Before Beginning

  • 前置知识需求: CS61A, 或掌握至少一门编程语言（如Python）的扎实基础，理解函数、类、简单数据结构（列表、字典、集合等）、递归等核心编程概念, 畅通的网络环境, 了解Python的基础写法, 基本的英语阅读能力, 提问的艺术, 基础CLI操作

  • Lab 0:

第一部分： 后端基础 (Python + FastAPI + SQLModel)

  • 教学目标

    • 快速上手: 让学生在几小时内，从零开始搭建起一个功能完整的 CRUD (增删改查) API。
    • 建立自信: 通过 FastAPI 强大的自动文档和 SQLModel 的易用性，让学生感受到现代工具带来的便捷，消除对后端的畏难心理。
    • 文档阅读: FastAPI 有着非常用户友好的文档, 利用它来培养阅读文档的习惯. 这也是本教程选择SQLModel而不是SQLAlchemy的原因之一
    • 正确使用AI: 不要让Copilot变成Copybot
    • 教学要点: 把自己同样当作学生, 对于一切实际的代码写法, 我们都需要示范如何通过查阅框架文档来得知
    • 整个教程的每个模块会维护和精进同一个项目(不与 Project 1 相同, 教程项目更倾向于教学示范)
    • 理解或掌握以下知识：
      1. 路由函数 (Routing) 与 HTTP 方法 (GET, POST, PUT, DELETE)。
      2. SQL, ORM 与数据库操作 (CRUD)。
      3. API-服务-数据 的基本三层架构模式。
      4. 中间件 (Middleware) 的作用。
      5. 基本的安全思想.
      6. 基本的单元测试和集成测试概念和写法
      7. 配置管理: 学会分离开发, 测试, 生产环境
      8. 学会现代部署: 掌握使用 Docker 和 Docker Compose 对应用进行容器化部署的基本技能。
      9. 学会阅读框架文档
      10. 基本的 Git 团队协作能力

  • 课程大纲

    • 模块一: API 和 HTTP

      • API 和 路由函数
      • 路径参数和查询参数
      • HTTP, GET 和 POST 方法
      • 请求体和数据校验(pydantic)
      • API 文档 (展示FastAPI的自动生成的 Swagger 文档)
      • …
      • 作业:
        • 阅读文档, 找到如何使用 FastAPI 构造一个上传文件的接口.
        • 通过阅读文档, 发现并解决 FastAPI 中路由函数先后定义产生的问题.
      • 拓展阅读:
        • HTTP MDN, 图解HTTP
        • RESTful API 和 WebSocket
        • API测试工具
        • …

    • 模块二： 数据库

      • SQL语句: 手动使用SQL来进行基础的查询和数据库操作
      • ORM 与模型: ORM概念, 使用 SQLModel，定义第一个数据模型。
      • 连接数据库: 使用 SQLite 作为入门数据库，配置数据库连接。
      • 实现 CRUD: 编写完整的增、删、改、查四个 API 接口。
      • 数据库事务的概念和重要性(ACID), SQLModel 的 session
      • 索引设计
      • 作业:
        • 提供一个复杂的数据库 ER 图, 要求编写几个不同复杂度的 SQL 查询语句, 覆盖连接 (JOIN), 分组 (GROUP BY), 子查询等。
        • 用ORM的关系预加载优化一个 N+1 查询问题.
      • 拓展阅读:
        • SQL, NoSQL(MongoDB, Redis, Neo4j)
        • 索引, 外键, 多对多…
        • alembic 等数据库同步工具
        • ACID、CAP 和 BASE
        • 软删除
        • SQL 注入
        • …

    • 模块三： 代码的规范化

      • 问题引入: 当业务逻辑变复杂时，所有代码都写在路由函数里的坏处。
      • 重构代码: 引入三层架构思想, 把先前的代码清晰分为API层, 服务层, 路由层.
      • 如何避免过度设计
      • 拓展阅读:

    • 模块四： 中间件

      • 中间件基本概念
      • 中间件一般应用场景
      • 错误处理中间件(统一错误响应格式)
      • CORS中间件
      • 作业:
        • 编写一个简单的记录API日志的中间件, 统计请求处理时长.
        • 实现自定义异常处理中间件
      • 拓展阅读:
        • …

    • 模块五: 基本的安全思想

      • JWT Token
      • passwd_hashed
      • CORS
      • 环境变量管理敏感信息
      • 永远不要相信用户的输入
      • …
      • 作业:
        • 实现一个完整的注册登陆流程, 密码哈希存储
        • 利用中间件实现API的Token鉴权
        • …
      • 拓展阅读:
        • …

    • 模块六：交付你的第一个后端服务 (容器化)

      • Docker 入门: 讲解什么是 Docker, 它解决了什么问题.
      • Dockerfile: 为 FastAPI 应用编写一个 Dockerfile
      • Docker Compose
      • 作业:
        • 没想好
      • 拓展阅读:
        • 除了Docker以外的容器, Podman, container.d
        • CI/CD, Github Actions
        • …

    • Project 1: 电子书商城

      • 与前端组协调, 后端小组与前端小组共同完成电子书商城项目.
      • 要求:
        • 强制使用 Feature Branch 工作流
        • 编写有意义的 Commit Message
        • 团队成员之间需要进行 Code Review

第二部分： 后端进阶 (Go + Gin)

  • 教学目标

    • 深入原理: 通过 Go 的显式特性，让学生深刻理解路由、中间件、ORM 等概念的底层实现本质。
    • 培养底层思维: 从一个“框架使用者”转变为一个能思考性能、并发、内存管理的“工程师”。
    • 掌握 Go 后端开发: 熟练使用 Go 语言、Gin 框架和 GORM 来构建高性能的后端服务，并掌握 Go 的指针、错误处理等核心特性。
    • 衔接微服务架构: 理解从单体应用到微服务的演进过程，初步掌握 RPC (gRPC)、服务注册与发现、容器编排 (Kubernetes) 等核心概念。

  • 课程大纲

    • Lab 0: Go语言基础

      • Go 语法, Go环境搭建, 工作区概念, Go Modules, Goroutine

    • 模块一： 重新认识路由和框架

      • 路由的本质: 先用 Go 标准库 net/http 手写一个简单的 Web 服务器，暴露路由函数。
      • 引入 Gin: 讲解 Gin 如何用更优雅的方式解决了 net/http 的路由和分组问题。
      • Gin 的 Context
      • …
      • 作业:
        • 尝试使用 net/http 实现一个支持不同HTTP方法的路由分发器
      • 拓展阅读:
        • gin-swagger
        • 大厂基于Gin的框架
        • GORM

    • 模块二： 再论架构与中间件的本质

      • 通过接口和构造函数手动注入依赖, 本质上为了解决相同的问题
      • 中间件的本质: 手写一个最简单的 Gin 中间件, 本质是一个接收 *gin.Context 并调用 c.Next() 的函数. 责任链模式.
      • …
      • 作业:
        • 替换Gin框架的默认Logger中间件
        • 实现一个 Panic 恢复中间件, 确保单个请求的崩溃不会导致整个服务宕机, 并能记录下崩溃的堆栈信息
      • 拓展阅读:
        • Go的闭包
        • go 的反射机制和适用场景

    • 模块三: 消息队列

      • 问题引入: 当服务所需要的请求量越来越多
      • RabbitMQ(AMQP 模型) 和 Kafka(流模型) 的区别和适用场景
      • ACK, 持久化和重试
      • 什么时候应当为系统引入消息队列才不会显得累赘
      • …
      • 作业:
        • 实现一个异步任务, 通过API提交某个耗时请求之后, 服务将任务放入RabbitMQ后立即返回, 让一个Worker服务消费任务
      • 拓展阅读:
        • 死信队列
        • Kafka核心概念: Topic, Partition, Offset, Consumer Group
        • RocketMQ

    • 模块四: 缓存

      • Redis
      • 缓存的常见策略 (Cache-aside, Read-through, Write-through)
      • 缓存穿透、缓存击穿、缓存雪崩的原因和解决方案
      • Redis 常见数据结构的使用场景
      • 什么时候应当引入缓存才不会显得累赘
      • …
      • 作业:
        • 为某个高频读取的API增加Redis缓存(Cache-aside), 并进行压测, 对比QPS和响应时间。
      • 拓展阅读:
        • 缓存与数据库一致性问题
        • 分布式锁的概念与基于Redis的实现

    • 模块五：从单体到微服务

      • 单体应用的痛点, 为什么业界会需要微服务架构
      • RPC概念, 以及RPC的底层本质
      • gRPC: Protobuf, 服务定义, 四种通信模式, 在Go中的实践
      • 作业:
        • 创建两个微服务：user-service 和 order-service。order-service 在创建订单时，需要通过 gRPC 调用 user-service 来验证用户信息是否存在

    • 模块六：Kubernetes

      • 什么是容器编排? 为什么已经有compose了还需要k8s?
      • k8s 架构和核心概念讲解
      • kind
      • 作业:
        • 为一个简单的微服务编写Kubernetes的Deployment和Service的YAML文件, 并使用kind在本地部署起来
        • 在kind集群中滚动更新 (Rolling Update) 和回滚 (Rollback) 一个服务
      • 拓展阅读:
        • k8s 官方文档
        • …

    • Project 2 : 电商平台

      • 参考去年字节后端青训营项目. 要求使用gRPC的微服务架构, 使用k8s集群进行部署.

延伸

一起收集一下常见的各种典型后端项目的设计与实现方式.