后端應(yīng)用程序的工作原理

成功運(yùn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的后端應(yīng)用程序后，接下來介紹后端應(yīng)用程序的工作原理。

一個(gè)Java后端應(yīng)用程序要想運(yùn)行起來需要兩步，第一步是搭建Web應(yīng)用服務(wù)器，為后端應(yīng)用程序提供運(yùn)行環(huán)境，第二步是把后端應(yīng)用程序放到Web應(yīng)用服務(wù)器上。

相應(yīng)地，后端應(yīng)用軟件的工作原理我們也分為兩部分來介紹。一部分是Web應(yīng)用服務(wù)器運(yùn)行后端應(yīng)用程序，介紹Web應(yīng)用服務(wù)器與后端應(yīng)用程序的關(guān)系；另一部分是后端應(yīng)用程序處理接口請(qǐng)求，介紹后端應(yīng)用程序與接口請(qǐng)求端（如網(wǎng)頁(yè)、App等）的關(guān)系。在介紹這兩部分內(nèi)容之前，我們先介紹一下Java程序的運(yùn)行原理。

注意：本小節(jié)默認(rèn)以Tomcat作為Web應(yīng)用服務(wù)器軟件，以Java作為編程語(yǔ)言，以Spring Boot作為基礎(chǔ)框架。在介紹原理時(shí)會(huì)省略很多內(nèi)部細(xì)節(jié)，我們只需要大體了解即可。

◆1.Java程序運(yùn)行原理

編譯型語(yǔ)言通過專門的編譯器，一次性地將源代碼編譯成可執(zhí)行文件（機(jī)器碼），可執(zhí)行文件可直接運(yùn)行在特定的平臺(tái)上。由于可執(zhí)行文件（機(jī)器碼）是根據(jù)特定平臺(tái)編譯而成的，所以運(yùn)行效率較高，但是不能跨平臺(tái)使用。比較流行的編譯型語(yǔ)言有C和C++等。

解析型語(yǔ)言不需要編譯，但是在每次運(yùn)行的時(shí)候都需要解析器把源碼翻譯成機(jī)器碼，即每個(gè)運(yùn)行程序的機(jī)器都需要安裝一個(gè)解析器，解析器會(huì)根據(jù)自身平臺(tái)把源碼翻譯成對(duì)應(yīng)的機(jī)器碼。解析型語(yǔ)言具有跨平臺(tái)性，但是運(yùn)行效率不高（每次運(yùn)行都需要翻譯成機(jī)器碼）。比較流行的解析型語(yǔ)言有Python、Ruby和JavaScript等。

編譯型語(yǔ)言和解析型語(yǔ)言的對(duì)比如圖4.29所示。

圖4.29 編譯型語(yǔ)言與解析型語(yǔ)言

而Java比較特別一些，Java既是編譯型語(yǔ)言，又是解析型語(yǔ)言，因?yàn)镴ava既需要編譯器又需要解析器。Java具備跨平臺(tái)特性的同時(shí)，也比傳統(tǒng)的解析型語(yǔ)言運(yùn)行效率要高。Java編寫的源碼經(jīng)過編譯器編譯之后，轉(zhuǎn)換成.class文件（字節(jié)碼，一種Java獨(dú)有的源碼與機(jī)器碼之間的格式）。這些.class文件中的字節(jié)碼在運(yùn)行時(shí)需要解析器把字節(jié)碼翻譯成機(jī)器碼才能運(yùn)行。Java的編譯運(yùn)行過程如圖4.30所示。

注意：一般情況下，Java源碼編譯輸出的是.jar文件，而.class文件是.jar文件的主要部分。這里為了講解方便，省去了對(duì).jar文件的描述。

圖4.30 Java編譯運(yùn)行過程

Java的編譯器和解析器就是在4.1.2小節(jié)搭建Web應(yīng)用服務(wù)器中提到的JDK，想要編譯或者運(yùn)行Java程序都需要安裝JDK。JDK的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4.31所示，它包含一些開發(fā)工具和JRE（Java Runtime Environment，運(yùn)行環(huán)境），其中開發(fā)工具里有編譯器，而JRE是運(yùn)行Java程序的環(huán)境。JRE包含JVM（JavaVirtual Machine，Java虛擬機(jī)）和一些基礎(chǔ)類庫(kù)，其中JVM包含解析器，負(fù)責(zé)翻譯字節(jié)碼等工作，而基礎(chǔ)庫(kù)類是Java調(diào)用操作系統(tǒng)功能的橋梁。

注意：如果只需要運(yùn)行Java程序，那么可以單獨(dú)安裝JRE。JDK 9版本發(fā)布以后，不再提供單獨(dú)的JRE安裝包。由于引入了新技術(shù)，JDK 9及后續(xù)版本的內(nèi)部也沒有了JRE（可以手動(dòng)生成），而JVM是仍然存在的。這是因?yàn)镴RE在運(yùn)行Java程序時(shí)會(huì)加載所有的基礎(chǔ)類庫(kù)，這樣比較損耗資源，而JDK 9及后續(xù)版本在運(yùn)行程序時(shí)是按需要加載基礎(chǔ)類庫(kù)的。

圖4.31 JDK內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.Web應(yīng)用服務(wù)器運(yùn)行后端應(yīng)用程序

本小節(jié)以Tomcat作為Web應(yīng)用服務(wù)器軟件進(jìn)行說明。Tomcat本身是一個(gè)Java程序，啟動(dòng)Tomcat服務(wù)相當(dāng)于啟動(dòng)一個(gè)Java程序。那么，Tomcat是怎么運(yùn)行后端應(yīng)用程序的？一個(gè)Java程序怎么運(yùn)行另外一個(gè)Java程序呢？

首先，在Tomcat中運(yùn)行的后端應(yīng)用程序是.war文件而不是.jar文件。.war文件與.jar文件不同，.war文件是Web模塊，其內(nèi)部除了編譯好的.class文件、依賴包和配置文件以外，還可以包含網(wǎng)頁(yè)資源（HTML、CSS文件等）和JSP動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)等。.war文件一般需要依賴Tomcat等Web應(yīng)用服務(wù)器軟件才能運(yùn)行。

以4.1.3小節(jié)構(gòu)造一個(gè)簡(jiǎn)單的后端應(yīng)用程序中的demo.war為例，Tomcat運(yùn)行demo.war其實(shí)不是一個(gè)Java程序運(yùn)行另外一個(gè)Java程序的關(guān)系，而是一個(gè)Java程序使用編譯好的.class文件的關(guān)系。更具體地說，當(dāng)demo.war放到Tomcat的webapps文件夾中后，Tomcat會(huì)自動(dòng)把demo.war解壓成demo目錄。解壓完成后，Tomcat會(huì)對(duì)demo進(jìn)行解析并加載相關(guān)的.class文件。當(dāng)接收到請(qǐng)求時(shí)，Tomcat會(huì)調(diào)用對(duì)應(yīng)的接口函數(shù)（TestController.java文件中的方法，見代碼4.11），經(jīng)由這些代碼處理后再將結(jié)果返回。Tomcat運(yùn)行后端應(yīng)用程序的工作原理如圖4.32所示。

說明：Tomcat加載并引用.class文件利用了Java的反射機(jī)制。一般情況下，Java程序引用類文件只能在編寫代碼時(shí)通過import引用其他類文件，而Java反射機(jī)制是允許在運(yùn)行狀態(tài)中通過給定類的名字加載指定類文件的。

Tomcat是通過圖4.21中ServletInitializer這個(gè)固定類名加載相關(guān)文件的。

圖4.32 Tomcat運(yùn)行后端應(yīng)用程序的工作原理

最后值得一提的是，Tomcat運(yùn)行后端應(yīng)用程序的工作原理其實(shí)是非常復(fù)雜的，特別是對(duì)相關(guān)文件加載的機(jī)制，本小節(jié)只對(duì)其做了最簡(jiǎn)單的陳述，有興趣的讀者可以通過官方文檔和開源代碼進(jìn)行更深入的研究。

◆3.后端應(yīng)用程序處理接口請(qǐng)求

發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求至少需要明確4個(gè)部分：請(qǐng)求的URL、請(qǐng)求方式、請(qǐng)求數(shù)據(jù)的格式和請(qǐng)求數(shù)據(jù)。以4.1.3小節(jié)構(gòu)造一個(gè)簡(jiǎn)單的后端應(yīng)用程序中的接口一為例，以Postman為測(cè)試工具，發(fā)送請(qǐng)求的設(shè)置如圖4.33所示。

圖4.33 接口一請(qǐng)求的設(shè)置

注意：當(dāng)請(qǐng)求方式為GET時(shí)，則請(qǐng)求數(shù)據(jù)一般只能寫在URL里，如4.1.3小節(jié)構(gòu)造一個(gè)簡(jiǎn)單的后端應(yīng)用程序中的接口二。

由圖4.33中請(qǐng)求的URL可知，請(qǐng)求是基于HTTP發(fā)送的。HTTP的通信過程如圖4.34所示，其中，不是每次請(qǐng)求都會(huì)做一次連接的建立與斷開，存在多次請(qǐng)求會(huì)共用一個(gè)連接通道的情況，這與HTTP版本和相關(guān)設(shè)置有關(guān)。

注意：接口請(qǐng)求一般是使用HTTP或HTTPS。HTTP是TCP/IP的應(yīng)用層協(xié)議，也就是說，HTTP其實(shí)只是在TCP/IP之上做了規(guī)則限定和封裝，其底層技術(shù)還是TCP/IP的相關(guān)技術(shù)。而HTTPS只是在HTTP的基礎(chǔ)上做了通信加密，暫且不對(duì)其進(jìn)行介紹。

圖4.34 HTTP通信過程

在圖4.33所示的請(qǐng)求例子中，客戶端會(huì)以URL的IP地址和端口（127.0.0.1:8080）與Web應(yīng)用服務(wù)器建立連接。建立連接之后，客戶端會(huì)把剩下的信息（URL剩下的部分、請(qǐng)求方式、請(qǐng)求數(shù)據(jù)的格式、請(qǐng)求數(shù)據(jù)）按照規(guī)則放到報(bào)文里，再把報(bào)文發(fā)送到Web應(yīng)用服務(wù)器上。發(fā)送的報(bào)文如代碼4.14所示。其中，報(bào)文由三部分組成，分別是請(qǐng)求行、報(bào)文頭信息和報(bào)文體。

·請(qǐng)求行：是報(bào)文的第一行，其由三部分組成，分別是請(qǐng)求方法、請(qǐng)求URL剩余的部分（除協(xié)議、IP地址、端口外）和HTTP版本。

·報(bào)文頭信息：其范圍是報(bào)文的第二行到空行。報(bào)文頭可以設(shè)置多個(gè)屬性，其作用是記錄相關(guān)的請(qǐng)求信息。其中，Conten-Type屬性對(duì)應(yīng)的是請(qǐng)求數(shù)據(jù)的格式。

·報(bào)文體：其范圍是空行到最后，對(duì)應(yīng)的是請(qǐng)求數(shù)據(jù)。需要注意的是，當(dāng)請(qǐng)求方式為GET時(shí)，一般不使用報(bào)文體。因此4.1.3小節(jié)中的接口二的請(qǐng)求參數(shù)只能寫在URL中。

代碼4.14接口一的請(qǐng)求報(bào)文

POST /demo/test/test HTTP/1.1

Host: 127.0.0.1:8080

Content-Type: text/plain

{

"language":"chinese",

"text":"你好，世界"

}

當(dāng)Web應(yīng)用服務(wù)器接收到請(qǐng)求的報(bào)文后，會(huì)對(duì)報(bào)文進(jìn)行解析并轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的Java對(duì)象。Web應(yīng)用服務(wù)器會(huì)根據(jù)報(bào)文的請(qǐng)求行（POST/demo/test/test）找到對(duì)應(yīng)的后端應(yīng)用程序并調(diào)用相應(yīng)的處理函數(shù)。

其中，請(qǐng)求行（POST/demo/test/test）會(huì)被分成兩段（/demo和POST/test/test）處理，Web應(yīng)用服務(wù)器會(huì)根據(jù)第一段（/demo）內(nèi)容找到對(duì)應(yīng)的后端應(yīng)用程序，demo對(duì)應(yīng)的是demo.war文件名。Web應(yīng)用服務(wù)器會(huì)根據(jù)第二段（POST/test/test）內(nèi)容調(diào)用后端應(yīng)用程序?qū)?yīng)的處理函數(shù)，后端應(yīng)用程序?qū)?yīng)的標(biāo)記如代碼4.15所示，其中，@RequestMapping("/test")標(biāo)記了Controller的路徑，@RequestMapping(value="/test",method=RequestMethod.POST)標(biāo)記了對(duì)應(yīng)方法的路徑和請(qǐng)求方式，函數(shù)create()的參數(shù)String requestParam會(huì)被自動(dòng)注入請(qǐng)求的數(shù)據(jù)（報(bào)文體）中。

說明：Java中以@開頭的是Java注解，也稱為Java標(biāo)注，其相當(dāng)于一個(gè)標(biāo)簽。@Request-Mapping、@Controller是Java Servlet標(biāo)準(zhǔn)中定義的注解。

代碼4.15接口一的代碼

…

@Controller

@RequestMapping("/test")

…

@RequestMapping(value="/test",method = RequestMethod.POST)

public JSONObject create(@RequestBody String requestParam) {

…

}

…

當(dāng)代碼4.15的處理函數(shù)被執(zhí)行完畢之后，會(huì)把結(jié)果返回給Web應(yīng)用服務(wù)器，Web應(yīng)用服務(wù)器會(huì)把返回的Java對(duì)象轉(zhuǎn)換成HTTP報(bào)文，再把報(bào)文發(fā)送給客戶端。返回的報(bào)文如代碼4.16所示。其中，報(bào)文由三部分組成，分別是狀態(tài)行、報(bào)文頭信息和報(bào)文體。

圖4.35 接口一返回的結(jié)果

·狀態(tài)行：是報(bào)文的第一行，其由三部分組成，分別是HTTP版本、狀態(tài)碼和狀態(tài)碼描述。狀態(tài)碼及其信息一般是由Web應(yīng)用服務(wù)器自動(dòng)填充的，如狀態(tài)碼為200，即為成功，狀態(tài)碼為404，即為無法尋找對(duì)應(yīng)資源等。當(dāng)然，后端應(yīng)用程序也可以對(duì)其進(jìn)行修改。

·報(bào)文頭信息：其范圍是報(bào)文的第二行到空行。報(bào)文頭可以設(shè)置多個(gè)屬性，作用是記錄相關(guān)的請(qǐng)求信息。其中，Conten-Type屬性對(duì)應(yīng)的是請(qǐng)求數(shù)據(jù)的格式。后端應(yīng)用程序也可以添加一些自定義的屬性。

·報(bào)文體：其范圍是空行到最后，對(duì)應(yīng)的是后端應(yīng)用程序的處理函數(shù)返回的結(jié)果。

代碼4.16接口一返回的報(bào)文

HTTP/1.1 200 OK

Date: Tue, 31 Mar 2020 10:59:51 GMT

Content-Type: application/json

{"message":"你好，世界"}

以上介紹了后端應(yīng)用程序的工作原理，當(dāng)然這只是一些表面的認(rèn)識(shí)，還有很多內(nèi)容沒有鋪開陳述。這是因?yàn)樵趯?shí)際項(xiàng)目開發(fā)過程中，無論是HTTP請(qǐng)求還是Web應(yīng)用服務(wù)器軟件，都是現(xiàn)成的工具，我們多是去使用它們而不是去改造它們，因此對(duì)原理的了解不需要完全透徹，具體的細(xì)節(jié)可以等問題出現(xiàn)時(shí)再去了解。