自己编写Java Web框架：Takes框架的Web App架构

我用过Servlets、JSP、JAX-RS、 Spring框架、Play框架、带Facelets的JSF以及Spark Framework。在我看来，这些框架并没有很好地实现面向对象设计。它们充斥着静态方法、未经测试的数据结构以及不够美观的解决方式。因此一个月前我决定开始编写自己的Java Web框架，我制定了一些基本的信条：1) 没有NULL，2) 没有public static方法，3) 没有可变类（mutable class），4) 没有类型转换、反射和instanceof操作。这四条基本准则应该足够保证干净的代码和透明的架构。这就是Takes框架诞生的原因。让我们看看这是如何实现的。

Java Web架构简介

简单来说，这就是我对一个Web应用架构以及其组件的理解。

首先，要创建一个Web服务器，我们应该新创建一个网络套接字（socket），其将会在特定的TCP端口接受连接请求。通常这个端口是80，但是为了方便测试我将使用8080端口。这些在Java中用ServerSocket类完成。

import java.net.ServerSocket;
public class Foo {
  public static void main(final String... args) throws Exception {
    final ServerSocket server = new ServerSocket(8080);
    while (true);
  }
}

这些足够去启动一个Web服务器。现在，socket已经就绪监听8080端口。当有人在浏览器打开 http://localhost:8080 ，将会建立连接并且等待的齿轮在浏览器上不停的旋转。编译这些片段试一下。我们刚刚没有使用任何框架搭建了一个简单的Web服务器。我们并没有对进入的连接做任何事情，但是也没有拒绝它们。所有的连接都正在服务器对象内部排队。这些在后台线程中完成，这就是为什么需要在最后放一个 while(true) 的原因。没有这个无限循环，应用将会立即终止操作并且服务器套接字将会关闭。

下一步是接受进入的连接。在Java中，通过对 accept() 方法的阻塞调用来完成。

final Socket socket = server.accept();

这个方法将会一直阻塞线程等待直到一个新的连接到达。新连接一发生，accept() 方法就会返回一个Socket实例。为了接受下一个连接，我们将会再次调用 accept() 方法。因此简单来讲，我们的Web服务器将会像下面一样工作：

public class Foo {
  public static void main(final String... args) throws Exception {
    final ServerSocket server = new ServerSocket(8080);
    while (true) {
      final Socket socket = server.accept();
      // 1. Read HTTP request from the socket
      // 2. Prepare an HTTP response
      // 3. Send HTTP response to the socket
      // 4. Close the socket
    }
  }
}

这是个无限循环。不断接受新的连接请求，识别请求、创建响应、返回响应，然后再次接收新的连接。HTTP协议是无状态的，这意味着服务器不应该记住先前任何一个连接发生了什么。它所关心的是在特定连接中传入的HTTP请求。

HTTP请求来自于套接字的输入流中，就像多行的文本块。这就是你读取套接字的输入流将会看到的内容：

final BufferedReader reader = new BufferedReader(
  new InputStreamReader(socket.getInputStream())
);
while (true) {
  final String line = reader.readLine();
  if (line.isEmpty()) {
    break;
  }
  System.out.println(line);
}

你将会看到以下信息：

GET / HTTP/1.1
Host: localhost:8080
Connection: keep-alive
Cache-Control: max-age=0
Accept: text/html,application/xhtml+xml,application/xml;q=0.9,image/webp,*/*;q=0.8
User-Agent: Mozilla/5.0 (Macintosh; Intel Mac OS X 10_10_2) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/41.0.2272.89 Safari/537.36
Accept-Encoding: gzip, deflate, sdch
Accept-Language: en-US,en;q=0.8,ru;q=0.6,uk;q=0.4

客户端（例如谷歌的Chrome浏览器）把这些文本传给已建立的连接。它连接本地的8080端口，只要连接完成，它会立即将这些文本发给服务器，然后等待响应。

我们的工作就是用从请求得到的信息创建相应的HTTP响应。如果我们的服务器非常原始，可以忽略请求中的所有信息而对所有的请求仅仅返回“Hello, world! ”（简单起见我用了IOUtils）。

import java.net.Socket;
import java.net.ServerSocket;
import org.apache.commons.io.IOUtils;
public class Foo {
  public static void main(final String... args) throws Exception {
    final ServerSocket server = new ServerSocket(8080);
    while (true) {
      try (final Socket socket = server.accept()) {
        IOUtils.copy(
          IOUtils.toInputStream("HTTP/1.1 200 OK/r/n/r/nHello, world!"),
          socket.getOutputStream()
        );
      }
    }
  }
}

就是这样。当服务器就绪，试着编译它跑起来。让浏览器指向http://localhost:8080，你将会看到“Hello, world!”。

$ javac -cp commons-io.jar Foo.java
$ java -cp commons-io.jar:. Foo &
$ curl http://localhost:8080 -v
* Rebuilt URL to: http://localhost:8080/
* Connected to localhost (::1) port 8080 (#0)
> GET / HTTP/1.1
> User-Agent: curl/7.37.1
> Host: localhost:8080
> Accept: */*
>
< HTTP/1.1 200 OK
* no chunk, no close, no size. Assume close to signal end
<
* Closing connection 0
Hello, world!

这就是你编译web服务器要做的所有事情。现在让我们来讨论如何让它面向对象并且可组件化。让我们看看Takes框架是如何建立的。

路由/分发

最重要的一步是决定谁来负责构建HTTP响应。每个HTTP请求都有1）一个查询，2）一个方法，3）一些头部信息。要使用这三个参数，需要实例化一个对象来为我们构建响应。在大多数的Web框架中，这个过程叫做请求分发或路由。下面是如何用Takes完成这些。

final Take take = takes.route(request);
final Response response = take.act();

基本上有两步。第一步从takes创建Take的实例，第二步从takes创建响应的实例。为什么采用这种方式？主要是为了分离责任。Takes的实例负责分发请求并且初始化正确的Take，Take的实例负责创建响应。

用Takes创建一个简单的应用，你应该创建两个类。首先，一个实现Takes接口的类：

import org.takes.Request;
import org.takes.Take;
import org.takes.Takes;
public final class TsFoo implements Takes {
  @Override
  public Take route(final Request request) {
    return new TkFoo();
  }
}

我们分别用Ts和Tk的前缀代表Takes和Take。第二个你应该创建的类，一个实现Take接口的类：

import org.takes.Take;
import org.takes.Response;
import org.takes.rs.RsText;
public final class TkFoo implements Take {
  @Override
  public Response act() {
    return new RsText("Hello, world!");
  }
}

现在到启动服务器的时候了：

import org.takes.http.Exit;
import org.takes.http.FtBasic;
public class Foo {
  public static void main(final String... args) throws Exception {
    new FtBasic(new TsFoo(), 8080).start(Exit.NEVER);
  }
}

FtBasic类正是实现了上面解释过的和socket一样的操作。它在端口8080上启动一个服务器端的socket，通过传给构造函数TsFoo实例来分发所有进入的连接。它在一个无限循环中完成分发，用Exit实例每秒检查是否是时候停止。显然，Exit.NEVER总是返回“请不要停止”。

HTTP请求

现在让我们来了解一下到达TsFoo的HTTP请求内部都有什么，我们能从请求中得到什么。下面是在Takes中定义的Request接口：

public interface Request {
  Iterable<String> head() throws IOException;
  InputStream body() throws IOException;
}

请求分为两部分：头部和正文。根据RFC 2616中HTTP规范，头部包含用来开始正文的空行前的所有的行。框架中有很多有用的请求装饰器。例如，RqMethod可以帮助从头部第一行取到方法名。

final String method = new RqMethod(request).method();

RqHref用来帮助提取查询部分并且进行解析。例如，下面是一个请求：

GET /user id=123 HTTP/1.1
Host: www.example.com

代码将会提取得到“123”：

GET /user id=123 HTTP/1.1
Host: www.example.com

RqPrint可以获取整个请求或者正文，作为字符串打印出来：

final String body = new RqPrint(request).printBody();

这里的想法是保持请求接口简单，并且用装饰器提供解析请求的功能。每一个装饰器都非常小巧稳定，只用来完成一件事。所有这些装饰器都在“org.takes.rq”包中。你可能已经理解，“Rq”前缀代表请求（Request）。

第一个真正的Web应用

让我们创建我们第一个真正意义上的Web应用，它将会做一些有意义的事情。我推荐以一个Entry类开始。对Java来说，从命令行启动一个应用是必须的。

import org.takes.http.Exit;
import org.takes.http.FtCLI;
public final class Entry {
  public static void main(final String... args) throws Exception {
    new FtCLI(new TsApp(), args).start(Exit.NEVER);
  }
}

这个类只包含一个静态 main() 函数，从命令行启动应用时JVM将会调用这个方法。如你所见，实例化 FtCLI，传进一个TsApp类的实例和命令行参数。我们将会立刻创建TsApp对象。FtCLI（翻译成“front-end with command line interface”即“带命令行接口的前端”）创建了FtBasic的实例，用一些有用的装饰器对它进行包装并根据命令行参数配置。例如，“–port=8080”将会转换成8080端口号并被当做 FtBasic 构造函数的第二个参数传入。

web应用本身继承TsWrap，叫做TsApp：

import org.takes.Take;
import org.takes.Takes;
import org.takes.facets.fork.FkRegex;
import org.takes.facets.fork.TsFork;
import org.takes.ts.TsWrap;
import org.takes.ts.TsClasspath;
final class TsApp extends TsWrap {
  TsApp() {
    super(TsApp.make());
  }
  private static Takes make() {
    return new TsFork(
      new FkRegex("/robots.txt", ""),
      new FkRegex("/css/.*", new TsClasspath()),
      new FkRegex("/", new TkIndex())
    );
  }
}

我们将马上讨论TsFork类。

如果你正在使用Maven，你应该从这个pom.xml开始：

< xml version="1.0" >
<project xmlns="http://maven.apache.org/POM/4.0.0"
  xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
  xsi:schemaLocation="http://maven.apache.org/POM/4.0.0 http://maven.apache.org/xsd/maven-4.0.0.xsd">
  <modelVersion>4.0.0</modelVersion>
  <groupId>foo</groupId>
  <artifactId>foo</artifactId>
  <version>1.0-SNAPSHOT</version>
  <dependencies>
    <dependency>
      <groupId>org.takes</groupId>
      <artifactId>takes</artifactId>
      <version>0.9</version> <!-- check the latest in Maven Central -->
    </dependency>
  </dependencies>
  <build>
    <finalName>foo</finalName>
    <plugins>
      <plugin>
        <artifactId>maven-dependency-plugin</artifactId>
        <executions>
          <execution>
            <goals>
              <goal>copy-dependencies</goal>
            </goals>
            <configuration>
              <outputDirectory>${project.build.directory}/deps</outputDirectory>
            </configuration>
          </execution>
        </executions>
      </plugin>
    </plugins>
  </build>
</project>

运行“ mvn clean package”会在“target ”目录中生成一个 foo.jar 文件并且在“target/deps”目录生成一批所有JAR依赖包。现在你可以从命令行运行应用：

$ mvn clean package
$ java -Dfile.encoding=UTF-8 -cp ./target/foo.jar:./target/deps/* foo.Entry --port=8080

应用已经就绪，你可以部署到Heroku。在仓库的根目录下创建一个Profile文件，然后把仓库推入Heroku。下面是Profile的内容：

web: java -Dfile.encoding=UTF-8 -cp target/foo.jar:target/deps/* foo.Entry --port=${PORT}

TsFork

TsFork类看上去是其中一个框架核心元素。它将进入的HTTP请求路由到正确的“take”。它的逻辑非常的简单，代码也只有少量行。它封装了“forks”的一个集合，“forks”是Fork<Take>接口的实例。

public interface Fork<T> {
  Iterator<T> route(Request req) throws IOException;
}

仅有的 route() 方法返回空迭代器或者含有单个take的迭代器。TsFork遍历所有的forks，调用它们的 route() 方法直到其中一个返回take。一旦发生，TsFork会把这个take返回给调用者，即 FtBasic。

现在我们自己来创建一个简单的fork。例如，当请求URL“/status”时，我们想展示应用的状态。以下是代码实现：

final class TsApp extends TsWrap {
  private static Takes make() {
    return new TsFork(
      new Fork.AtTake() {
        @Override
        public Iterator<Take> route(Request req) {
          final Collection<Take> takes = new ArrayList<>(1);
          if (new RqHref(req).href().path().equals("/status")) {
            takes.add(new TkStatus());
          }
          return takes.iterator();
        }
      }
    );
  }
}

我相信这里的逻辑是清晰的。要么返回一个空迭代器，要么返回内部包含TKStatus实例的迭代器。如果返回空迭代器，TsFork将尝试在集合中寻找另一个这样的fork，它可以获得Take的实例从而进行响应。顺便提一下，如果什么也没发现所有的forks返回空迭代器，那么TsFork将抛出“Page not found”的异常。

这样的逻辑通过叫做FkRegex的开箱即用fork实现，尝试用提供的通用表达式去匹配请求的URI：

final class TsApp extends TsWrap {
  private static Takes make() {
    return new TsFork(
      new FkRegex("/status", new TkStatus())
    );
  }
}

我们可以组合多层结构的TsFork类，例如：

final class TsApp extends TsWrap {
  private static Takes make() {
    return new TsFork(
      new FkRegex(
        "/status",
        new TsFork(
          new FkParams("f", "json", new TkStatusJSON()),
          new FkParams("f", "xml", new TkStatusXML())
        )
      )
    );
  }
}

Again, I believe it’s obvious. The instance of FkRegex will ask an encapsulated instance of TsFork to return a take, and it will try to fetch it from one that FkParams encapsulated. If the HTTP query is /status f=xml, an instance of TkStatusXML will be returned.

我相信逻辑是很清晰的。FkRegex的实例将会要求TsFork的封装实例返回一个take，并且它会尝试从FkParams封装的实例中获取。

HTTP响应

现在让我们讨论HTTP响应的结构以及它的面向对象的抽象—— Response。以下是接口的定义：

public interface Response {
  Iterable<String> head() throws IOException;
  InputStream body() throws IOException;
}

和Request看起来非常类似，是不是？好吧，它是相同的。因为HTTP请求和响应的结构几乎是相同的，唯一的区别只是第一行。有很多有用的装饰器帮助构建响应。他们是组件化的，这使得使用起来非常方便。例如，如果你想构建一个包含HTML页面的响应，你可以这样做：

final class TkIndex implements Take {
  @Override
  public Response act() {
    return new RsWithStatus(
      new RsWithType(
        new RsWithBody("<html>Hello, world!</html>"),
        "text/html"
      ),
      200
    );
  }
}

在这个示例中，RsWithBody装饰器创建响应的正文，但是没有头部。然后RsWithType 给响应添加“ Content-Type: text/html”头部。接着RsWithStatus确保响应的第一行包含“HTTP/1.1 200 OK”。

你可以复用已有的装饰器来创建自己的装饰器。可以看看 rultor.com 上 RsPage 如何自定义装饰器。

如何使用模板？

如你所见，返回简单的“Hello, world”页面并不是一个大问题。但是返回更复杂的输出例如HTML页面、XML文档、JSON数据集，又该怎么办？让我们从一个简单的模板引擎“Velocity”开始。好吧，其实它并不简单。它相当强大，但是我只建议在简单情形下使用。下面是关于它如何工作：

final class TkIndex implements Take {
  @Override
  public Response act() {
    return new RsVelocity("Hello, ${name}")
      .with("name", "Jeffrey");
  }
}

RsVelocity 构造器接受Velocity模板作为唯一参数。然后，你可以调用“with()”方法，往Velocity上下文注入数据。当到渲染HTTP响应的时候，RsVelocity 将会将模板和配置的上下文进行“评估”。再次强调，我只推荐在非常简单的输出时使用这种模板方式。

对于更复杂的HTML文档，我将推荐你使用结合Xembly使用XML/XSLT。在先前的几篇博客中我解释了这种想法，XML+XSLT in a Browser 和RESTful API and a Web Site in the Same URL。这种方式简单强大——用Java生成XML，XSLT 处理器将其转换成HTML文档。这就是我们如何分离表示和数据。在MVC来看，XSL样式表是一个“视图”，TkIndex 是一个“控制器”。

不久我会单独写一篇文章来介绍使用Xembly和XSL模板生成页面。

同时，我会在Takes框架中为 JSF/Facelets 和 JSP 渲染创建装饰器。如果你对这部分工作感兴趣，请fork这个框架并提交你的pull请求。

如何持久化？

现在，一个问题就出来了。如何处理诸如数据库、内存结构、网络连接之类的持久层实体？我的建议是在Entry类中实例化它们，并把它们作为参数传入TsApp的构造函数中。然后，TsApp将会把它们传入自定义的“takes”的构造函数中。

例如，我们有一个PostgreSQL数据库，包含一些用来渲染的表数据。这里我将在Entry类中实例化数据库连接（使用 BoneCP连接池）：

public final class Entry {
  public static void main(final String... args) throws Exception {
    new FtCLI(new TsApp(Entry.postgres()), args).start(Exit.NEVER);
  }
  private static Source postgres() {
    final BoneCPDataSource src = new BoneCPDataSource();
    src.setDriverClass("org.postgresql.Driver");
    src.setJdbcUrl("jdbc:postgresql://localhost/db");
    src.setUser("root");
    src.setPassword("super-secret-password");
    return src;
  }
}

现在，TsApp的构造器必须接受一个“java.sql.Source”类型的参数：

final class TsApp extends TsWrap {
  TsApp(final Source source) {
    super(TsApp.make(source));
  }
  private static Takes make(final Source source) {
    return new TsFork(
      new FkRegex("/", new TkIndex(source))
    );
  }
}

TkIndex 类同样接受一个Source类型的参数。为了取SQL表数据并把它转换成HTML，相信你知道TkIndex内部如何处理的。这里的关键点是在应用（TsApp类的实例）初始化时必须注入依赖。这是纯粹干净的依赖注入机制，完全无需任何容器。更多相关阅读请参阅“Dependency Injection Containers Are Code Polluters”。

单元测试

因为每个类是不可变的并且所有的依赖都是通过构造函数注入，所以单元测试非常简单。比如我们想测试“TkStatus”，假定它将会返回一个HTML响应（我使用JUnit 4 和Hamcrest）：

import org.junit.Test;
import org.hamcrest.MatcherAssert;
import org.hamcrest.Matchers;
public final class TkIndexTest {
  @Test
  public void returnsHtmlPage() throws Exception {
    MatcherAssert.assertThat(
      new RsPrint(
        new TkStatus().act()
      ).printBody(),
      Matchers.equalsTo("<html>Hello, world!</html>")
    );
  }
}

同样，我们可以在一个测试HTTP服务器中启动整个应用或者任何一个单独的“take”，然后通过真实的TCP套接字测试它的行为；例如（我使用jcabi-http构造HTTP请求并且检测输出）：

public final class TkIndexTest {
  @Test
  public void returnsHtmlPage() throws Exception {
    new FtRemote(new TsFixed(new TkIndex())).exec(
      new FtRemote.Script() {
        @Override
        public void exec(final URI home) throws IOException {
          new JdkRequest(home)
            .fetch()
            .as(RestResponse.class)
            .assertStatus(HttpURLConnection.HTTP_OK)
            .assertBody(Matchers.containsString("Hello, world!"));
        }
      }
    );
  }
}

FtRemote在任意的TCP端口启动一个测试Web服务器，并且在 FtRemote.Script 提供的实例中调用 exec() 方法。此方法的第一个参数是刚才启动的web服务器主页面的URI。

Takes框架的架构非常模块化且易于组合。任何独立的“take”都可以作为一个单独的组件被测试，绝对独立于框架和其它“takes”。

为什么叫这个名字？

这是我听到最频繁的问题。想法很简单，它和电影有关。当制作一部电影时，工作人员为了捕捉现实会拍摄很多镜头然后放入电影中。每一个拍摄称作一个镜头（take）。

换句话说，一个镜头就像现实的一个快照。每一个镜头实例代表特定时刻的一个事实。这个事实然后以响应的形式发送给用户。

同样的道理也适用于框架。每个Take实例都代表着特定某个时刻的真实存在。这个信息会以Response形式发送。