API架構的選擇，RESTful、GraphQL還是gRPC

hi，我是熵減，見字如面。

在現代的軟件工程中，微服務或在客戶端與服務端之間的信息傳遞的方式，比較常見的有三種架構設計的風格：RESTful、GraphQL和gRPC。

每一種模式，都有其特點和合適的使用場景，今天，我們主要來對三種風格做一個深入的理解和對比，以方便我們在做技術選型時，能夠做出有效的決策。

RESTful

什麼是RESTful？

RESTful是一種軟件架構風格和設計模式，它是一種輕量級的Web服務實現模式。

REST（Representational State Transfer）代表着“表現層狀態轉移”，它強調使用HTTP協議的GET、POST、PUT、DELETE等動詞來實現資源的增、刪、改、查操作。

RESTful是一種基於資源的設計理念，強調在分佈式系統中以統一的接口來訪問和操作資源。

RESTful架構風格的特點：是客戶端和服務器之間的通信採用無狀態協議，每個請求包含足夠的信息，使得服務器不需要保留客戶端的任何上下文信息，從而可以實現高度的可伸縮性和可靠性。

REST風格的API設計通常具有簡單、輕量級、易於緩存和擴展等特點。

RESTful架構的原則

Restful架構風格遵循以下幾個原則：

• 資源（Resource）：將應用程序的功能和數據抽象爲資源，每個資源都有一個唯一的標識符（URL）來訪問和操作。

• 統一接口（Uniform Interface）：使用統一的接口來對資源進行操作，包括標準的HTTP方法（GET、POST、PUT、DELETE等）和狀態碼（如200、404、500等）。

• 無狀態（Stateless）：客戶端請求中應包含足夠的信息，服務端不保存客戶端的狀態信息，每個請求都是獨立的，這樣可以實現可伸縮性和可靠性。

• 按需響應（Cacheable）：服務端可以通過設置響應頭中的緩存策略，使得客戶端可以緩存響應，減少對服務端的請求，提高性能和效率。

• 分層系統（Layered System）：客戶端與服務端之間可以存在多箇中間層（如代理服務器、負載均衡器等），以實現更高級別的可擴展性和安全性。

通過遵循RESTful的原則，可以實現簡單、可擴展、易於理解和集成的API設計，促進不同系統之間的互操作性，並支持跨平臺和跨語言的通信。

在現實中，RESTful API已成爲構建Web服務和分佈式系統的非常常見的實踐。

RESTful的適用場景

RESTful架構風格，適用於各種不同的場景和應用程序類型。

以下是一些RESTful的經典適用場景：

• Web應用程序開發：RESTful非常適合構建Web應用程序，通過使用HTTP協議的標準方法和狀態碼來操作資源，實現前後端分離、松耦合的架構。

• 移動應用程序開發：RESTful API提供了移動應用程序與後端服務器進行通信的標準化接口，使得移動應用能夠方便地獲取和操作數據。

• 雲服務和微服務架構：RESTful API是構建雲服務和微服務架構的常見方式，不同的服務通過RESTful接口進行通信和協作。

• 物聯網（IoT）應用程序：RESTful API可以用於物聯網設備之間的通信和控制，使得設備能夠通過HTTP請求與雲平臺進行交互。

• 開放數據接口（Open API）：RESTful API可以提供開放的數據接口，供第三方開發者進行集成和構建應用程序。

總的來說，RESTful架構風格非常通用且適用於各種不同的應用場景，特別是在需要構建分佈式系統、提供開放接口和實現松耦合架構的應用程序中表現出色。

RESTful的優點

RESTful架構，具有以下優點：

• 簡單性：Restful架構使用基於HTTP的標準方法和狀態碼，易於理解和學習。它採用了簡潔的URL和資源的概念，使得API的設計和使用變得簡單明瞭。

• 可伸縮性：Restful架構的無狀態特性使得服務端可以水平擴展，每個請求都是獨立的，不依賴於特定的服務器狀態，從而提高系統的可伸縮性和性能。

• 可移植性：Restful API是基於標準的HTTP協議和數據格式（如JSON、XML），可以被不同的平臺和編程語言輕鬆支持，促進了跨平臺和跨語言的互操作性。

• 可見性：Restful API使用明確的URL來表示資源和操作，使得API的結構和功能對開發者和用戶來說更加可見和可理解，降低了學習和使用的難度。

• 緩存支持：Restful API支持HTTP的緩存機制，可以使用緩存來減少對服務器的請求，提高性能和效率。

• 獨立性：Restful架構支持前後端分離，使得前端可以獨立演化和開發，後端服務可以以獨立的方式進行部署和維護。

RESTful的缺點

然而，RESTful架構也有一些缺點：

• 語義限制：RESTful架構對資源的操作只使用了HTTP的標準方法（GET、POST、PUT、DELETE等），有時可能無法滿足某些複雜的操作需求，需要通過擴展HTTP方法或引入自定義操作。

• 高耦合性：RESTful架構中，客戶端需要對服務端的資源結構有一定的瞭解，資源的結構和URI的設計需要提前約定好，這會帶來一定的耦合性。

• 安全性：RESTful架構對於安全性的支持相對較弱，需要額外的安全措施（如HTTPS、身份驗證、授權等）來保護API的安全性。

• 性能問題：當資源的層級結構較深、關聯關係複雜時，可能需要進行多次請求來獲取完整的數據，增加了網絡開銷和響應時間。

綜上所述，Restful架構具有簡單性、可伸縮性和可移植性等優點，但在語義限制、高耦合性和安全性方面存在一些限制和挑戰。在設計和選擇API架構時，需要根據具體的應用需求權衡各種因素。

GraphQL

什麼是GraphQL？

GraphQL是一種用於API的查詢語言和運行時環境。它於2015年由Facebook開發並開源，並在業界逐漸得到廣泛應用。

GraphQL的主要目標是提供一種靈活、高效和強大的方式來獲取客戶端所需的數據。

與傳統的RESTful API不同，GraphQL允許客戶端通過發送一個包含所需數據結構的查詢來精確獲取數據，而不需要多次請求不同的端點。

GraphQL的核心是一個查詢語言，通過該語言可以精細地描述需要獲取哪些數據以及數據之間的關係。客戶端通過GraphQL查詢語句向服務端發送請求，服務端根據查詢語句返回數據。GraphQL的查詢語句可以嵌套、組合和重用，從而實現了更加靈活和高效的數據獲取。

GraphQL的原則

GraphQL架構風格的原則，主要包括以下幾點：

• 單一入口（Single Entry Point）：GraphQL的核心思想是通過一個單一的入口點來獲取數據。客戶端可以使用一個GraphQL查詢來獲取所需的所有數據，而不需要多次請求。這樣可以減少網絡往返次數，提高效率。

• 客戶端驅動（Client-Driven）：GraphQL採用客戶端驅動的數據查詢方式，客戶端可以靈活地指定需要的數據字段和關聯關係，從而避免了傳統RESTful接口中的過度獲取或不足獲取的問題。客戶端決定需要的數據，服務器只提供相應的數據。

• 強類型（Strongly Typed）：GraphQL使用強類型系統來定義數據模型和查詢。通過定義明確的類型和字段，可以在編譯時進行類型檢查，減少運行時錯誤。這有助於提高開發效率和代碼質量。

• 可組合性（Composability）：GraphQL具有高度的可組合性，可以通過組合現有的類型和字段來構建複雜的查詢和數據模型。這種組合性使得GraphQL非常靈活，可以滿足各種不同的數據需求。

• 實時更新（Real-Time Updates）：GraphQL支持實時數據更新和訂閱功能，允許客戶端訂閱數據的變化並接收實時更新。這使得實時應用程序開發更加簡單和高效。

• 自文檔化（Self-Documenting）：GraphQL的查詢語言具有自我描述性，即查詢本身就包含了數據模型的描述信息。這使得客戶端可以直接查詢可用的數據字段和關聯關係，減少了對文檔的依賴。

• 批量操作（Batching）：GraphQL支持批量操作，可以將多個相關的請求合併爲一個請求發送到服務器。這樣可以減少網絡往返次數，提高效率。

• 數據加載（Data Fetching）：GraphQL支持通過數據加載器（Data Loader）來優化數據的獲取和處理。數據加載器可以對數據進行批量加載和緩存，提高數據獲取的效率和性能。

以上這些原則，有助於設計和構建具有高度靈活性、可組合性和效率的GraphQL架構。通過遵循這些原則，可以實現更好的數據查詢和交互體驗，同時提高開發效率和代碼質量。

GraphQL的適用場景

GraphQL適用於各種場景和應用程序，特別適用於以下幾類經典場景：

• 多平臺應用程序：當應用程序需要爲多個平臺（例如Web、移動和IoT設備）提供數據服務時，GraphQL非常有用。通過GraphQL，客戶端可以精確地獲取它們需要的數據，而不需要多個API端點和不必要的數據傳輸。

• 複雜的數據需求：對於需要獲取和展示覆雜數據結構的應用程序，GraphQL是一個理想的選擇。它允許客戶端根據其需要來精確定義所需的數據字段和關聯關係，減少了數據冗餘和不必要的查詢。

• 快速迭代和前後端解耦：GraphQL適用於快速迭代和開發過程中的前後端解耦。前端開發人員可以根據需要靈活地獲取數據，而無需等待後端開發人員提供新的API端點或數據結構的更改。

• 微服務架構：對於採用微服務架構的應用程序，每個微服務通常有其專門的數據需求。GraphQL可以作爲一個統一的數據層，聚合來自多個微服務的數據，並將其以一種一致的方式暴露給客戶端。

• 實時數據需求：如果應用程序需要實時數據推送和訂閱功能，例如聊天應用程序或實時監控系統，GraphQL提供了訂閱查詢的機制，可以實現實時數據的推送和更新。

• 個性化數據需求：對於需要根據用戶個性化需求提供定製數據的應用程序，GraphQL是一個理想的選擇。客戶端可以根據用戶的偏好和需求定義查詢，獲取個性化的數據結果。

總之，GraphQL適用於各種不同類型的應用程序和場景，特別適合那些需要靈活、精確和高效獲取數據的場景。它提供了強大的查詢語言和靈活的數據查詢能力，使得客戶端能夠更好地控制所需的數據，從而提供更好的用戶體驗和性能。

GraphQL的優點

GraphQL架構，其具有以下優點：

• 靈活性和精確性：GraphQL允許客戶端精確地指定需要的數據字段，避免了傳統RESTful API中的過度獲取和傳輸不必要的數據。這種靈活性使得客戶端能夠更好地控制所需的數據，減少了網絡傳輸和數據冗餘。

• 單一端點：與RESTful API相比，GraphQL只需要一個端點，客戶端可以發送複雜的查詢請求，並獲得所需的數據結果。這樣簡化了API的維護和管理，減少了網絡請求的次數。

• 強大的類型系統：GraphQL擁有豐富的類型系統，可以定義自定義類型、接口和枚舉等。這使得客戶端和服務端之間的數據交互更加明確和可靠，減少了因數據格式不匹配而引發的錯誤。

• 關聯和嵌套查詢：GraphQL支持在一個查詢中指定多個資源之間的關聯關係，並支持嵌套查詢。這樣可以一次性獲取多個相關資源，減少了多次請求的需求，提高了數據獲取的效率。

• 緩存控制：GraphQL具有內置的緩存控制機制，允許客戶端在查詢中指定所需數據的緩存策略。這可以提高數據訪問的性能和效率，並減少對服務器的請求。

• 實時數據推送：GraphQL支持實時數據推送和訂閱功能，客戶端可以通過訂閱查詢來獲取實時數據更新。這對於需要實時通知和推送的應用程序非常有用，如聊天應用程序或實時監控系統。

GraphQL的缺點

儘管GraphQL架構具有許多優點，但也存在一些缺點：

• 學習曲線高：相對於傳統的RESTful API，GraphQL具有更復雜的概念和語法。因此，學習和理解GraphQL的概念和工作原理需要一定的時間和精力。

• 過度獲取數據：由於GraphQL的靈活性，客戶端可能會過度獲取數據，導致查詢結果過於龐大，增加了網絡傳輸和數據處理的負擔。

• 缺乏標準化：與RESTful API相比，GraphQL缺乏一致的標準化規範。這導致不同的實現之間可能存在差異，開發人員需要根據具體的實現來進行學習和開發。

• 緩存管理複雜：由於GraphQL的靈活性和精確性，緩存管理變得更爲複雜。開發人員需要考慮緩存數據的一致性和更新策略，以確保數據的準確性和實時性。

• 安全性考慮：由於GraphQL允許客戶端靈活地定義查詢，服務端需要特別關注安全性方面的考慮。例如，客戶端可能通過查詢來獲取敏感數據或進行惡意操作。因此，服務端需要實施適當的安全措施，如認證、授權和輸入驗證，以保護數據和系統的安全。

• 性能問題：儘管GraphQL可以減少網絡請求的次數，但對於複雜的查詢和大規模數據集，GraphQL可能面臨性能問題。查詢的複雜性和數據加載的成本可能導致響應時間的延遲。因此，開發人員需要仔細考慮和優化GraphQL的查詢性能。

• 缺無狀態特性：與RESTful API相比，GraphQL沒有內置的無狀態特性。這意味着服務端需要維護客戶端的查詢狀態，以便正確處理查詢和返回一致的結果。這可能增加服務端的複雜性和開發的複雜性。

gRPC

什麼是gRPC

gRPC是一種高性能、開源和通用的遠程過程調用（RPC）框架，由Google開發。

gRPC支持多種編程語言和平臺，並使用Protocol Buffers作爲默認的消息編碼協議，可以在不同的應用程序之間實現高效的通信。

gRPC框架基於HTTP/2協議，它支持全雙工的流式傳輸、多路複用、頭部壓縮等特性，可以提供更高效的網絡性能和更好的擴展性。同時，gRPC也支持多種負載均衡算法、認證和授權機制，可以保障通信的安全性和可靠性。

gRPC可以簡化應用程序之間的通信過程，開發者只需要定義一份IDL（接口定義語言）文件，然後使用gRPC框架自動生成客戶端和服務端的代碼。

另外，gRPC默認使用Protocol Buffers作爲消息編碼協議，所以通信數據的大小比傳統的文本協議（例如JSON）更小，可以提高網絡性能。

gRPC的應用場景

gRPC具有廣泛的應用場景，常見的使用場景包括：

• 微服務架構：gRPC適用於構建微服務架構中的服務間通信。由於其高效的序列化和跨語言支持，可以實現不同微服務之間的快速、可靠的通信。

• 分佈式系統：gRPC可以在分佈式系統中作爲通信框架使用，用於不同節點之間的數據傳輸和遠程調用。它提供了高效的遠程過程調用機制，適用於大規模分佈式系統的通信需求。

• API後端服務：gRPC可以用作構建API後端服務的通信協議。它提供了強類型和接口定義語言，使得客戶端和服務器之間可以共享和交流接口定義，方便開發和維護。

• 實時流式數據傳輸：gRPC支持雙向流式通信，適用於需要實時傳輸和處理流式數據的場景。例如，實時聊天應用、實時數據分析和實時監控系統等。

• 高性能計算：由於gRPC使用了高效的序列化和傳輸協議，可以在需要進行高性能計算的場景中使用。例如，分佈式計算、機器學習模型的訓練和推理等。

• IoT（物聯網）應用：gRPC可以在物聯網應用中作爲設備和後端服務器之間的通信協議。它的輕量級和高效性能使得它適用於連接大量設備的場景。

gRPC適用於許多不同的應用場景，特別是在分佈式系統、微服務架構和實時通信方面具有顯著的優勢。它提供了高效、可靠和靈活的通信機制，使得開發人員可以更輕鬆地構建複雜的分佈式應用程序。

gRPC的優點

gRPC架構的關鍵特點，主要包括以下幾點：

• 高效的遠程過程調用（RPC）：gRPC使用高效的遠程過程調用協議，基於Protocol Buffers（protobuf）進行數據序列化和通信。通過使用二進制協議和高性能的序列化機制，gRPC可以實現快速、高效的跨網絡通信。

• 強類型和接口定義語言（IDL）：gRPC使用接口定義語言（IDL）來定義服務接口和消息格式。IDL提供了一種規範和標準，可以在客戶端和服務器之間共享和交流。通過IDL，可以明確地定義服務接口和消息類型，提高跨平臺和多語言的互操作性。

• 支持多種傳輸協議：gRPC支持多種傳輸協議，包括基於HTTP/2的傳輸和傳統的TCP傳輸。HTTP/2作爲底層協議，提供了多路複用、流控制和頭部壓縮等優點，可以提高性能和效率。

• 支持多種編程語言：gRPC支持多種編程語言，包括Java、C++、Python、Go等，可以滿足不同語言和技術棧的需求。這使得開發人員可以使用自己熟悉的編程語言來實現和使用gRPC服務。

• 雙向流式通信（Bidirectional Streaming）：gRPC支持雙向流式通信，即客戶端和服務器可以同時發送和接收數據流。這使得實時的流式數據傳輸和通信成爲可能，例如聊天應用、實時監控等場景。

• 攔截器和中間件（Interceptors and Middleware）：gRPC提供攔截器和中間件的機制，可以在請求和響應的處理過程中插入自定義的邏輯。這樣可以實現日誌記錄、認證授權、錯誤處理等通用的功能，提高代碼複用性和可維護性。

• 可擴展性和服務發現：gRPC支持服務發現和負載均衡機制，可以根據需要動態地擴展服務。通過使用服務發現機制，可以自動發現和管理可用的服務實例，以實現高可用性和負載均衡。

• 自動生成的客戶端和服務器代碼：使用gRPC的IDL和相關工具，可以自動生成客戶端和服務器的代碼。這樣可以簡化開發過程，減少手動編寫重複性代碼的工作量。

這些原則使得gRPC成爲一個強大、高效和靈活的RPC框架。通過遵循這些原則，可以實現快速、可靠的跨網絡通信，並提供豐富的功能和特性，滿足不同應用場景的需求。

gRPC的缺點

儘管gRPC具有許多優點，但也存在一些缺點：

• 學習曲線較陡：相對於傳統的RESTful API和其他通信協議，gRPC具有一定的學習曲線。使用gRPC需要了解Protobuf和IDL的概念，並學習如何定義服務接口和消息類型。這可能對於新手或非熟悉這些概念的開發人員來說，需要一定的時間和學習成本。

• 不適用於所有場景：儘管gRPC在許多場景下表現優異，但並不是適用於所有應用場景。例如，如果你的應用程序需要對公共網絡進行通信，而網絡環境受到限制（如防火牆），則可能需要配置特殊的設置來支持gRPC的通信。

• 難以調試和跟蹤：由於gRPC使用二進制協議和高效的序列化機制，數據在傳輸過程中進行了編碼和壓縮，使得調試和跟蹤變得更加困難。在排查問題時，可能需要額外的工具和技術來解析和查看數據。

• 不適用於所有語言和平臺：儘管gRPC支持多種編程語言和平臺，但並不是所有語言和平臺都得到了廣泛的支持。某些語言和平臺的gRPC實現可能不如其他語言和平臺成熟和穩定。

• 依賴於網絡和服務發現：gRPC是基於網絡的通信協議，因此在使用gRPC時需要穩定的網絡連接。此外，使用gRPC時需要合適的服務發現機制來管理和調度服務實例，這可能需要額外的配置和維護。

總的來說，儘管gRPC具有許多優點，但在選擇使用它時也需要考慮到其可能存在的一些限制和挑戰。根據具體的應用需求和技術環境，需要綜合評估是否適合採用gRPC作爲通信協議。

三者之間的比較

諸如以上內容所述，現在對這三種API的架構設計和實現方式，都有了一個深入的理解，對他們的特性，優點和缺點也有初步的瞭解。

下面，是對三個實現方案的一些關鍵特性的一個綜合對比如下：

最後

RESTful、GraphQL和gRPC是三種常見的API架構設計和實現模式，它們在設計理念、數據傳輸方式和使用場景上都存在這一定的差異：

• RESTful是基於HTTP協議的傳統API架構，使用簡單、易於理解，適用於傳統的API開發和數據交互場景。

• GraphQL是一種靈活的數據查詢語言和API查詢協議，客戶端可以靈活地指定需要的數據，並避免了"過度獲取"的問題，適用於需要動態數據獲取和靈活數據查詢的場景。

• gRPC是一種高性能的跨語言的遠程過程調用協議，使用基於二進制的通信協議和強類型接口定義，適用於分佈式系統、微服務架構和實時通信等場景。

我們在做API實現方案的選型時，要結合具體的應用需求、開發團隊的技術能力和技術棧，以及可擴展性等實際需求，來選擇適合的方案。要記住的至關重要的一點是：最新的、最流行的不一定是最好的選擇。

另外，無論選擇哪種架構和協議，重要的是理解其特點、原則和使用方式，並根據具體情況進行合理的設計和優化，以提供高效、可擴展和可靠的API服務。