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理解本真的REST架构风格

转自 http://www.infoq.com/cn/articles/how-to-design-a-good-restful-api

引子

在移动互联网、云计算迅猛发展的今天,作为一名Web开发者,如果您还没听说过“REST”这个buzzword,显然已经落伍了。夸张点说,甚至“出了门都不好意思跟别人打招呼”。尽管如此,对于REST这个泊来品的理解,大多数人(包括一些资深的架构师)仍然停留在“盲人摸象”的阶段。常常听到各种各样关于REST的说法,例如:有人说:“我们这套新的API决定不用Web Service(SOAP+WSDL),而是直接使用HTTP+JSON,也就是用RESTful的方式来开发。” 不用SOAP,甚至也不用

对于这些问题笔者先不解答,为了深入理解REST是什么,我们需要回顾一下Web发展的最初年代,从源头上讲讲REST是怎么得来的。

 
 

Web技术发展与REST的由来

Web(万维网World Wide Web的简称)是个包罗万象的万花筒,不同的人从不同的角度观察,对于Web究竟是什么会得出大不相同的观点。作为Web开发者,我们需要从技术上来理解Web。从技术架构层面上看,Web的技术架构包括了四个基石:

  • URI
  • HTTP
  • HyperText(除了HTML外,也可以是带有超链接的
  • MIME

这四个基石相互支撑,促使Web这座宏伟的大厦以几何级数的速度发展了起来。在这四个基石之上,Web开发技术的发展可以粗略划分成以下几个阶段:

  1. 静态内容阶段:在这个最初的阶段,使用Web的主要是一些研究机构。Web由大量的静态HTML文档组成,其中大多是一些学术论文。Web服务器可以被看作是支持超文本的共享文件服务器。
  2. CGI程序阶段:在这个阶段,Web服务器增加了一些编程API。通过这些API编写的应用程序,可以向客户端提供一些动态变化的内容。Web服务器与应用程序之间的通信,通过CGI(Common Gateway Interface)协议完成,应用程序被称作CGI程序。
  3. 脚本语言阶段:在这个阶段,服务器端出现了ASP、PHP、JSP、ColdFusion等支持session的脚本语言技术,浏览器端出现了Java Applet、JavaScript等技术。使用这些技术,可以提供更加丰富的动态内容。
  4. 瘦客户端应用阶段:在这个阶段,在服务器端出现了独立于Web服务器的应用服务器。同时出现了Web MVC开发模式,各种Web MVC开发框架逐渐流行,并且占据了统治地位。基于这些框架开发的Web应用,通常都是瘦客户端应用,因为它们是在服务器端生成全部的动态内容。
  5. RIA应用阶段:在这个阶段,出现了多种RIA(Rich Internet Application)技术,大幅改善了Web应用的用户体验。应用最为广泛的RIA技术是DHTML+Ajax。Ajax技术支持在不刷新页面的情况下动态更新页面中的局部内容。同时诞生了大量的Web前端DHTML开发库,例如Prototype、Dojo、ExtJS、jQuery/jQuery UI等等,很多开发库都支持单页面应用(Single Page Application)的开发。其他的RIA技术还有Adobe公司的Flex、微软公司的Silverlight、Sun公司的JavaFX(现在为Oracle公司所有)等等。
  6. 移动Web应用阶段:在这个阶段,出现了大量面向移动设备的Web应用开发技术。除了Android、iOS、Windows Phone等操作系统平台原生的开发技术之外,基于HTML5的开发技术也变得非常流行。

从上述Web开发技术的发展过程看,Web从最初其设计者所构思的主要支持静态文档的阶段,逐渐变得越来越动态化。Web应用的交互模式,变得越来越复杂:从静态文档发展到以内容为主的门户网站、电子商务网站、搜索引擎、社交网站,再到以娱乐为主的大型多人在线游戏、手机游戏。

 

在互联网行业,实践总是走在理论的前面。Web发展到了1995年,在CGI、ASP等技术出现之后,沿用了多年、主要面向静态文档的HTTP/1.0协议已经无法满足Web应用的开发需求,因此需要设计新版本的HTTP协议。在HTTP/1.0协议专家组之中,有一位年轻人脱颖而出,显示出了不凡的洞察力,后来他成为了HTTP/1.1协议专家组的负责人。这位年轻人就是Apache HTTP服务器的核心开发者Roy Fielding,他还是Apache软件基金会的合作创始人。

Roy Fielding和他的同事们在HTTP/1.1协议的设计工作中,对于Web之所以取得巨大成功,在技术架构方面的因素做了一番深入的总结。Fielding将这些总结纳入到了一套理论框架之中,然后使用这套理论框架中的指导原则,来指导HTTP/1.1协议的设计方向。HTTP/1.1协议的第一个草稿是在1996年1月发布的,经过了三年多时间的修订,于1999年6月成为了IETF的正式规范(包括了RFC 2616以及用于对客户端做身份认证的RFC 2617)。HTTP/1.1协议设计的极为成功,以至于发布之后整整10年时间里,都没有多少人认为有修订的必要。用来指导HTTP/1.1协议设计的这套理论框架,最初是以备忘录的形式在专家组成员之间交流,除了IETF/W3C的专家圈子,并没有在外界广泛流传。Fielding在完成HTTP/1.1协议的设计工作之后,回到了加州大学欧文分校继续攻读自己的博士学位。第二年(2000年)在他的博士学位论文Architectural Styles and the Design of Network-based Software Architectures中,Fielding更为系统、严谨地阐述了这套理论框架,并且使用这套理论框架推导出了一种新的架构风格,并且为这种架构风格取了一个令人轻松愉快的名字“REST”——Representational State Transfer(表述性状态转移)的缩写。

在笔者看来,Fielding这篇博士论文在Web发展史上的价值,不亚于Web之父Tim Berners-Lee关于超文本的那篇经典论文。然而遗憾的是,这篇博士论文在诞生之后的将近5年时间里,一直没有得到足够的重视。例如Web Service相关规范SOAP/WSDL的设计者们,显然不大理解REST是什么,HTTP/1.1究竟是一个什么样的协议、为何要设计成这个样子。

这种情况在2005年之后有了很大的改善,随着Ajax、Ruby on Rails等新的Web开发技术的兴起,在Web开发技术社区掀起了一场重归Web架构设计本源的运动,REST架构风格得到了越来越多的关注。在2007年1月,支持REST开发的Ruby on Rails 1.2版正式发布,并且将支持REST开发作为Rails未来发展中的优先内容。Ruby on Rails的创始人DHH做了一个名为“World of Resources”的精彩演讲,DHH在Web开发技术社区中的强大影响力,使得REST一下子处在Web开发技术舞台的聚光灯之下。

今天,各种流行的Web开发框架,几乎没有不支持REST开发的了。大多数Web开发者都是通过阅读某种REST开发框架的文档,以及通过一些例子代码来学习REST开发的。然而,通过例子代码来学习REST有非常大的局限性。因为REST并不是一种具体的技术,也不是一种具体的规范,REST其实是一种内涵非常丰富的架构风格。通过例子代码来学习REST,除了学习到一种有趣的Web开发技术之外,并不能全面深入的理解REST究竟是什么。甚至还会误以为这些简单的例子代码就是REST本身,REST不过是一种简单的Web开发技术而已。就像盲人摸象一样,有的人摸到了象鼻子、有的人摸到了象耳朵、有的人摸到了象腿、有的人摸到了象尾巴。他们都坚信自己感觉到的大象,才是最真实的大象,而其他人的感觉都是错误的。

对于不理解REST的Web开发者,人们习惯于展示一些例子代码来让他们理解REST,笔者不赞同上述做法。如果Web开发者想要深入理解REST是什么,就很难避开Fielding的这篇博士论文。笔者在本文中对于REST是什么的介绍,也是基于Fielding的博士论文的。尽管如此,笔者强烈建议本文的读者亲自去通读一下Fielding的博士论文,就像想要了解孔子的思想应该直接去读《论语》等著作,而不是首先去读其他人的转述一样。笔者在本文中也仅仅是努力不做一个把经书念错了的歪嘴和尚而已。那么,下面我们言归正传。

在Fielding的这篇名为Architectural Styles and the Design of Network-based Software Architectures的博士论文(中文版名为《架构风格与基于网络的软件架构设计》)中,提出了一整套基于网络的软件(即所谓的“分布式应用”)的设计方法,值得所有分布式应用的开发者仔细阅读、深入体会。

在论文的前三章中,Fielding在批判性继承前人研究成果的基础上,建立起来一整套研究和评价软件架构的方**。这套方**的核心是“架构风格”这个概念。架构风格是一种研究和评价软件架构设计的方法,它是比架构更加抽象的概念。一种架构风格是由一组相互协作的架构约束来定义的。架构约束是指软件的运行环境施加在架构设计之上的约束。

在论文的第四章中,Fielding研究了Web这样一个分布式系统对于软件架构设计提出了哪些需求。在第五章中,Fielding将第四章Web提出的需求具体化为一些架构约束,通过逐步添加各种架构约束,推导出来了REST这种新的架构风格。

REST架构风格的推导过程如下图所示:

图1:REST所继承的架构风格约束(原图可在这里下载)

理解本真的REST架构风格

在图1中,每一个椭圆形里面的缩写词代表了一种架构风格,而每一个箭头边的单词代表了一种架构约束。

REST架构风格最重要的架构约束有6个:

  • 客户-服务器(Client-Server)

通信只能由客户端单方面发起,表现为请求-响应的形式。

  • 无状态(Stateless)

通信的会话状态(Session State)应该全部由客户端负责维护。

  • 缓存(Cache)

响应内容可以在通信链的某处被缓存,以改善网络效率。

  • 统一接口(Uniform Interface)

通信链的组件之间通过统一的接口相互通信,以提高交互的可见性。

  • 分层系统(Layered System)

通过限制组件的行为(即,每个组件只能“看到”与其交互的紧邻层),将架构分解为若干等级的层。

  • 按需代码(Code-On-Demand,可选)

支持通过下载并执行一些代码(例如Java Applet、Flash或JavaScript),对客户端的功能进行扩展。

在论文中推导出的REST架构风格如下图所示:

图2:REST架构风格(原图可在这里下载)

理解本真的REST架构风格 

而HTTP/1.1协议作为一种REST架构风格的架构实例,其架构如下图所示:

图3:一个基于REST的架构的过程视图(原图可在这里下载)

理解本真的REST架构风格

用户代理处在三个并行交互(a、b和c)的中间。用户代理的客户端连接器缓存无法满足请求,因此它根据每个资源标识符的属性和客户端连接器的配置,将每个请求路由到资源的来源。请求(a)被发送到一个本地代理,代理随后访问一个通过DNS查找发现的缓存网关,该网关将这个请求转发到一个能够满足该请求的来源服务器,服务器的内部资源由一个封装过的对象请求代理(object request broker)架构来定义。请求(b)直接发送到一个来源服务器,它能够通过自己的缓存来满足这个请求。请求(c)被发送到一个代理,它能够直接访问WAIS(一种与Web架构分离的信息服务),并将WAIS的响应翻译为一种通用的连接器接口能够识别的格式。每一个组件只知道与它们自己的客户端或服务器连接器的交互;整个过程拓扑是我们的视图的产物。

通过比较图2和图3,读者不难发现这两张图中的架构是高度一致的。对于HTTP/1.1协议为何要设计成这个样子,读者想必已经有所领悟。

在论文的第六章中,Fielding对于到2000年为止在Web基础架构协议的设计和开发方面的一些经验教训进行了深入的分析。其中,“HTTP不是RPC”、“HTTP不是一种传输协议”两部分值得读者反复阅读。时至13年之后的今日,对于HTTP协议的误解仍然广泛存在。

以上简要介绍了Fielding博士论文中的内容。为了帮助读者仔细阅读Fielding的博士论文,笔者整理了一套Fielding博士论文的导读,将在本专栏后续文章中载出。

REST详解

REST究竟是什么?因为REST的内涵非常丰富,所以很难用一两句话解释清楚这个问题。

首先,REST是Web自身的架构风格。REST也是Web之所以取得成功的技术架构方面因素的总结。REST是世界上最成功的分布式应用架构风格(成功案例:Web,还不够吗?)。它是为 运行在互联网环境 的 分布式 超媒体系统量身定制的。互联网环境与企业内网环境有非常大的差别,最主要的差别是两个方面:

  • 可伸缩性需求无法控制:并发访问量可能会暴涨,也可能会暴跌。

  • 安全性需求无法控制:无法控制客户端发来的请求的格式,很可能会是恶意的请求。

而所谓的“超媒体系统”,即,使用了超文本的系统。可以把“超媒体”理解为超文本+媒体内容。

REST是HTTP/1.1协议等Web规范的设计指导原则,HTTP/1.1协议正是为实现REST风格的架构而设计的。新的Web规范,其设计必须符合REST的要求,否则整个Web的体系架构会因为引入严重矛盾而崩溃。这句话不是危言耸听,做个类比,假如苏州市政府同意在市区著名园林的附近大型土木,建造大量具有后现代风格的摩天大楼,那么不久之后世界闻名的苏州园林美景将不复存在。

上述这些关于“REST是什么”的描述,可以总结为一句话:REST是所有Web应用都应该遵守的架构设计指导原则。当然,REST并不是法律,违反了REST的指导原则,仍然能够实现应用的功能。但是违反了REST的指导原则,会付出很多代价,特别是对于大流量的网站而言。

要深入理解REST,需要理解REST的五个关键词:

  1. 资源(Resource)
  2. 资源的表述(Representation)
  3. 状态转移(State Transfer)
  4. 统一接口(Uniform Interface)
  5. 超文本驱动(Hypertext Driven)

什么是资源?

资源是一种看待服务器的方式,即,将服务器看作是由很多离散的资源组成。每个资源是服务器上一个可命名的抽象概念。因为资源是一个抽象的概念,所以它不仅仅能代表服务器文件系统中的一个文件、数据库中的一张表等等具体的东西,可以将资源设计的要多抽象有多抽象,只要想象力允许而且客户端应用开发者能够理解。与面向对象设计类似,资源是以名词为核心来组织的,首先关注的是名词。一个资源可以由一个或多个URI来标识。URI既是资源的名称,也是资源在Web上的地址。对某个资源感兴趣的客户端应用,可以通过资源的URI与其进行交互。

什么是资源的表述?

资源的表述是一段对于资源在某个特定时刻的状态的描述。可以在客户端-服务器端之间转移(交换)。资源的表述可以有多种格式,例如HTML/

什么是状态转移?

状态转移(state transfer)与状态机中的状态迁移(state transition)的含义是不同的。状态转移说的是:在客户端和服务器端之间转移(transfer)代表资源状态的表述。通过转移和操作资源的表述,来间接实现操作资源的目的。

什么是统一接口?

REST要求,必须通过统一的接口来对资源执行各种操作。对于每个资源只能执行一组有限的操作。以HTTP/1.1协议为例,HTTP/1.1协议定义了一个操作资源的统一接口,主要包括以下内容:

  • 7个HTTP方法:GET/POST/PUT/DELETE/PATCH/HEAD/OPTIONS

  • HTTP头信息(可自定义)

  • HTTP响应状态代码(可自定义)

  • 一套标准的内容协商机制

  • 一套标准的缓存机制

  • 一套标准的客户端身份认证机制

REST还要求,对于资源执行的操作,其操作语义必须由HTTP消息体之前的部分完全表达,不能将操作语义封装在HTTP消息体内部。这样做是为了提高交互的可见性,以便于通信链的中间组件实现缓存、安全审计等等功能。

什么是超文本驱动?

“超文本驱动”又名“将超媒体作为应用状态的引擎”(Hypermedia As The Engine Of Application State,来自Fielding博士论文中的一句话,缩写为HATEOAS)。将Web应用看作是一个由很多状态(应用状态)组成的有限状态机。资源之间通过超链接相互关联,超链接既代表资源之间的关系,也代表可执行的状态迁移。在超媒体之中不仅仅包含数据,还包含了状态迁移的语义。以超媒体作为引擎,驱动Web应用的状态迁移。通过超媒体暴露出服务器所提供的资源,服务器提供了哪些资源是在运行时通过解析超媒体发现的,而不是事先定义的。从面向服务的角度看,超媒体定义了服务器所提供服务的协议。客户端应该依赖的是超媒体的状态迁移语义,而不应该对于是否存在某个URI或URI的某种特殊构造方式作出假设。一切都有可能变化,只有超媒体的状态迁移语义能够长期保持稳定。

一旦读者理解了上述REST的五个关键词,就很容易理解REST风格的架构所具有的6个的主要特征:

  • 面向资源(Resource Oriented)

  • 可寻址(Addressability)

  • 连通性(Connectedness)

  • 无状态(Statelessness)

  • 统一接口(Uniform Interface)

  • 超文本驱动(Hypertext Driven)

这6个特征是REST架构设计优秀程度的判断标准。其中,面向资源是REST最明显的特征,即,REST架构设计是以资源抽象为核心展开的。可寻址说的是:每一个资源在Web之上都有自己的地址。连通性说的是:应该尽量避免设计孤立的资源,除了设计资源本身,还需要设计资源之间的关联关系,并且通过超链接将资源关联起来。无状态、统一接口是REST的两种架构约束,超文本驱动是REST的一个关键词,在前面都已经解释过,就不再赘述了。

从架构风格的抽象高度来看,常见的分布式应用架构风格有三种:

  • 分布式对象(Distributed Objects,简称DO)

架构实例有CORBA/RMI/EJB/DCOM/.NET Remoting等等

  • 远程过程调用(Remote Procedure Call,简称RPC)

架构实例有SOAP/

  • 表述性状态转移(Representational State Transfer,简称REST)

架构实例有HTTP/WebDAV

DO和RPC这两种架构风格在企业应用中非常普遍,而REST则是Web应用的架构风格,它们之间有非常大的差别。

REST与DO的差别在于:

  • REST支持抽象(即建模)的工具是资源,DO支持抽象的工具是对象。在不同的编程语言中,对象的定义有很大差别,所以DO风格的架构通常都是与某种编程语言绑定的。跨语言交互即使能实现,实现起来也会非常复杂。而REST中的资源,则完全中立于开发平台和编程语言,可以使用任何编程语言来实现。

  • DO中没有统一接口的概念。不同的API,接口设计风格可以完全不同。DO也不支持操作语义对于中间组件的可见性。

  • DO中没有使用超文本,响应的内容中只包含对象本身。REST使用了超文本,可以实现更大粒度的交互,交互的效率比DO更高。

  • REST支持数据流和管道,DO不支持数据流和管道。

  • DO风格通常会带来客户端与服务器端的紧耦合。在三种架构风格之中,DO风格的耦合度是最大的,而REST的风格耦合度是最小的。REST松耦合的源泉来自于统一接口+超文本驱动。

REST与RPC的差别在于:

  • REST支持抽象的工具是资源,RPC支持抽象的工具是过程。REST风格的架构建模是以名词为核心的,RPC风格的架构建模是以动词为核心的。简单类比一下,REST是面向对象编程,RPC则是面向过程编程。

  • RPC中没有统一接口的概念。不同的API,接口设计风格可以完全不同。RPC也不支持操作语义对于中间组件的可见性。

  • RPC中没有使用超文本,响应的内容中只包含消息本身。REST使用了超文本,可以实现更大粒度的交互,交互的效率比RPC更高。

  • REST支持数据流和管道,RPC不支持数据流和管道。

  • 因为使用了平台中立的消息,RPC风格的耦合度比DO风格要小一些,但是RPC风格也常常会带来客户端与服务器端的紧耦合。支持统一接口+超文本驱动的REST风格,可以达到最小的耦合度。

比较了三种架构风格之间的差别之后,从面向实用的角度来看,REST架构风格可以为Web开发者带来三方面的利益:

  • 简单性

采用REST架构风格,对于开发、测试、运维人员来说,都会更简单。可以充分利用大量HTTP服务器端和客户端开发库、Web功能测试/性能测试工具、HTTP缓存、HTTP代理服务器、防火墙。这些开发库和基础设施早已成为了日常用品,不需要什么火箭科技(例如神奇昂贵的应用服务器、中间件)就能解决大多数可伸缩性方面的问题。

  • 可伸缩性

充分利用好通信链各个位置的HTTP缓存组件,可以带来更好的可伸缩性。其实很多时候,在Web前端做性能优化,产生的效果不亚于仅仅在服务器端做性能优化,但是HTTP协议层面的缓存常常被一些资深的架构师完全忽略掉。

  • 松耦合

统一接口+超文本驱动,带来了最大限度的松耦合。允许服务器端和客户端程序在很大范围内,相对独立地进化。对于设计面向企业内网的API来说,松耦合并不是一个很重要的设计关注点。但是对于设计面向互联网的API来说,松耦合变成了一个必选项,不仅在设计时应该关注,而且应该放在最优先位置。

有的读者可能会问:“你说了这么多,REST难道就没有任何缺点了吗?”当然不是,正如Fielding在博士论文中阐述的那样,评价一种软件架构的优劣,不能脱离开软件的具体运行环境。永远不存在适用于任何运行环境的、包治百病的银弹式架构。笔者在前面强调过REST是一种为运行在互联网环境中的Web应用量身定制的架构风格。REST在互联网这个运行环境之中已经占据了统治地位,然而,在企业内网运行环境之中,REST还会面临DO、RPC的巨大挑战。特别是一些对实时性要求很高的应用,REST的表现不如DO和RPC。所以需要针对具体的运行环境来具体问题具体分析。但是,REST可以带来的上述三方面的利益即使在开发企业应用时,仍然是非常有价值的。所以REST在企业应用开发,特别是在SOA架构的开发中,已经得到了越来越大的重视。本专栏将有一篇文章专门介绍REST在企业级应用中与SOA的结合。

到了这里,“REST究竟是什么”这个问题笔者就解答完了。本文开头那些说法是否正确,笔者还是笑而不语,读者此时应该已经有了自己的判断。在接下来的REST系列文章中,我将会为读者澄清一些关于HTTP协议和REST的常见误解。




原标题:理解本真的REST架构风格

关键词:架构

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