自分のコードがライセンス契約に違反していないと考えているため、ここでは組み込みツールを使用してlocalhostでMathematicaがWebサーバーを実行できるようにするプログラムのテキストのみを示します。 結局のところ、犯罪自体を説明する探偵は犯罪ではありません。

おわりに

この記事では、まず、Wolfram言語の興味深い構文上の特徴を示したいと思いました。 非標準的な方法で特定の問題を解決するときに、関数、ルール、および条件を作成するさまざまな方法。 そして、このガイドがMathematicaとその機能の学習と組み合わせることで、マニアがWeb開発を実践できるようになることを願っています。 次に、コードを改善するためのあらゆる種類のヒント、このタスクのフレームワーク内での実装の考え、および批判とコメントを期待しています。 この作品を含むノートブックは、次のリンクからダウンロードできます。 ご清聴ありがとうございました！