azure-cosmos-db-py
microsoft/skills
Erstellen Sie mit Python/FastAPI produktionsreife Azure Cosmos DB-NoSQL-Dienste, einschließlich der Client-Einrichtung mit doppelter Authentifizierung, CRUD-Operationen auf Dienstebene, Partitionsschlüsselstrategien, parametrisierten Abfragen und TDD-Mustern.
...Alle erweiternImplementierung des Cosmos DB-Dienstes
Erstellen Sie produktionsreife Azure Cosmos DB NoSQL-Dienste unter Einhaltung der Grundsätze für sauberen Code, bewährter Sicherheitsverfahren und der TDD-Prinzipien.
Installation
pip install azure-cosmos azure-identity
Umgebungsvariablen
COSMOS_ENDPOINT=https://.documents.azure.com:443/ # Required for all auth methods
COSMOS_DATABASE_NAME= # Required for all auth methods
COSMOS_CONTAINER_ID= # Required for all auth methods
# For emulator only (not production)
COSMOS_KEY= # Only required for key-based auth or emulator
AZURE_TOKEN_CREDENTIALS=prod # Required only if DefaultAzureCredential is used in production
Authentifizierung und Lebenszyklus
🔑 Für alle folgenden Code-Beispiele gelten zwei Regeln:
- Verwenden Sie vorzugsweise „
DefaultAzureCredential“. Dies funktioniert lokal (Azure CLI / VS Code / Developer CLI) und in Azure (verwaltete Identität, Workload-Identität) ohne Codeänderungen. Vermeiden Sie Verbindungszeichenfolgen, Konto- und API-Schlüssel – diese umgehen die Entra-Prüfung und -Rotation.
- Lokale Entwicklung:
DefaultAzureCredentialfunktioniert so wie es ist.- Produktion: Setzen Sie
AZURE_TOKEN_CREDENTIALS=prod(oderAZURE_TOKEN_CREDENTIALS=), um die Anmeldeinformationskette auf produktionssichere Anmeldeinformationen zu beschränken.- Hüllen Sie jeden Client in einen Kontextmanager, damit HTTP-Transporte, Sockets und Token-Caches deterministisch freigegeben werden:
- Sync:
with(...) as client: - Async:
async withund(...) as client: async with DefaultAzureCredential() as credential:(ausazure.identity.aio)Code-Schnipsel können diese Konfiguration zwar verkürzen, aber Produktionscode sollte stets beide Regeln befolgen.
DefaultAzureCredential (bevorzugt):
import os
from azure.cosmos import CosmosClient
from azure.identity import DefaultAzureCredential, ManagedIdentityCredential
# Local dev: DefaultAzureCredential. Production: set AZURE_TOKEN_CREDENTIALS=prod or AZURE_TOKEN_CREDENTIALS=
credential = DefaultAzureCredential(require_envvar=True)
# Or use a specific credential directly in production:
# See https://learn.microsoft.com/python/api/overview/azure/identity-readme?view=azure-python#credential-classes
# credential = ManagedIdentityCredential()
with CosmosClient(
url=os.environ["COSMOS_ENDPOINT"],
credential=credential
) as client:
# Use client here (see following sections for operations)
...
Emulator (lokale Entwicklung):
from azure.cosmos import CosmosClient
with CosmosClient(
url="https://localhost:8081",
credential=os.environ["COSMOS_KEY"],
connection_verify=False
) as client:
# Use client here (see following sections for operations)
...
Architekturübersicht
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ FastAPI Router │
│ - Auth dependencies (get_current_user, get_current_user_required)
│ - HTTP error responses (HTTPException) │
└──────────────────────────────┬──────────────────────────────────┘
│
┌──────────────────────────────▼──────────────────────────────────┐
│ Service Layer │
│ - Business logic and validation │
│ - Document ↔ Model conversion │
│ - Graceful degradation when Cosmos unavailable │
└──────────────────────────────┬──────────────────────────────────┘
│
┌──────────────────────────────▼──────────────────────────────────┐
│ Cosmos DB Client Module │
│ - Singleton container initialization │
│ - Dual auth: DefaultAzureCredential (Azure) / Key (emulator) │
│ - Async wrapper via run_in_threadpool │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘
Schnellstart
1. Einrichtung des Client-Moduls
Erstellen Sie einen Singleton-Cosmos-Client mit doppelter Authentifizierung:
# db/cosmos.py
from azure.cosmos import CosmosClient
from azure.identity import DefaultAzureCredential
from starlette.concurrency import run_in_threadpool
_cosmos_container = None
def _is_emulator_endpoint(endpoint: str) -> bool:
return "localhost" in endpoint or "127.0.0.1" in endpoint
async def get_container():
global _cosmos_container
if _cosmos_container is None:
# Singleton: client lives for the FastAPI app lifetime; close in a lifespan shutdown handler.
if _is_emulator_endpoint(settings.cosmos_endpoint):
client = CosmosClient(
url=settings.cosmos_endpoint,
credential=settings.cosmos_key,
connection_verify=False
)
else:
client = CosmosClient(
url=settings.cosmos_endpoint,
credential=DefaultAzureCredential()
)
db = client.get_database_client(settings.cosmos_database_name)
_cosmos_container = db.get_container_client(settings.cosmos_container_id)
return _cosmos_container
Vollständige Implementierung: Siehe references/client-setup.md
2. Pydantic-Modellhierarchie
Verwenden Sie das Fünf-Schichten-Modellmuster für eine klare Trennung:
class ProjectBase(BaseModel): # Shared fields
name: str = Field(..., min_length=1, max_length=200)
class ProjectCreate(ProjectBase): # Creation request
workspace_id: str = Field(..., alias="workspaceId")
class ProjectUpdate(BaseModel): # Partial updates (all optional)
name: Optional[str] = Field(None, min_length=1)
class Project(ProjectBase): # API response
id: str
created_at: datetime = Field(..., alias="createdAt")
class ProjectInDB(Project): # Internal with docType
doc_type: str = "project"
3. Muster für die Service-Schicht
class ProjectService:
def _use_cosmos(self) -> bool:
return get_container() is not None
async def get_by_id(self, project_id: str, workspace_id: str) -> Project | None:
if not self._use_cosmos():
return None
doc = await get_document(project_id, partition_key=workspace_id)
if doc is None:
return None
return self._doc_to_model(doc)
Vollständige Muster: Siehe references/service-layer.md
Kernprinzipien
Sicherheitsanforderungen
- RBAC-Authentifizierung: Verwenden Sie
DefaultAzureCredentialin Azure – speichern Sie niemals Schlüssel im Code - Emulator-spezifische Schlüssel: Den bekannten Emulator-Schlüssel nur für die lokale Entwicklung fest einbinden
- Parametrisierte Abfragen: Verwenden Sie immer die
@parameterSyntax – niemals Zeichenfolgenverkettung - Überprüfung des Partitionsschlüssels: Stellen Sie sicher, dass der Zugriff über den Partitionsschlüssel mit der Benutzerberechtigung übereinstimmt
Konventionen für sauberen Code
- Einzige Zuständigkeit: Das Client-Modul verwaltet die Verbindung; Dienste übernehmen die Geschäftslogik
- Graceful Degradation: Dienste geben
None/[], wenn Cosmos nicht verfügbar ist - Konsistente Namensgebung:
_doc_to_model(),_model_to_doc(),_use_cosmos() - Typhinweise: Vollständige Typisierung aller öffentlichen Methoden
- CamelCase-Aliase: Verwendung
Field(alias="camelCase")für die JSON-Serialisierung
TDD-Anforderungen
Schreiben Sie Tests VOR der Implementierung unter Verwendung dieser Muster:
@pytest.fixture
def mock_cosmos_container(mocker):
container = mocker.MagicMock()
mocker.patch("app.db.cosmos.get_container", return_value=container)
return container
@pytest.mark.asyncio
async def test_get_project_by_id_returns_project(mock_cosmos_container):
# Arrange
mock_cosmos_container.read_item.return_value = {"id": "123", "name": "Test"}
# Act
result = await project_service.get_by_id("123", "workspace-1")
# Assert
assert result.id == "123"
assert result.name == "Test"
Vollständiger Testleitfaden: Siehe references/testing.md
Bewährte Vorgehensweisen
- Dieses Modul verwendet durchgehend asynchrone Funktionen (
azure.cosmos.aio); vermischen Sie diese nicht mit dem synchronenazure.cosmos-Client. Halten Sie den gesamten FastAPI-Anforderungspfad asynchron – kombinieren Sie keine synchronen Cosmos-Aufrufe mit asynchronen Handlern. - Verwenden Sie für Clients und asynchrone Anmeldedaten stets Kontextmanager. Schließen Sie den Client in
async with CosmosClient(...) as client:(oder verwalten Sie dessen Lebensdauer über den FastAPI-Lifespan und schließen Sie ihn explizit). Für asynchroneDefaultAzureCredentialausazure.identity.aiosollten Sie außerdemasync with credential:, damit Tokens und Transporte bereinigt werden.
Referenzdateien
| Datei | Wann lesen? |
|---|---|
| references/client-setup.md | Einrichtung des Cosmos-Clients mit doppelter Authentifizierung, SSL-Konfiguration und Singleton-Muster |
| references/service-layer.md | Implementierung einer vollständigen Service-Klasse mit CRUD, Konvertierungen und Graceful Degradation |
| references/testing.md | Erstellen von pytest-Tests, Mocking von Cosmos, Einrichtung von Integrationstests |
| references/partitioning.md | Auswahl von Partitionsschlüsseln, partitionenübergreifende Abfragen, Verschiebungsoperationen |
| references/error-handling.md | Behandlung von „CosmosResourceNotFoundError“, Protokollierung, Zuordnung von HTTP-Fehlern |
Vorlagendateien
| Datei | Zweck |
|---|---|
| assets/cosmos_client_template.py | Gebrauchsfertiges Client-Modul |
| assets/service_template.py | Grundgerüst für eine Service-Klasse |
| assets/conftest_template.py | pytest-Fixtures für das Mocking von Cosmos |
Qualitätsmerkmale (NFRs)
Zuverlässigkeit
- Sanfte Herabstufung bei Nichtverfügbarkeit von Cosmos
- Wiederholungslogik mit exponentiellem Backoff bei vorübergehenden Ausfällen
- Verbindungspooling über das Singleton-Muster
Sicherheit
- Keine Geheimnisse im Code (RBAC über DefaultAzureCredential)
- Parametrisierte Abfragen verhindern Injektionen
- Partitionsschlüssel-Isolation erzwingt Datengrenzen
Wartbarkeit
- Das Fünf-Schichten-Modell ermöglicht eine Schemaentwicklung
- Die Service-Schicht entkoppelt die Geschäftslogik vom Speicher
- Konsistente Muster über alle Entitätsdienste hinweg
Testbarkeit
- Abhängigkeitsinjektion über
get_container() - Einfaches Mocking mit globalen Variablen auf Modulebene
- Klare Trennung ermöglicht Unit-Tests ohne Cosmos
Leistung
- Abfragen nach Partitionsschlüsseln vermeiden partitionenübergreifende Scans
- Asynchrone Umschließung verhindert das Blockieren der FastAPI-Ereignisschleife
- Minimaler Overhead bei der Dokumentkonvertierung
---
name: azure-cosmos-db-py
description: Build production-grade Azure Cosmos DB NoSQL services with Python/FastAPI, including client setup with dual authentication, service layer CRUD operations, partition key strategies, parameterized queries, and TDD patterns.
license: MIT
---
# Cosmos DB Service Implementation
Build production-grade Azure Cosmos DB NoSQL services following clean code, security best practices, and TDD principles.
## Installation
```bash
pip install azure-cosmos azure-identity
```
## Environment Variables
```bash
COSMOS_ENDPOINT=https://<account>.documents.azure.com:443/ # Required for all auth methods
COSMOS_DATABASE_NAME=<database-name> # Required for all auth methods
COSMOS_CONTAINER_ID=<container-id> # Required for all auth methods
# For emulator only (not production)
COSMOS_KEY=<emulator-key> # Only required for key-based auth or emulator
AZURE_TOKEN_CREDENTIALS=prod # Required only if DefaultAzureCredential is used in production
```
## Authentication & Lifecycle
> **🔑 Two rules apply to every code sample below:**
>
> 1. **Prefer `DefaultAzureCredential`.** It works locally (Azure CLI / VS Code / Developer CLI) and in Azure (managed identity, workload identity) with no code change. Avoid connection strings, account/API keys — they bypass Entra audit and rotation.
> - Local dev: `DefaultAzureCredential` works as-is.
> - Production: set `AZURE_TOKEN_CREDENTIALS=prod` (or `AZURE_TOKEN_CREDENTIALS=<specific_credential>`) to constrain the credential chain to production-safe credentials.
> 2. **Wrap every client in a context manager** so HTTP transports, sockets, and token caches are released deterministically:
> - Sync: `with <Client>(...) as client:`
> - Async: `async with <Client>(...) as client:` **and** `async with DefaultAzureCredential() as credential:` (from `azure.identity.aio`)
>
> Snippets may abbreviate this setup, but production code should always follow both rules.
**DefaultAzureCredential (preferred)**:
```python
import os
from azure.cosmos import CosmosClient
from azure.identity import DefaultAzureCredential, ManagedIdentityCredential
# Local dev: DefaultAzureCredential. Production: set AZURE_TOKEN_CREDENTIALS=prod or AZURE_TOKEN_CREDENTIALS=<specific_credential>
credential = DefaultAzureCredential(require_envvar=True)
# Or use a specific credential directly in production:
# See https://learn.microsoft.com/python/api/overview/azure/identity-readme?view=azure-python#credential-classes
# credential = ManagedIdentityCredential()
with CosmosClient(
url=os.environ["COSMOS_ENDPOINT"],
credential=credential
) as client:
# Use client here (see following sections for operations)
...
```
**Emulator (local development)**:
```python
from azure.cosmos import CosmosClient
with CosmosClient(
url="https://localhost:8081",
credential=os.environ["COSMOS_KEY"],
connection_verify=False
) as client:
# Use client here (see following sections for operations)
...
```
## Architecture Overview
```
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ FastAPI Router │
│ - Auth dependencies (get_current_user, get_current_user_required)
│ - HTTP error responses (HTTPException) │
└──────────────────────────────┬──────────────────────────────────┘
│
┌──────────────────────────────▼──────────────────────────────────┐
│ Service Layer │
│ - Business logic and validation │
│ - Document ↔ Model conversion │
│ - Graceful degradation when Cosmos unavailable │
└──────────────────────────────┬──────────────────────────────────┘
│
┌──────────────────────────────▼──────────────────────────────────┐
│ Cosmos DB Client Module │
│ - Singleton container initialization │
│ - Dual auth: DefaultAzureCredential (Azure) / Key (emulator) │
│ - Async wrapper via run_in_threadpool │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘
```
## Quick Start
### 1. Client Module Setup
Create a singleton Cosmos client with dual authentication:
```python
# db/cosmos.py
from azure.cosmos import CosmosClient
from azure.identity import DefaultAzureCredential
from starlette.concurrency import run_in_threadpool
_cosmos_container = None
def _is_emulator_endpoint(endpoint: str) -> bool:
return "localhost" in endpoint or "127.0.0.1" in endpoint
async def get_container():
global _cosmos_container
if _cosmos_container is None:
# Singleton: client lives for the FastAPI app lifetime; close in a lifespan shutdown handler.
if _is_emulator_endpoint(settings.cosmos_endpoint):
client = CosmosClient(
url=settings.cosmos_endpoint,
credential=settings.cosmos_key,
connection_verify=False
)
else:
client = CosmosClient(
url=settings.cosmos_endpoint,
credential=DefaultAzureCredential()
)
db = client.get_database_client(settings.cosmos_database_name)
_cosmos_container = db.get_container_client(settings.cosmos_container_id)
return _cosmos_container
```
**Full implementation**: See [references/client-setup.md](references/client-setup.md)
### 2. Pydantic Model Hierarchy
Use five-tier model pattern for clean separation:
```python
class ProjectBase(BaseModel): # Shared fields
name: str = Field(..., min_length=1, max_length=200)
class ProjectCreate(ProjectBase): # Creation request
workspace_id: str = Field(..., alias="workspaceId")
class ProjectUpdate(BaseModel): # Partial updates (all optional)
name: Optional[str] = Field(None, min_length=1)
class Project(ProjectBase): # API response
id: str
created_at: datetime = Field(..., alias="createdAt")
class ProjectInDB(Project): # Internal with docType
doc_type: str = "project"
```
### 3. Service Layer Pattern
```python
class ProjectService:
def _use_cosmos(self) -> bool:
return get_container() is not None
async def get_by_id(self, project_id: str, workspace_id: str) -> Project | None:
if not self._use_cosmos():
return None
doc = await get_document(project_id, partition_key=workspace_id)
if doc is None:
return None
return self._doc_to_model(doc)
```
**Full patterns**: See [references/service-layer.md](references/service-layer.md)
## Core Principles
### Security Requirements
1. **RBAC Authentication**: Use `DefaultAzureCredential` in Azure — never store keys in code
2. **Emulator-Only Keys**: Hardcode the well-known emulator key only for local development
3. **Parameterized Queries**: Always use `@parameter` syntax — never string concatenation
4. **Partition Key Validation**: Validate partition key access matches user authorization
### Clean Code Conventions
1. **Single Responsibility**: Client module handles connection; services handle business logic
2. **Graceful Degradation**: Services return `None`/`[]` when Cosmos unavailable
3. **Consistent Naming**: `_doc_to_model()`, `_model_to_doc()`, `_use_cosmos()`
4. **Type Hints**: Full typing on all public methods
5. **CamelCase Aliases**: Use `Field(alias="camelCase")` for JSON serialization
### TDD Requirements
Write tests BEFORE implementation using these patterns:
```python
@pytest.fixture
def mock_cosmos_container(mocker):
container = mocker.MagicMock()
mocker.patch("app.db.cosmos.get_container", return_value=container)
return container
@pytest.mark.asyncio
async def test_get_project_by_id_returns_project(mock_cosmos_container):
# Arrange
mock_cosmos_container.read_item.return_value = {"id": "123", "name": "Test"}
# Act
result = await project_service.get_by_id("123", "workspace-1")
# Assert
assert result.id == "123"
assert result.name == "Test"
```
**Full testing guide**: See [references/testing.md](references/testing.md)
## Best Practices
1. **This skill uses async throughout (`azure.cosmos.aio`); do not mix with the sync `azure.cosmos` client.** Keep the whole FastAPI request path async — don't pair sync Cosmos calls with async handlers.
2. **Always use context managers for clients and async credentials.** Wrap the client in `async with CosmosClient(...) as client:` (or manage its lifetime via FastAPI lifespan and close it explicitly). For async `DefaultAzureCredential` from `azure.identity.aio`, also use `async with credential:` so tokens and transports are cleaned up.
## Reference Files
| File | When to Read |
|------|--------------|
| [references/client-setup.md](references/client-setup.md) | Setting up Cosmos client with dual auth, SSL config, singleton pattern |
| [references/service-layer.md](references/service-layer.md) | Implementing full service class with CRUD, conversions, graceful degradation |
| [references/testing.md](references/testing.md) | Writing pytest tests, mocking Cosmos, integration test setup |
| [references/partitioning.md](references/partitioning.md) | Choosing partition keys, cross-partition queries, move operations |
| [references/error-handling.md](references/error-handling.md) | Handling CosmosResourceNotFoundError, logging, HTTP error mapping |
## Template Files
| File | Purpose |
|------|---------|
| [assets/cosmos_client_template.py](assets/cosmos_client_template.py) | Ready-to-use client module |
| [assets/service_template.py](assets/service_template.py) | Service class skeleton |
| [assets/conftest_template.py](assets/conftest_template.py) | pytest fixtures for Cosmos mocking |
## Quality Attributes (NFRs)
### Reliability
- Graceful degradation when Cosmos unavailable
- Retry logic with exponential backoff for transient failures
- Connection pooling via singleton pattern
### Security
- Zero secrets in code (RBAC via DefaultAzureCredential)
- Parameterized queries prevent injection
- Partition key isolation enforces data boundaries
### Maintainability
- Five-tier model pattern enables schema evolution
- Service layer decouples business logic from storage
- Consistent patterns across all entity services
### Testability
- Dependency injection via `get_container()`
- Easy mocking with module-level globals
- Clear separation enables unit testing without Cosmos
### Performance
- Partition key queries avoid cross-partition scans
- Async wrapping prevents blocking FastAPI event loop
- Minimal document conversion overhead
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