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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.

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Zeit aktualisiert 12. September 2026

Implementierung 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:

  1. 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: DefaultAzureCredential funktioniert so wie es ist.
    • Produktion: Setzen Sie AZURE_TOKEN_CREDENTIALS=prod (oder AZURE_TOKEN_CREDENTIALS=), um die Anmeldeinformationskette auf produktionssichere Anmeldeinformationen zu beschränken.
  2. Hüllen Sie jeden Client in einen Kontextmanager, damit HTTP-Transporte, Sockets und Token-Caches deterministisch freigegeben werden:
    • Sync: with (...) as client:
    • Async: async with (...) as client: und async with DefaultAzureCredential() as credential: (aus azure.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

  1. RBAC-Authentifizierung: Verwenden Sie DefaultAzureCredential in Azure – speichern Sie niemals Schlüssel im Code
  2. Emulator-spezifische Schlüssel: Den bekannten Emulator-Schlüssel nur für die lokale Entwicklung fest einbinden
  3. Parametrisierte Abfragen: Verwenden Sie immer die @parameter Syntax – niemals Zeichenfolgenverkettung
  4. Überprüfung des Partitionsschlüssels: Stellen Sie sicher, dass der Zugriff über den Partitionsschlüssel mit der Benutzerberechtigung übereinstimmt

Konventionen für sauberen Code

  1. Einzige Zuständigkeit: Das Client-Modul verwaltet die Verbindung; Dienste übernehmen die Geschäftslogik
  2. Graceful Degradation: Dienste geben None/[] , wenn Cosmos nicht verfügbar ist
  3. Konsistente Namensgebung: _doc_to_model(), _model_to_doc(), _use_cosmos()
  4. Typhinweise: Vollständige Typisierung aller öffentlichen Methoden
  5. 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

  1. Dieses Modul verwendet durchgehend asynchrone Funktionen (azure.cosmos.aio); vermischen Sie diese nicht mit dem synchronen azure.cosmos-Client. Halten Sie den gesamten FastAPI-Anforderungspfad asynchron – kombinieren Sie keine synchronen Cosmos-Aufrufe mit asynchronen Handlern.
  2. 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 asynchrone DefaultAzureCredential aus azure.identity.aiosollten Sie außerdem async 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
Auf GitHub ansehen
---
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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