23、REST架构：原理、优势与最佳实践

REST架构：原理、优势与最佳实践

1. REST架构约束

REST架构约束主要是设计规则，清晰传达了REST范式的独特特征。这些约束并非规定使用何种技术和工具，而是指明数据在客户端和服务器等组件之间的传输方式。
- 客户端与服务器分离 ：客户端和服务器之间有明确的分离，这种分离使得客户端 - 服务器应用程序能够独立开发和部署，一方的改进或变更不会影响另一方的功能，消除了依赖引发的问题。
- 无状态通信 ：服务器无需存储客户端调用上下文的会话信息，新请求可由任何服务器实例处理，但会话中客户端的认证细节可存储，以便会话内新请求无需再次通过身份和访问管理系统认证。
- 客户端缓存响应 ：由于每个服务器响应都带有缓存相关的决策和细节，客户端可以缓存服务器响应。
- 连接方式 ：客户端可以直接与服务器通信，也可通过代理或其他中介间接通信，这种分离增加了系统的灵活性，中介有助于满足可扩展性需求。
- 统一接口 ：各种Web应用程序组件（客户端、服务器和中介）之间的交互因接口的统一性而简化。若组件偏离既定标准，Web应用程序可能会崩溃。四个基本的HTTP操作（GET、POST、PUT和DELETE）为所有组件提供了所需的统一性，使其能清晰自信地查找、交互和完成任务。HEAD和OPTIONS操作主要处理元数据管理。
- 分层系统 ：分层和分级系统可降低开发和运营的复杂性。客户端和服务器之间的中间层（如网关和代理）可自动化交互的某些方面。代理通常是客户端选择的中介，提供数据翻译、性能提升和安全保护等服务接口；网关则是网络或服务器设置的中介，为特定服务提供接口。利用中介组件可显著降低交互延迟、加强安全并封装遗留系统。

约束类型	描述
客户端与服务器分离	独立开发部署，消除依赖问题
无状态通信	服务器不存会话信息，可由任意实例处理请求
客户端缓存响应	根据服务器响应缓存数据
连接方式	直接或间接通信，增加灵活性
统一接口	HTTP基本操作提供统一交互方式
分层系统	中间层自动化交互，降低复杂性

2. REST与SOAP的起源

简单对象访问协议（SOAP）是最初访问和使用服务的方法，它是基于XML的消息传递协议，用于计算机之间交换信息。但SOAP存在一些问题，因此出现了相对轻量级且面向服务的REST范式，随着Web应用和服务的爆发，构建有效的Web架构变得至关重要。

REST方法是一种著名的架构风格，与广泛使用的HTTP协议概念紧密相关。REST不规定组件实现和协议语法的细节，但包含对连接器、组件和数据的基本约束，为Web架构奠定基础。REST范式通过一组架构约束展示了简单的Web应用程序设计和开发方式，确保组件交互的可扩展性、标准接口和组件的独立部署。

3. REST的优势

• 高性能与低延迟 ：REST适用于需要快速服务请求和响应的场景，其API不仅支持XML和JSON，还支持更优化的二进制表示格式，如协议缓冲区或Avro，还可升级到HTTP/2.0。
• 支持资源导向架构（ROA） ：在REST规范中，一切都是资源，资源是RESTful API的构建块，可通过各种HTTP方法供其他应用程序查找和操作。每个资源都有唯一的URI，通过表示概念暴露其状态，不同资源的表示形式各异。
• 自描述消息 ：客户端通过请求消息表达期望状态，服务器通过响应消息将资源的当前状态传达给客户端。自描述消息可包含元数据，用于传达资源状态、表示格式和大小等详细信息。核心的HTTP操作（GET、PUT、DELETE和POST）可修改和更新资源状态，多个方可以无问题地与资源交互。

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    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;

    A(客户端请求):::process --> B(资源):::process
    B --> C(执行操作):::process
    C --> D(更新状态):::process
    D --> E(服务器响应):::process
    E --> A

4. REST与SOAP的比较

4.1 SOAP特点

SOAP是成熟稳定的协议，有许多标准规范，简化了服务的开发、部署、管理、治理和组合。它主要使用XML定义消息内容，Web服务描述语言（WSDL）可强制服务API和消费者之间使用正式合同。SOAP内置WS可靠消息传递标准，用于在异步执行和处理时提高服务安全性，还具备有状态操作能力用于会话状态管理。

4.2 REST特点

REST使用HTTP作为数据传输协议和基本的CRUD操作，易于理解，减轻了软件开发人员的工作负担。它消耗的网络带宽较少，设计为无状态，响应可在客户端缓存以保证更好的性能和可扩展性。REST本质上支持多种数据格式，最常用的是JSON，它能为Web浏览器和小型客户端提供更好的支持，与JavaScript的关联简化了API有效负载的使用。

4.3 何时选择REST或SOAP

• 开发公共API ：REST以资源为中心的操作方式使其易于理解和使用，响应易被Web浏览器消费，因此越来越多的应用从SOAP转向REST。
• 性能、灵活性和可扩展性 ：对于需要大量来回消息传递的应用，REST是更好的选择。当网络出现问题时，RESTful服务方法允许应用在连接恢复后重试，且由于其无状态特性，会话信息不存储在服务器上，服务可独立重试并实现水平扩展。
• 操作对象与资源 ：SOAP通过过程/方法请求远程访问和操作对象；REST专注于可在资源上执行的操作，因此在不需要将一组对象完整映射到客户端的情况下，REST优于SOAP，可避免浪费网络带宽和增加网络延迟。特别是在带宽受限的环境中，REST更具优势。对于移动应用消费的API和经常变化的公共API，REST是自然且通用的选择。

比较项	SOAP	REST
协议性质	成熟稳定，有标准规范	轻量级，面向服务
数据格式	主要使用XML	支持多种，常用JSON
状态管理	有状态操作	无状态设计
开发难度	较复杂	易于理解使用
网络带宽	消耗较多	消耗较少
适用场景	对安全性和状态管理要求高	公共API、移动应用等

5. REST微服务的最佳实践

5.1 有意义的命名

在请求头中提供有意义的名称很重要，例如在User - Agent属性中提供逻辑名称/{服务ID}，如User - Agent:EmployeeSearchService，这样在出现性能下降、内存浪费或用户负载激增等问题时，开发人员和性能工程师能轻松了解请求的来源和级联情况。

5.2 API管理

在基于REST的微服务架构中，一个微服务通过API访问另一个微服务，API是其他微服务的门面。因此，必须谨慎构建API，设计时要考虑未来需求，因为API方法签名的任何更改都可能影响依赖该API的多个微服务。API的使用、版本控制和管理在以API为中心的世界中尤为重要。

5.3 关联ID

为保证高可用性，微服务通常分布在多个服务器上，同一微服务可能有多个实例。为处理一个客户端请求，控制可能要经过多个微服务和实例。为了追踪问题，建议为每个客户端请求生成一个随机的UUID，并将其传递给每个内部服务请求。通过捕获日志文件，服务运营商可以轻松定位有问题的服务。

5.4 ELK实现

微服务数量众多，每个实例都会生成日志文件，管理员查看每个日志文件查找有用信息很困难。ELK（Elasticsearch、Logstash和Kibana）是开源软件，可紧密集成满足不同需求。Elasticsearch存储日志并提供模糊搜索功能，Logstash用于收集和转换不同来源的日志，Kibana是图形用户界面，帮助数据科学家、测试人员、开发人员和业务人员根据需求搜索日志。此外，还有开源和商业级解决方案可从微服务交互日志数据中提取日志、操作、性能、可扩展性和安全方面的见解。

5.5 弹性实现

有一些框架和解决方案可确保服务交互时的可靠性（弹性 + 弹性）。基于REST的微服务受欢迎不仅因为其极度简单，还因为服务通过HTTP直接（同步）通信，无需中介。但硬编码服务地址不可取，可使用服务发现机制（如Eureka或Consul），服务在这些高可用的集中式服务器上注册API地址，客户端服务可从中请求特定API地址以识别和利用适当的服务。

不过，基于REST的微服务也存在一些缺点：
- 阻塞问题 ：由于REST方法的同步性质，更新库存操作可能要等到通知服务完成通知所有相关客户的任务后才能继续。若有大量客户需要通知，系统性能会急剧下降。可采用管道模式解决此问题，消除点对点通信，由管道实体负责编排控制和数据流，使服务解耦，但服务需依赖管道编排。
- 异步消息传递 ：在基于消息的系统中，输入和输出服务可定义为命令或事件，通过消息队列/代理可靠接收感兴趣的事件。这种架构可提高灵活性、服务隔离性和自主性，便于添加、删除或修改服务，且能优雅处理服务故障。

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    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;

    A(客户端请求):::process --> B(微服务1):::process
    B --> C{是否成功}:::process
    C -->|是| D(结果返回):::process
    C -->|否| E(关联ID追踪):::process
    E --> F(定位问题服务):::process
    F --> G(修复处理):::process
    G --> B

随着技术日益复杂，通过各种实验得出的最佳实践和程序有助于架构师和开发人员创建战略上合理的软件系统。微服务作为生产级和可扩展业务及IT系统的最佳构建块，我们应关注如何利用成熟稳定的REST范式创建和维护关键业务且以微服务为中心的软件应用程序。

6. REST架构在实际应用中的案例分析

6.1 电商系统中的REST应用

以一个B2C电商系统为例，当某一特定商品重新有库存时，系统需要立即通知相关客户。在这个场景中，RESTful微服务可以很好地发挥作用。

• 服务交互流程 ：库存更新服务检测到商品库存增加后，通过RESTful API调用通知服务。通知服务接收到请求后，将通知消息发送给所有关注该商品的客户。
• 优势体现 ：这种基于REST的实现方式，使得服务之间的通信简单直接，无需复杂的中间件。同时，由于REST的无状态特性，每个服务可以独立部署和扩展，提高了系统的灵活性和可扩展性。

6.2 移动应用中的REST API

如今，移动应用广泛使用REST API来获取和更新数据。例如，一款社交应用需要从服务器获取用户的最新动态、消息和好友信息。

• 数据交互方式 ：移动客户端通过HTTP的GET请求从服务器获取数据，使用POST请求上传新的动态或消息，PUT请求更新用户信息，DELETE请求删除特定的数据。
• 性能优化 ：REST API支持缓存机制，客户端可以缓存服务器的响应，减少不必要的网络请求，提高应用的响应速度。同时，JSON数据格式简洁高效，适合移动设备的处理能力。

7. REST架构的未来发展趋势

7.1 与新兴技术的融合

• 人工智能与机器学习 ：REST API可以作为人工智能和机器学习模型的接口，将训练好的模型封装成服务，供其他应用调用。例如，图像识别服务可以通过REST API为电商应用提供商品图片的分类和标注功能。
• 物联网（IoT） ：在物联网场景中，大量的设备需要与云端服务器进行数据交互。REST架构的简单性和灵活性使其成为物联网设备与服务器通信的理想选择。设备可以通过REST API将传感器数据上传到云端，同时接收服务器的控制指令。

7.2 标准化与规范化

随着REST架构的广泛应用，对其进行标准化和规范化的需求也越来越强烈。未来，可能会出现更多的REST API设计规范和最佳实践，以提高API的互操作性和可维护性。例如，OpenAPI规范已经成为REST API文档化的事实标准，帮助开发者更好地理解和使用API。

8. 总结与建议

8.1 总结

REST架构以其简洁性、灵活性和可扩展性，在现代Web应用和微服务架构中发挥着重要作用。通过遵循REST架构约束，开发者可以构建出高性能、易于维护的软件系统。与传统的SOAP协议相比，REST在开发公共API、移动应用和处理大量数据交互方面具有明显优势。同时，在REST微服务的开发中，遵循有意义的命名、API管理、关联ID追踪、ELK日志分析和弹性实现等最佳实践，可以提高系统的可靠性和可维护性。

8.2 建议

• 开发者 ：对于开发者来说，深入理解REST架构的原理和最佳实践是非常必要的。在设计和开发REST API时，要注重接口的统一性和规范性，合理使用HTTP方法和状态码。同时，要关注REST与新兴技术的融合，不断提升自己的技术能力。
• 企业 ：企业在选择架构方案时，应根据自身的业务需求和技术栈，综合考虑REST和SOAP等协议的优缺点。对于大多数互联网应用和微服务架构，REST是一个不错的选择。在实施REST微服务时，要建立完善的API管理体系，确保API的质量和安全性。

角色	建议内容
开发者	深入理解REST原理和最佳实践，注重接口规范，关注新兴技术融合
企业	根据业务需求选择架构，建立API管理体系，确保API质量和安全

9. 附录：REST相关资源推荐

9.1 学习资料

• 在线教程 ：MDN Web Docs提供了详细的REST API开发教程，适合初学者入门。
• 书籍 ：《RESTful Web APIs》是一本深入讲解REST架构的经典书籍，对REST的原理、设计和实现进行了全面的阐述。

9.2 工具与框架

• Postman ：一款强大的API开发和测试工具，可以帮助开发者快速创建、发送和调试REST API请求。
• Spring Boot ：一个流行的Java开发框架，提供了丰富的REST API开发支持，简化了开发过程。

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    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;

    A(学习REST):::process --> B(阅读资料):::process
    B --> C(选择工具框架):::process
    C --> D(实践开发):::process
    D --> E(优化改进):::process
    E --> F(应用到项目):::process

通过以上内容，我们对REST架构有了更全面的了解。在实际应用中，合理运用REST架构和相关最佳实践，可以帮助我们构建出高效、可靠的软件系统。同时，关注REST架构的未来发展趋势，不断学习和创新，将有助于我们在技术领域保持领先地位。