http://www.oschina.NET/translate/in_deep_with_django_channels_the_future_of_real_time_apps_in_django

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今天，我們很高興請到Jacob Kaplan-Moss。Jacob是來自Herokai，也是?Django的長期的核心代碼貢獻者，他將在這里分享一些他對某些特性的深入研究，他認為這些特性將重新定義框架未來。

當Django剛創(chuàng)建時，那是十多年前，網(wǎng)絡(luò)還是一個不太復(fù)雜的地方。大部分的網(wǎng)頁都是靜態(tài)的。由數(shù)據(jù)庫支撐的模型/視圖/ 控制器架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用還是很新鮮的東西。Ajax剛剛開始被使用，只在較少的場景中。

到現(xiàn)在2016年，網(wǎng)絡(luò)明顯更加強大。過去的幾年里已經(jīng)看到了所謂的“實時”網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用：在這類應(yīng)用中客戶端和服務(wù)器之間、點對點通信交互非常頻繁。包含很多服務(wù)（又名微服務(wù)）的應(yīng)用也變成是常態(tài)。新的web技術(shù)允許web應(yīng)用程序走向十年前我們只敢在夢里想象的方向。這些核心技術(shù)之一就是WebSockets：一種新的提供全雙工通信的協(xié)議——一個持久的，允許任何時間發(fā)送數(shù)據(jù)的客戶端和服務(wù)器之間的連接。

在這個新的世界，Django顯示出了它的老成。在其核心，Django是建立在請求和響應(yīng)的簡單概念之上的：瀏覽器發(fā)出請求，Django調(diào)用一個視圖，它返回一個響應(yīng)并發(fā)送回瀏覽器。

這在WebSockets中是行不通的 ！視圖的生命周期只在一個請求當中，沒有一種機制能打開一個連接不斷的發(fā)送數(shù)據(jù)到客戶端，而不發(fā)送相關(guān)請求。

因此：Django ?Channels就應(yīng)運而生了。Channels,簡而言之,取代了Django中的“guts” ——請求/響應(yīng)周期發(fā)送跨通道的消息。Channels允許Django以非常類似于傳統(tǒng)HTTP的方式支持WebSockets。Channels也允許在運行Django的服務(wù)器上運行后臺任務(wù)。HTTP請求表現(xiàn)以前一樣,但也通過Channels進行路由。因此,在Channels 支持下Django現(xiàn)在看起來像這樣:

如您所見，Django Channels引入了一些新的概念:

Channels基本上就是任務(wù)隊列：消息被生產(chǎn)商推到通道，然后傳遞給監(jiān)聽通道的消費者之一。如果你使用Go語言中的渠道,這個概念應(yīng)該相當熟悉。主要的區(qū)別在于，Django Channels通過網(wǎng)絡(luò)工作，使生產(chǎn)者和消費者透明地運行在多臺機器上。這個網(wǎng)絡(luò)層稱為通道層。通道設(shè)計時使用Redis作為其首選通道層，雖然也支持其他類型(和API來創(chuàng)建自定義通道層)。有很多整潔和微妙的技術(shù)細節(jié)，查閱文檔可以看到完整的記錄。

現(xiàn)在，通道作為一個獨立的應(yīng)用程序搭配使用Django 1.9使用。計劃是將通道合并到Django1.10版本，今年夏天將會發(fā)布。

我認為Channels將是Django的一個非常重要的插件：它們將支撐Django順利進入這個新的web開發(fā)的時代。雖然這些api還沒有成為Django的一部分，他們將很快就會是！所以，現(xiàn)在是一個完美的時間開始學(xué)習(xí)Channels：你可以了解未來的Django。

開始實踐：如何在Django中實現(xiàn)一個實時聊天應(yīng)用

作為一個例子，我構(gòu)建了一個簡單的實時聊天應(yīng)用程序——就像一個非常非常輕量級的Slack。有很多的房間,每個人都在同一個房間里可以聊天,彼此實時交互（使用WebSockets）。

你可以訪問我在網(wǎng)絡(luò)上部署的例子，看看在GitHub上的代碼，或點擊這個按鈕來部署自己的。（這需要一個免費的Heroku賬戶，所以得要先注冊）：

注意:你需要在點擊上面的按鈕后，啟動工作進程。使用儀表盤或運行heroku ps:scale web=1:free worker=1:free。

如果你想深入了解這個應(yīng)用程序是如何工作的——包括你為什么需要worker！——那么請繼續(xù)讀下去。我將會一步一步來構(gòu)建這個應(yīng)用程序，并突出關(guān)鍵位置和概念。

第一步——從Django開始

雖然在實現(xiàn)上有了很大差異，但是這仍舊是我們使用了十年的Django。所以第一步和其他任何Django應(yīng)用是一樣的（如果你是Django新手，你得看看如何在Heroku上開始使用Python和Django新手教程）。創(chuàng)建一個工程后，你可以定義模型來表示一個聊天室和其中的消息（chat/models.py）：

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class?Room(models.Model): ????name?=?models.TextField() ????label?=?models.SlugField(unique=True) class?Message(models.Model): ????room?=?models.ForeignKey(Room,?related_name='messages') ????handle?=?models.TextField() ????message?=?models.TextField() ????timestamp?=?models.DateTimeField(default=timezone.now,?db_index=True)

（在這一步中，包括后面的例子，我已經(jīng)將代碼最簡化，希望能將焦點放到重點上，全部代碼請看Gitbub。）

然后創(chuàng)建一個聊天室視圖以及相應(yīng)的urls.py和模板：

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def?chat_room(request,?label): ????#?If?the?room?with?the?given?label?doesn't?exist,?automatically?create?it ????#?upon?first?visit?(a?la?etherpad). ????room,?created?=?Room.objects.get_or_create(label=label) ????#?We?want?to?show?the?last?50?messages,?ordered?most-recent-last ????messages?=?reversed(room.messages.order_by('-timestamp')[:50]) ????return?render(request,?"chat/room.html",?{ ????????'room':?room, ????????'messages':?messages, ????})

現(xiàn)在，我們已經(jīng)已經(jīng)有了一個可以運行的Django應(yīng)用。如果你在標準的Django環(huán)境中運行它，你可以看到已經(jīng)存在的聊天室和聊天記錄，但是聊天室內(nèi)無法進行交互操作。實時沒有起作用，我們得做工作來處理?WebSockets。

接下來我們做什么

為了搞明白接下來后臺需要做些什么，我們得先看下客戶端的代碼。你可以在?chat.js?中找到，其實也沒做多少工作！首先，創(chuàng)建一個 websocket：

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1 2	var?ws_scheme?=?window.location.protocol?==?"https:"???"wss"?:?"ws"; var?chat_socket?=?new?ReconnectingWebSocket(ws_scheme?+?'://'?+?window.location.host?+?"/chat"?+?window.location.pathname);

注意：

• 像HTTP和?HTTPS一樣，WebSocket協(xié)議區(qū)分為安全和非安全兩種，我們可以按照需要選擇合適的.

• 因為Heroku的路由有60秒鐘過期的問題。?我使用了?一個瀏覽器WebSocket小技巧?可以在socket斷開時自動重連。 （感謝Kenneth Reitz，在他的?Flask WebSocket例子中指出了這一點）。

接下來，我們將加入一個回調(diào)函數(shù)，當表單提交時，我們就通過WebSocket發(fā)送數(shù)據(jù)（而不是 POST數(shù)據(jù)）：

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$('#chatform').on('submit',?function(event)?{ ????var?message?=?{ ????????handle:?$('#handle').val(), ????????message:?$('#message').val(), ????} ????chat_socket.send(JSON.stringify(message)); ????return?false; });

我們可以通過WebSocket發(fā)送任何想要發(fā)送的數(shù)據(jù)。像眾多的API一樣， JSON 是最容易的，所以我們將要發(fā)送的數(shù)據(jù)打包成JSON格式。

最后，我們需要將回調(diào)函數(shù)與WebSocket上的新數(shù)據(jù)接收事件對接起來：

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chatsock.onmessage?=?function(message)?{ ????var?data?=?JSON.parse(message.data); ????$('#chat').append('<tr>'? ????????+?'<td>'?+?data.timestamp?+?'</td>'? ????????+?'<td>'?+?data.handle?+?'</td>' ????????+?'<td>'?+?data.message?+?'?</td>' ????+?'</tr>'); };

簡單提示：從獲取的信息中拉取數(shù)據(jù)，在會話的表上加上一行。如果現(xiàn)在就運行這個代碼，他是無法運行的，現(xiàn)在還沒有誰監(jiān)聽WebSocket連接呢，只是簡單的HTTP。現(xiàn)在，讓我們來連接WebSocket。

安裝和創(chuàng)建?Channels

要將這個應(yīng)用“通道化”，我們需要做三件事情：安裝Channels，建立通道層，定義通道路由，修改我們的工程使其運行在Channels上（而不是WSGI）。

1. 安裝Channels

要安裝Channels，只需要執(zhí)行pip install channels，然后將 "channels”添加到?INSTALLED_APPS配置項中。安裝Channels后，允許Django以“通道模式”運行，使用上面描述的通道架構(gòu)來完成請求/響應(yīng)的循環(huán)。（為了向后兼容，你仍可以以?WSGI模式運行Django?，但是在這種模式下WebSockets和Channel的其他特性就不能工作了。）

2. 選擇一個通道層

接下來，我們將定義一個通道層。這是Channels用來在消費者和生產(chǎn)者（消息發(fā)送者）之間傳遞消息的交換機制。?這是一種有特定屬性的消息隊列（詳細信息請查看Channels文檔）。

我們將使用redis作為我們的通道層：它是首選的生產(chǎn)型（可用于工程部署）通道層，是部署在Heroku上顯而易見的選擇。 當然也有一些駐留內(nèi)存和基于數(shù)據(jù)的通道層，但是它們更適合于本地開發(fā)或者低流量情況下使用。 （更多細節(jié)，再次請查看?文檔。）

但是首先：因為Redis通道層是在另外的包中實現(xiàn)的，我們需要運行pip安裝?asgi_redis。（我將會在下面稍微介紹點“ASGI”。）然后我們在CHANNEL_LAYERS配置中定義通道層：

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CHANNEL_LAYERS?=?{ ????"default":?{ ????????"BACKEND":?"asgi_redis.RedisChannelLayer", ????????"CONFIG":?{ ????????????"hosts":?[os.environ.get('REDIS_URL',?'redis://localhost:6379')], ????????}, ????????"ROUTING":?"chat.routing.channel_routing", ????}, }

要注意的是我們把Redis的連接URL放到環(huán)境外面，以適應(yīng)部署到Heroku的情況。

3. 通道路由

在通道層（CHANNEL_LAYERS），我們已經(jīng)告訴 Channel去哪里找通道路由——chat.routing.channel_routing。通道路由很類似與URL路由的概念：URL路由將URL映射到視圖函數(shù)；通道路由將通道映射到消費者函數(shù)。跟?urls.py類似，按照慣例通道路由應(yīng)該在routing.py里。現(xiàn)在，我們創(chuàng)建一條空路由：

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1	channel_routing?=?{}

(我們將在后面看到好幾條通道路由信息，當連接WebSocket的時候回用到。)

你會注意到我們的app里有urls.py和routing.py兩個文件：我們使用同一個app處理HTTP請求和WebSockets。這是很典型的做法：Channels應(yīng)用也是Django應(yīng)用，所以你想用的所有Django的特性——視圖，表單，模型等等——都可以在Channels應(yīng)用里使用。

4. 運行

最后，我們需要替換掉Django的基于HTTP/WSGI的請求處理器，而是使用通道。它是一個基于新興標準ASGI（異步服務(wù)器網(wǎng)關(guān)接口）的, 所以我們將在asgi.py文件里定義處理器：

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import?os import?channels.asgi os.environ.setdefault("DJANGO_SETTINGS_MODULE",?"chat.settings") channel_layer?=?channels.asgi.get_channel_layer()

(將來，Django會自動生成這個文件，就像現(xiàn)在自動生成wsgi.py文件一樣。)

現(xiàn)在，如果一切順利的話，我們應(yīng)該能在通道上把這個app運行起來。Channels接口服務(wù)叫做Daphne，我們可以運行如下命令運行這個app：

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1	$?daphne?chat.asgi:channel_layer?--port?8888

** 如果現(xiàn)在訪問http://localhost:8888/ 我們會看到……什么事情也沒發(fā)生。這很讓人困惑，直到你想起Channels將?Django分成了兩部分：前臺接口服務(wù)?Daphne，后臺消息消費者。所以想要處理HTTP 請求，我們得運行一個worker：

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1	$?python?manage.py?runworker

現(xiàn)在請求應(yīng)該能傳遞過去了。這說明了其中的機制很簡潔：Channels 繼續(xù)處理?HTTP(S)請求，但是是以一個完全不同的方式去處理，這與通過Django運行?Celery?沒有太大的不同，那種情況下運行WSGI服務(wù)的同時也要運行Celery服務(wù)。不過現(xiàn)在，所有的任務(wù)——HTTP請求， WebSockets，后臺服務(wù)都在worker中運行起來了.

（順便說一句，我們?nèi)匀豢梢酝ㄟ^運行Python?manage.py runserver命令來做本地測試。當這么做時， Channels只是在同一進程里運行起Daphne和一個worker。）

WebSocket消費者

好了，我們已經(jīng)完成了安裝；讓我們開始進入最奇妙的部分吧。

Channels 將WebSocket連接映射到三個通道中:

• 一個新的客戶端 （如瀏覽器）第一次通過WebSocket連接上時，一條消息被發(fā)送到?websocket.connect 通道。當這發(fā)生時，我們記錄這個客戶端當前進入一個已知的聊天室。

• 每條客戶端通過已建立的socket發(fā)送的消息都被發(fā)送到?websocket.receive通道。（這些都是從瀏覽器接收到的消息；記住通道都是單向的。我們等一會兒會介紹如何將消息發(fā)送給客戶端。）當一條消息被接受時，我們將對聊天室里所有其他客戶端進行廣播。

• 最后，當客戶端斷開連接時，一條消息被發(fā)送到websocket.disconnect通道。當這發(fā)生時，我們將此客戶端從聊天室里移除。

首先，我們得在routing.py文件里對這個三個通道進行hook:

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from?.?import?consumers channel_routing?=?{ ????'websocket.connect':?consumers.ws_connect, ????'websocket.receive':?consumers.ws_receive, ????'websocket.disconnect':?consumers.ws_disconnect, }

其實很簡單：就是將每個通道連接到對應(yīng)的處理函數(shù)。現(xiàn)在我們來看看這些函數(shù)。按照慣例我們會將這些函數(shù)放到一個?consumers.py 文件里（但是像視圖一樣，其實也可以放在任何地方）。

首先來看看?ws_connect：

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from?channels?import?Group from?channels.sessions?import?channel_session from?.models?import?Room @channel_session def?ws_connect(message): ????prefix,?label?=?message['path'].strip('/').split('/') ????room?=?Room.objects.get(label=label) ????Group('chat-'?+?label).add(message.reply_channel) ????message.channel_session['room']?=?room.label

（為了清晰起見，我將代碼中的異常處理和日志去掉了。要看完整版本，請看GitHub上的consumers.py）。

這里代碼很多，讓我們一行行來看： 7.?客戶端將會連接到一個/chat/{label}/形式的WebSocket，label映射的是一個房間的屬性。因為所有的WebSocket消息（不考慮URL）客戶端都可以在相同的頻道里發(fā)送和獲取消息，我們要在哪個房間工作，通過路徑解析就可以。 客戶端解析WebSocket路徑是通過讀取message['path']獲得的，這不同于傳統(tǒng)的URL路由，Django的urls.py的路由是基于path的。如果你有多個WebSocket URL，你會需要路由到你自己定制的不同函數(shù)。（這是一個“早期”頻道方面的內(nèi)容；很可能在未來的版本里Channel將會包含在WebSocket URL 路由中。） 8.?現(xiàn)在，我們可以從數(shù)據(jù)庫中查看Room對象了。

9.?這條線是使聊天功能能工作的關(guān)鍵。我們需要知道如何把消息發(fā)送回這個客戶端。要做到這點，我們將使用消息的應(yīng)答通道——每條消息都會有一個應(yīng)答通道屬性（reply_channelattribute），可以用來把消息發(fā)送回這個客戶端。（我們不需要去自己創(chuàng)建這個通道；Channels已經(jīng)創(chuàng)建好了。）

然而，只把消息發(fā)送到這一個通道還是遠遠不夠的的；當一個用戶聊天時，我們想把消息送給每一個連接到此聊天室的用戶。要做到這點，我們使用一個通道組（channel group）。一個組是由多個通道連接而成，你可以用他來廣播消息。所以，我們將這個消息的應(yīng)答通道加入到這個聊天室的特殊通道組中。

10.?最后，后續(xù)的消息（接收/斷開）不再包含這個URL（因為連接已經(jīng)激活）。所以，我們需要一種方式來把一個WebSocket連接映射到哪個聊天室記錄下來。要做到這點，我們可以使用一個通道會話。通道會話很像?Django的會話框架： 它們通過通道消息的屬性message.channel_session把這些信息持久化下來。我們給一個消費者添加修飾屬性?@channel_session，就可以讓會話框架起效。?（文檔見?通道會話如何工作的更多細節(jié)）。

現(xiàn)在一個客戶端已經(jīng)連接上來了，讓我們看看ws_receive。WebSocket上每接收一條消息，這個消費者都會被調(diào)用：

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@channel_session def?ws_receive(message): ????label?=?message.channel_session['room'] ????room?=?Room.objects.get(label=label) ????data?=?json.loads(message['text']) ????m?=?room.messages.create(handle=data['handle'],?message=data['message']) ????Group('chat-'+label).send({'text':?json.dumps(m.as_dict())})

（再一次說明，為了清晰起見，我把錯誤處理和日志都去掉了。）

最初的幾行很簡單：從?channel_session中解析出聊天室，在數(shù)據(jù)庫中查找出來該聊天室，解析JSON消息，將消息作為Message對象存放在數(shù)據(jù)庫中。然后，我們所要作的就是將這條消息廣播給聊天室里所有的成員，為了做到這點我們可以使用和前面一樣的通道組。Group.send()將會把這條信息發(fā)送到加入到本組的所有reply_channel。

然后， ws_disconnect就很簡單了：

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@channel_session def?ws_disconnect(message): ????label?=?message.channel_session['room'] ????Group('chat-'+label).discard(message.reply_channel)

這里，在從channel session里查找到聊天室后，我們從聊天組里斷開了reply_channel，就是這樣！

部署和擴展

現(xiàn)在我們已經(jīng)把 WebSockets連接起來并開始工作，我們可以像上面一樣運行daphne和worker進行測試，或者運行manage.py runserver)。但是和自己聊天是很寂寞的哦，所以讓我們在Heroku上把它跑起來！

大部分情況下， 一個 Channels 應(yīng)用和一個python應(yīng)用在Heroku上都是一樣的——在requirements.txt中有詳細需求,?在runtime.txt定義Python運行事，通過標準的Git推送到heroku上進行部署，等等。 （對于一個新手，請看?在Heroku上開始Python開發(fā)教程。） 我將重點突出那些Channel應(yīng)用和標準Django應(yīng)用不一樣的地方：

1. Procfile 和處理類型

因為Channels應(yīng)用同時需要 HTTP/WebSocket 服務(wù)和一個后臺通道消費者，?所以Procfile需要定義這兩種類型。下面是我們的Procfile:

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1 2	web:?daphne?chat.asgi:channel_layer?--port?$PORT?--bind?0.0.0.0?-v2 worker:?python?manage.py?runworker?-v2

當我們首次部署，我們需要確認兩種處理類型都在運行中（Heroku默認值啟動web進程）：

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1	$?heroku?ps:scale?web=1:free?worker=1:free

（一個簡單的應(yīng)用將運行在 Heroku的免費或者愛好者層上，不過在實際使用環(huán)境中你可能需要升級到產(chǎn)品級來提高吞吐量。）

2. 插件： Postgres和Redis

就像Django的大多數(shù)應(yīng)用，你需要一個數(shù)據(jù)庫， Heroku的Postgres可以完美的滿足要求。然而，Channels也需要一個 Redis實例作為通道層。所以，我們在首次部署我們的應(yīng)用時需要創(chuàng)建一個?Heroku Postgres和一個?Heroku Redis：

$?heroku?addons:create?heroku-postgresql $?heroku?addons:create?heroku-redis

3. 擴展

因為Channels實在是太新了，擴展性問題還不是很了解。然而，基于現(xiàn)在的架構(gòu)和我早前做的一些性能測試，我可以做出一些預(yù)測。關(guān)鍵點在于Channels 把負責(zé)連接的處理進程（daphne）和負責(zé)通道消息處理的處理進程（runworker）分開了。這意味著：

• 通道的吞吐量——HTTP請求， WebSocket消息，或者自定義的通道消息——取決于工作者進程的數(shù)量。所以，如果你需要處理大量的請求，你可以擴展工作者進程?（比如，heroku上?ps:scale worker=3）。

• 并發(fā)水平——當前打開的連接數(shù)——將受限于前端web進程的規(guī)模。所以，如果你需要處理大量并發(fā)的WebSocket連接，你得擴展web進程（比如， heroku 上ps:scale worker=2）。

基于我前期做的測試工作， 在一個Standard-1X進程內(nèi)Daphne是非常適合處理成百的并發(fā)連接的。所以我估計很少有場景需要擴展這個web進程。一個Channels應(yīng)用中的工作者進程的個數(shù)與一個老風(fēng)格Django應(yīng)用所需的web進程個數(shù)是相當?shù)摹?

接下來要做些什么呢? 對WebSocket的支持是Django的一項很大的新特性，但是這只粗淺介紹了Channels可以做些什么。你要記住：Channels是一個運行后臺任務(wù)的通用工具。因此，很多過去需要?Celery?或者?Python-RQ?才能做得事情，都可以用Channels替換。 Channels無法完全替換復(fù)雜的任務(wù)隊列：他有些很重要的限制，比如只發(fā)一次，這并不適合所有的場景。?查看文檔以了解全部細節(jié)。?當然，?Channels可以使通常的后臺任務(wù)更加簡單。比如，你可以很容易的使用Channels完成圖像縮略圖生成，發(fā)送郵件、推文或者短信，運行耗時數(shù)據(jù)計算等等工作。 對于Channels來說：計劃在 Django 1.10中包含Channels ，定于今年夏天發(fā)布。這意味著現(xiàn)在是一個很好的時機來嘗試一下并給出反饋：您的反饋將會推動這一重要特性的發(fā)展方向。如果你想?yún)⑴c進來，看看這份指導(dǎo)文檔向Djang貢獻代碼， ?然后到?django開發(fā)者郵件列表?里分享你的反饋。 最后： 非常感謝?Andrew Godwin?在 Channels上付出的努力工作。這真是Django的一個非常激動人心的新方向，我很激動地看到它開始發(fā)展起來。

進一步閱讀

關(guān)于Channels的更多信息，請查看Channels文檔，其中包含很多細節(jié)和引用，包括：

• Channels的FAQs答案。

• ?將Channels整合進Django的計劃。

• 正式的?異步網(wǎng)管接口說明?（如果你真的想要了解所有技術(shù)細節(jié)！）

關(guān)于在 Heroku上使用Python 的信息，請訪問Python on Heroku in Dev Center。我推薦其中的幾篇特別好的文章：

• Getting Started with Python on Heroku

• Configuring Django apps for Heroku

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的Django Channels 入门指南的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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