【架構】前後端分離架構:Web 實現前後端分離,前後端解耦

一、前言

”前後端分離“已經成爲互聯網項目開發的業界標杆,通過Tomcat+Ngnix(也可以中間有個Node.js),有效地進行解耦。並且前後端分離會爲以後的大型分佈式架構、彈性計算架構、微服務架構、多端化服務(多種客戶端,例如:瀏覽器,車載終端,安卓,IOS等等)打下堅實的基礎。

前後端分離(解耦)的核心思想是:前端Html頁面通過Ajax調用後端的RestFul API並使用Json數據進行交互。

注:【在互聯網架構中,web服務器:一般指像nginx,apache這類的服務器,他們一般只能解析靜態資源。應用服務器:一般指像tomcat,jetty,resin這類的服務器可以解析動態資源也可以解析靜態資源,但解析靜態資源的能力沒有web服務器好。】

一般只有Web服務器才能被外網訪問,應用服務器只能內網訪問。

二、爲什麼前後端分離

一般公司後端開發人員直接兼顧前端的工作,一邊實現API接口,一邊開發頁面,兩者互相切換着做,而且根據不同的url動態拼接頁面,這也導致後臺的開發壓力大大增加。前後端工作分配不均。不僅僅開發效率慢,而且代碼難以維護。

而前後端分離的話,則可以很好的解決前後端分工不均的問題,將更多的交互邏輯分配給前端來處理,而後端則可以專注於其本職工作,比如提供API接口,進行權限控制以及進行運算工作。而前端開發人員則可以利用nodejs來搭建自己的本地服務器,直接在本地開發,然後通過一些插件來將api請求轉發到後臺,這樣就可以完全模擬線上的場景,並且與後臺解耦。前端可以獨立完成與用戶交互的整一個過程,兩者都可以同時開工,不互相依賴,開發效率更快,而且分工比較均衡。

三、從MVC到前後端分離

MVC 是一種經典的設計模式,全名爲 Model-View-Controller,即 模型-視圖-控制器。

其中,模型 是用於封裝數據的載體,例如,在 Java 中一般通過一個簡單的 POJO(Plain Ordinary Java Object)來表示,其本質是一個普通的 Java Bean,包含一系列的成員變量及其 getter/setter 方法。對於 視圖 而言,它更加偏重於展現,也就是說,視圖決定了界面到底長什麼樣子,在 Java 中可通過 JSP 來充當視圖,或者通過純 HTML 的方式進行展現,而後者纔是目前的主流。模型和視圖需要通過 控制器 來進行粘合,例如,用戶發送一個 HTTP 請求,此時該請求首先會進入控制器,然後控制器去獲取數據並將其封裝爲模型,最後將模型傳遞到視圖中進行展現。

綜上所述,MVC 的交互過程如下圖所示:

也就是說,我們輸入的是 AJAX 請求,輸出的是 JSON 數據,市面上有這樣的技術來實現這個功能嗎?答案是 REST。

REST 全稱是 Representational State Transfer(表述性狀態轉移),它是 Roy Fielding 博士在 2000 年寫的一篇關於軟件架構風格的論文,此文一出,威震四方!國內外許多知名互聯網公司紛紛開始採用這種輕量級的 Web 服務,大家習慣將其稱爲 RESTful Web Services,或簡稱 REST 服務。

如果將瀏覽器這一端視爲前端,而服務器那一端視爲後端的話,可以將以上改進後的 MVC 模式簡化爲以下前後端分離模式:

可見,有了 REST 服務,前端關注界面展現,後端關注業務邏輯,分工明確,職責清晰。

四、認識Rest架構

REST 本質上是使用 URL 來訪問資源種方式。衆所周知,URL 就是我們平常使用的請求地址了,其中包括兩部分:請求方式 與 請求路徑,比較常見的請求方式是 GET 與 POST,但在 REST 中又提出了幾種其它類型的請求方式,彙總起來有六種:GET、POST、PUT、DELETE、HEAD、OPTIONS。

尤其是前四種,正好與CRUD(Create-Retrieve-Update-Delete,增刪改查)四種操作相對應,例如,GET(查)、POST(增)、PUT(改)、DELETE(刪),這正是 REST 與 CRUD 的異曲同工之妙!需要強調的是,REST 是“面向資源”的,這裏提到的資源,實際上就是我們常說的領域對象,在系統設計過程中,我們經常通過領域對象來進行數據建模。

REST 是一個“無狀態”的架構模式,因爲在任何時候都可以由客戶端發出請求到服務端,最終返回自己想要的數據,當前請求不會受到上次請求的影響。也就是說,服務端將內部資源發佈 REST 服務,客戶端通過 URL 來訪問這些資源,這不就是 SOA 所提倡的“面向服務”的思想嗎?所以,REST 也被人們看做是一種“輕量級”的 SOA 實現技術,因此在企業級應用與互聯網應用中都得到了廣泛應用。

下面我們舉幾個例子對 REST 請求進行簡單描述:

可見,請求路徑相同,但請求方式不同,所代表的業務操作也不同,例如,/advertiser/1 這個請求,帶有 GET、PUT、DELETE 三種不同的請求方式,對應三種不同的業務操作。

雖然 REST 看起來還是很簡單的,實際上我們往往需要提供一個 REST 框架,讓其實現前後端分離架構,讓開發人員將精力集中在業務上,而並非那些具體的技術細節。

五、前後端分離意義大嗎?

1、該網站前端變化遠比後端變化頻繁,則意義大。

2、該網站尚處於原始開發模式,數據邏輯與表現邏輯混雜不清,則意義大。

3、該網站前端團隊和後端團隊分屬兩個領導班子,技能點差異很大,則意義大。

4、該網站前端效果絢麗/跨設備兼容要求高,則意義大。

六、術業有專攻(開發人員分離)

以前的JavaWeb項目大多數都是java程序員又當爹又當媽,又搞前端(ajax/jquery/js/html/css等等),又搞後端(java/mysql/oracle等等)。

隨着時代的發展,漸漸的許多大中小公司開始把前後端的界限分的越來越明確,前端工程師只管前端的事情,後端工程師只管後端的事情。

正所謂術業有專攻,一個人如果什麼都會,那麼他畢竟什麼都不精。

大中型公司需要專業人才,小公司需要全才,但是對於個人職業發展來說,我建議是分開。

對於後端java工程師:

把精力放在java基礎,設計模式,jvm原理,spring+springmvc原理及源碼,linux,mysql事務隔離與鎖機制,mongodb,http/tcp,多線程,分佈式架構(dubbo,dubbox,spring cloud),彈性計算架構,微服務架構(springboot+zookeeper+docker+jenkins),java性能優化,以及相關的項目管理等等。

後端追求的是:三高(高併發,高可用,高性能),安全,存儲,業務等等。

對於前端工程師:

把精力放在html5,css3,jquery,angularjs,bootstrap,reactjs,vuejs,webpack,less/sass,gulp,nodejs,Google V8引擎,javascript多線程,模塊化,面向切面編程,設計模式,瀏覽器兼容性,性能優化等等。

前端追求的是:頁面表現,速度流暢,兼容性,用戶體驗等等。

tips:大家可以關注微信公衆號:Java後端,獲取更多優秀博文推送。

七、耦合時代

幾曾何時,我們的JavaWeb項目都是使用了若干後臺框架,springmvc/struts + spring + spring jdbc/hibernate/mybatis 等等。

大多數項目在java後端都是分了三層,控制層(controller/action),業務層(service/manage),持久層(dao)。

控制層負責接收參數,調用相關業務層,封裝數據,以及路由&渲染到jsp頁面。

然後jsp頁面上使用各種標籤(jstl/el/struts標籤等)或者手寫java表達式(<%=%>)將後臺的數據展現出來,玩的是MVC那套思路。

我們先看這種情況:需求定完了,代碼寫完了,測試測完了,然後呢?要發佈了吧?

你需要用maven或者eclipse等工具把你的代碼打成一個war包,然後把這個war包發佈到你的生產環境下的web容器(tomcat/jboss/weblogic/websphere/jetty/resin)裏,對吧?

發佈完了之後,你要啓動你的web容器,開始提供服務,這時候你通過配置域名,dns等等相關,你的網站就可以訪問了(假設你是個網站)。

那我們來看,你的前後端代碼是不是全都在那個war包裏?包括你的js,css,圖片,各種第三方的庫,對吧?

好,下面在瀏覽器中輸入你的網站域名(www.xxx.com),之後發生了什麼?(這個問題也是很多公司的面試題)

我撿乾的說了啊,基礎不好的童鞋請自己去搜。

瀏覽器在通過域名通過dns服務器找到你的服務器外網ip,將http請求發送到你的服務器,在tcp3次握手之後(http下面是tcp/ip),通過tcp協議開始傳輸數據,你的服務器得到請求後,開始提供服務,接收參數,之後返回你的應答給瀏覽器,瀏覽器再通過content-type來解析你返回的內容,呈現給用戶。

那麼我們來看,我們先假設你的首頁中有100張圖片,此時,用戶的看似一次http請求,其實並不是一次,用戶在第一次訪問的時候,瀏覽器中不會有緩存,你的100張圖片,瀏覽器要連着請求100次http請求(有人會跟我說http長連短連的問題,不在這裏討論),你的服務器接收這些請求,都需要耗費內存去創建socket來玩tcp傳輸(消耗你服務器上的計算資源)。

重點來了,這樣的話,你的服務器的壓力會非常大,因爲頁面中的所有請求都是隻請求到你這臺服務器上,如果1個人還好,如果10000個人併發訪問呢(先不聊服務器集羣,這裏就說是單實例服務器),那你的服務器能扛住多少個tcp連接?你的帶寬有多大?你的服務器的內存有多大?你的硬盤是高性能的嗎?你能抗住多少IO?你給web服務器分的內存有多大?會不會宕機?

這就是爲什麼,越是大中型的web應用,他們越是要解耦。

理論上你可以把你的數據庫+應用服務+消息隊列+緩存+用戶上傳的文件+日誌+等等都扔在一臺服務器上,你也不用玩什麼服務治理,也不用做什麼性能監控,什麼報警機制等等,就亂成一鍋粥好了。

但是這樣就好像是你把雞蛋都放在一個籃子裏,隱患非常大。如果因爲一個子應用的內存不穩定導致整個服務器內存溢出而hung住,那你的整個網站就掛掉了。

如果出意外掛掉,而恰好這時你們的業務又處於井噴式發展高峯期,那麼恭喜你,業務成功被技術卡住,很可能會流失大量用戶,後果不堪設想。
注意:技術一定是要走在業務前面的,否則你將錯過最佳的發展期。

此外,你的應用全部都耦合在一起,相當於一個巨石,當服務端負載能力不足時,一般會使用負載均衡的方式,將服務器做成集羣,這樣其實你是在水平擴展一塊塊巨石,性能加速度會越來越低,要知道,本身負載就低的功能or模塊是沒有必要水平擴展的,在本文中的例子就是你的性能瓶頸不在前端,那幹嘛要水平擴展前端呢???
還有發版部署上線的時候,我明明只改了後端的代碼,爲什麼要前端也跟着發佈呢???(引用:《架構探險-輕量級微服務架構》,黃勇)

正常的互聯網架構,是都要拆開的,你的web服務器集羣,你的應用服務器集羣+文件服務器集羣+數據庫服務器集羣+消息隊列集羣+緩存集羣等等。

JSP的痛點

以前的javaWeb項目大多數使用jsp作爲頁面層展示數據給用戶,因爲流量不高,因此也沒有那麼苛刻的性能要求,但現在是大數據時代,對於互聯網項目的性能要求是越來越高,因此原始的前後端耦合在一起的架構模式已經逐漸不能滿足我們,因此我們需要需找一種解耦的方式,來大幅度提升我們的負載能力。

1、動態資源和靜態資源全部耦合在一起,服務器壓力大,因爲服務器會收到各種http請求,例如css的http請求,js的,圖片的等等。

一旦服務器出現狀況,前後臺一起玩完,用戶體驗極差。

2、UI出好設計圖後,前端工程師只負責將設計圖切成html,需要由java工程師來將html套成jsp頁面,出錯率較高(因爲頁面中經常會出現大量的js代碼),
修改問題時需要雙方協同開發,效率低下。

3、jsp必須要在支持java的web服務器裏運行(例如tomcat,jetty,resin等),無法使用nginx等(nginx據說單實例http併發高達5w,這個優勢要用上),
性能提不上來。

4、第一次請求jsp,必須要在web服務器中編譯成servlet,第一次運行會較慢。

5.每次請求jsp都是訪問servlet再用輸出流輸出的html頁面,效率沒有直接使用html高(是每次喲,親~)。

6、jsp內有較多標籤和表達式,前端工程師在修改頁面時會捉襟見肘,遇到很多痛點。

7、如果jsp中的內容很多,頁面響應會很慢,因爲是同步加載。

8、需要前端工程師使用java的ide(例如eclipse),以及需要配置各種後端的開發環境,你們有考慮過前端工程師的感受嗎。

基於上述的一些痛點,我們應該把整個項目的開發權重往前移,實現前後端真正的解耦!

開發模式

以前老的方式是:

  • 產品經歷/領導/客戶提出需求

  • UI做出設計圖

  • 前端工程師做html頁面

  • 後端工程師將html頁面套成jsp頁面(前後端強依賴,後端必須要等前端的html做好才能套jsp。如果html發生變更,就更痛了,開發效率低)

  • 集成出現問題

  • 前端返工

  • 後端返工

二次集成

集成成功

交付

新的方式是:

  • 產品經歷/領導/客戶提出需求

  • UI做出設計圖

  • 前後端約定接口&數據&參數

  • 前後端並行開發(無強依賴,可前後端並行開發,如果需求變更,只要接口&參數不變,就不用兩邊都修改代碼,開發效率高)

  • 前後端集成

  • 前端頁面調整

  • 集成成功

  • 交付

請求方式

以前老的方式是:

  • 客戶端請求

  • 服務端的servlet或controller接收請求(後端控制路由與渲染頁面,整個項目開發的權重大部分在後端)

  • 調用service,dao代碼完成業務邏輯

  • 返回jsp

  • jsp展現一些動態的代碼

新的方式是:

  • 瀏覽器發送請求

  • 直接到達html頁面(前端控制路由與渲染頁面,整個項目開發的權重前移)

  • html頁面負責調用服務端接口產生數據(通過ajax等等,後臺返回json格式數據,json數據格式因爲簡潔高效而取代xml)

  • 填充html,展現動態效果,在頁面上進行解析並操作DOM。

(有興趣的童鞋可以訪問一下阿里巴巴等大型網站,然後按一下F12,監控一下你刷新一次頁面,他的http是怎麼玩的,大多數都是單獨請求後臺數據,使用json傳輸數據,而不是一個大而全的http請求把整個頁面包括動+靜全部返回過來)

總結一下新的方式的請求步驟:

大量併發瀏覽器請求--->web服務器集羣(nginx)--->應用服務器集羣(tomcat)--->文件/數據庫/緩存/消息隊列服務器集羣

同時又可以玩分模塊,還可以按業務拆成一個個的小集羣,爲後面的架構升級做準備。

前後分離的優勢

1、可以實現真正的前後端解耦,前端服務器使用nginx。

前端/WEB服務器放的是css,js,圖片等等一系列靜態資源(甚至你還可以css,js,圖片等資源放到特定的文件服務器,例如阿里雲的oss,並使用cdn加速),前端服務器負責控制頁面引用&跳轉&路由,前端頁面異步調用後端的接口,後端/應用服務器使用tomcat(把tomcat想象成一個數據提供者),加快整體響應速度。

這裏需要使用一些前端工程化的框架比如nodejs,react,router,react,redux,webpack

2、發現bug,可以快速定位是誰的問題,不會出現互相踢皮球的現象。

頁面邏輯,跳轉錯誤,瀏覽器兼容性問題,腳本錯誤,頁面樣式等問題,全部由前端工程師來負責。

接口數據出錯,數據沒有提交成功,應答超時等問題,全部由後端工程師來解決。

雙方互不干擾,前端與後端是相親相愛的一家人。

3、在大併發情況下,我可以同時水平擴展前後端服務器,比如淘寶的一個首頁就需要2000+臺前端服務器做集羣來抗住日均多少億+的日均pv。

去參加阿里的技術峯會,聽他們說他們的web容器都是自己寫的,就算他單實例抗10萬http併發,2000臺是2億http併發,並且他們還可以根據預知洪峯來無限拓展,很恐怖,就一個首頁。。。

4、減少後端服務器的併發/負載壓力

除了接口以外的其他所有http請求全部轉移到前端nginx上,接口的請求調用tomcat,參考nginx反向代理tomcat。

且除了第一次頁面請求外,瀏覽器會大量調用本地緩存。

5、即使後端服務暫時超時或者宕機了,前端頁面也會正常訪問,只不過數據刷不出來而已。

6、也許你也需要有微信相關的輕應用,那樣你的接口完全可以共用,如果也有app相關的服務,那麼只要通過一些代碼重構,也可以大量複用接口,提升效率。(多端應用)

7、頁面顯示的東西再多也不怕,因爲是異步加載。

8、nginx支持頁面熱部署,不用重啓服務器,前端升級更無縫。

9、增加代碼的維護性&易讀性(前後端耦在一起的代碼讀起來相當費勁)。

10、提升開發效率,因爲可以前後端並行開發,而不是像以前的強依賴。

11、在nginx中部署證書,外網使用https訪問,並且只開放443和80端口,其他端口一律關閉(防止黑客端口掃描),
內網使用http,性能和安全都有保障。

12、前端大量的組件代碼得以複用,組件化,提升開發效率,抽出來!

注意事項

1、在開需求會議的時候,前後端工程師必須全部參加,並且需要制定好接口文檔,後端工程師要寫好測試用例(2個維度),不要讓前端工程師充當你的專職測試,
推薦使用chrome的插件postman或soapui或jmeter,service層的測試用例拿junit寫。ps:前端也可以玩單元測試嗎?

2、上述的接口並不是java裏的interface,說白了調用接口就是調用你controler裏的方法。

3、加重了前端團隊的工作量,減輕了後端團隊的工作量,提高了性能和可擴展性。

4、我們需要一些前端的框架來解決類似於頁面嵌套,分頁,頁面跳轉控制等功能。(上面提到的那些前端框架)。

5、如果你的項目很小,或者是一個單純的內網項目,那你大可放心,不用任何架構而言,但是如果你的項目是外網項目,呵呵噠。

6、以前還有人在使用類似於velocity/freemarker等模板框架來生成靜態頁面,仁者見仁智者見智。

7、這篇文章主要的目的是說jsp在大型外網java web項目中被淘汰掉,可沒說jsp可以完全不學,對於一些學生朋友來說,jsp/servlet等相關的java web基礎還是要掌握牢的,不然你以爲springmvc這種框架是基於什麼來寫的?

8、如果頁面上有一些權限等等相關的校驗,那麼這些相關的數據也可以通過ajax從接口裏拿。

9、對於既可以前端做也可以後端做的邏輯,我建議是放到前端,爲什麼?

因爲你的邏輯需要計算資源進行計算,如果放到後端去run邏輯,則會消耗帶寬&內存&cpu等等計算資源,你要記住一點就是:服務端的計算資源是有限的,而如果放到前端,使用的是客戶端的計算資源,這樣你的服務端負載就會下降(高併發場景)。

類似於數據校驗這種,前後端都需要做!

10、前端需要有機制應對後端請求超時以及後端服務宕機的情況,友好的展示給用戶。

擴展閱讀

1、其實對於js,css,圖片這類的靜態資源可以考慮放到類似於阿里雲的oss這類文件服務器上(如果是普通的服務器&操作系統,存儲在到達pb級的文件後,或者單個文件夾內的文件數量達到3-5萬,io會有很嚴重的性能問題),再在oss上配cdn(全國子節點加速),這樣你頁面打開的速度像飛一樣, 無論你在全國的哪個地方,並且你的nginx的負載會進一步降低。

2、如果你要玩輕量級微服務架構,要使用nodejs做網關,用nodejs的好處還有利於seo優化,因爲nginx只是向瀏覽器返回頁面靜態資源,而國內的搜索引擎爬蟲只會抓取靜態數據,不會解析頁面中的js,這使得應用得不到良好的搜索引擎支持。同時因爲nginx不會進行頁面的組裝渲染,需要把靜態頁面返回到瀏覽器,然後完成渲染工作,這加重了瀏覽器的渲染負擔。

瀏覽器發起的請求經過nginx進行分發,URL請求統一分發到nodejs,在nodejs中進行頁面組裝渲染;API請求則直接發送到後端服務器,完成響應。

3、如果遇到跨域問題,spring4的CORS可以完美解決,但一般使用nginx反向代理都不會有跨域問題,除非你把前端服務和後端服務分成兩個域名。
JSONP的方式也被淘汰掉了。

4、如果想玩多端應用,注意要去掉tomcat原生的session機制,要使用token機制,使用緩存(因爲是分佈式系統),做單點,對於token機制的安全性問題,可以搜一下jwt。

5、前端項目中可以加入mock測試(構造虛擬測試對象來模擬後端,可以獨立開發和測試),後端需要有詳細的測試用例,保證服務的可用性與穩定性。

總結

前後端分離並非僅僅只是一種開發模式,而是一種架構模式(前後端分離架構)。

千萬不要以爲只有在擼代碼的時候把前端和後端分開就是前後端分離了。需要區分前後端項目。前端項目與後端項目是兩個項目,放在兩個不同的服務器,需要獨立部署,兩個不同的工程,兩個不同的代碼庫,不同的開發人員。

前後端工程師需要約定交互接口,實現並行開發,開發結束後需要進行獨立部署,前端通過ajax來調用http請求調用後端的restful api。

前端只需要關注頁面的樣式與動態數據的解析&渲染,而後端專注於具體業務邏輯。

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