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理解RESTful

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一、理解RESTful架构

越来越多的人开始意识到，网站即软件，而且是一种新型的软件。

这种”互联网软件”采用客户端/服务器模式，建立在分布式体系上，通过互联网通信，具有高延时（high latency）、高并发等特点。

网站开发，完全可以采用软件开发的模式。但是传统上，软件和网络是两个不同的领域，很少有交集；软件开发主要针对单机环境，网络则主要研究系统之间的通信。互联网的兴起，使得这两个领域开始融合，现在我们必须考虑，如何开发在互联网环境中使用的软件。

RESTful架构，就是目前最流行的一种互联网软件架构。它结构清晰、符合标准、易于理解、扩展方便，所以正得到越来越多网站的采用。

但是，到底什么是RESTful架构，并不是一个容易说清楚的问题。下面，我就谈谈我理解的RESTful架构。

1.1、起源

Fielding是一个非常重要的人，他是HTTP协议（1.0版和1.1版）的主要设计者、Apache服务器软件的作者之一、Apache基金会的第一任主席。所以，他的这篇论文一经发表，就引起了关注，并且立即对互联网开发产生了深远的影响。

他这样介绍论文的写作目的：

“本文研究计算机科学两大前沿—-软件和网络—-的交叉点。长期以来，软件研究主要关注软件设计的分类、设计方法的演化，很少客观地评估不同的设计选择对系统行为的影响。而相反地，网络研究主要关注系统之间通信行为的细节、如何改进特定通信机制的表现，常常忽视了一个事实，那就是改变应用程序的互动风格比改变互动协议，对整体表现有更大的影响。我这篇文章的写作目的，就是想在符合架构原理的前提下，理解和评估以网络为基础的应用软件的架构设计，得到一个功能强、性能好、适宜通信的架构。”

1.2、名称

Fielding将他对互联网软件的架构原则，定名为REST，即Representational State Transfer的缩写。我对这个词组的翻译是”表现层状态转化”。

如果一个架构符合REST原则，就称它为RESTful架构。

要理解RESTful架构，最好的方法就是去理解Representational State Transfer这个词组到底是什么意思，它的每一个词代表了什么涵义。如果你把这个名称搞懂了，也就不难体会REST是一种什么样的设计。

1.3、资源（Resources）

REST的名称”表现层状态转化”中，省略了主语。”表现层”其实指的是”资源”（Resources）的”表现层”。

所谓”资源”，就是网络上的一个实体，或者说是网络上的一个具体信息。它可以是一段文本、一张图片、一首歌曲、一种服务，总之就是一个具体的实在。你可以用一个URI（统一资源定位符）指向它，每种资源对应一个特定的URI。要获取这个资源，访问它的URI就可以，因此URI就成了每一个资源的地址或独一无二的识别符。

所谓”上网”，就是与互联网上一系列的”资源”互动，调用它的URI。

1.4、表现层（Representation）

“资源”是一种信息实体，它可以有多种外在表现形式。我们把”资源”具体呈现出来的形式，叫做它的”表现层”（Representation）。

比如，文本可以用txt格式表现，也可以用HTML格式、XML格式、JSON格式表现，甚至可以采用二进制格式；图片可以用JPG格式表现，也可以用PNG格式表现。

URI只代表资源的实体，不代表它的形式。严格地说，有些网址最后的”.html”后缀名是不必要的，因为这个后缀名表示格式，属于”表现层”范畴，而URI应该只代表”资源”的位置。它的具体表现形式，应该在HTTP请求的头信息中用Accept和Content-Type字段指定，这两个字段才是对”表现层”的描述。

1.5、状态转化（State Transfer）

访问一个网站，就代表了客户端和服务器的一个互动过程。在这个过程中，势必涉及到数据和状态的变化。

互联网通信协议HTTP协议，是一个无状态协议。这意味着，所有的状态都保存在服务器端。因此，如果客户端想要操作服务器，必须通过某种手段，让服务器端发生”状态转化”（State Transfer）。而这种转化是建立在表现层之上的，所以就是”表现层状态转化”。

客户端用到的手段，只能是HTTP协议。具体来说，就是HTTP协议里面，四个表示操作方式的动词：GET、POST、PUT、DELETE。它们分别对应四种基本操作：GET用来获取资源，POST用来新建资源（也可以用于更新资源），PUT用来更新资源，DELETE用来删除资源。

1.6、综述

综合上面的解释，我们总结一下什么是RESTful架构：

  • 每一个URI代表一种资源；
  • 客户端和服务器之间，传递这种资源的某种表现层；
  • 客户端通过四个HTTP动词，对服务器端资源进行操作，实现”表现层状态转化”。

1.7、误区

RESTful架构有一些典型的设计误区。

最常见的一种设计错误，就是URI包含动词。因为”资源”表示一种实体，所以应该是名词，URI不应该有动词，动词应该放在HTTP协议中。

举例来说，某个URI是/posts/show/1，其中show是动词，这个URI就设计错了，正确的写法应该是/posts/1，然后用GET方法表示show。

如果某些动作是HTTP动词表示不了的，你就应该把动作做成一种资源。比如网上汇款，从账户1向账户2汇款500元，错误的URI是：

POST /accounts/1/transfer/500/to/2

正确的写法是把动词transfer改成名词transaction，资源不能是动词，但是可以是一种服务：

POST /transaction HTTP/1.1
Host: 127.0.0.1
from=1&to=2&amount=500.00

另一个设计误区，就是在URI中加入版本号：

http://www.example.com/app/1.0/foo
http://www.example.com/app/1.1/foo
http://www.example.com/app/2.0/foo

因为不同的版本，可以理解成同一种资源的不同表现形式，所以应该采用同一个URI。版本号可以在HTTP请求头信息的Accept字段中进行区分（参见Versioning REST Services）：

Accept: vnd.example-com.foo+json; version=1.0
Accept: vnd.example-com.foo+json; version=1.1
Accept: vnd.example-com.foo+json; version=2.0

二、RESTful API 设计指南

网络应用程序，分为前端和后端两个部分。当前的发展趋势，就是前端设备层出不穷（手机、平板、桌面电脑、其他专用设备……）。

因此，必须有一种统一的机制，方便不同的前端设备与后端进行通信。这导致API构架的流行，甚至出现”API First”的设计思想。RESTful API是目前比较成熟的一套互联网应用程序的API设计理论。我以前写过一篇《理解RESTful架构》，探讨如何理解这个概念。

今天，我将介绍RESTful API的设计细节，探讨如何设计一套合理、好用的API。

2.1、协议

API与用户的通信协议，总是使用HTTPs协议。

2.2、域名

应该尽量将API部署在专用域名之下。

https://api.example.com

如果确定API很简单，不会有进一步扩展，可以考虑放在主域名下。

https://example.org/api/

2.3、版本（Versioning）

应该将API的版本号放入URL。

https://api.example.com/v1/

另一种做法是，将版本号放在HTTP头信息中，但不如放入URL方便和直观。Github采用这种做法。

2.4、路径（Endpoint）

路径又称”终点”（endpoint），表示API的具体网址。

在RESTful架构中，每个网址代表一种资源（resource），所以网址中不能有动词，只能有名词，而且所用的名词往往与数据库的表格名对应。一般来说，数据库中的表都是同种记录的”集合”（collection），所以API中的名词也应该使用复数。

举例来说，有一个API提供动物园（zoo）的信息，还包括各种动物和雇员的信息，则它的路径应该设计成下面这样。

https://api.example.com/v1/zoos
https://api.example.com/v1/animals
https://api.example.com/v1/employees

2.5、HTTP动词

对于资源的具体操作类型，由HTTP动词表示。

常用的HTTP动词有下面五个（括号里是对应的SQL命令）。

  • GET（SELECT）：从服务器取出资源（一项或多项）。
  • POST（CREATE）：在服务器新建一个资源。
  • PUT（UPDATE）：在服务器更新资源（客户端提供改变后的完整资源）。
  • PATCH（UPDATE）：在服务器更新资源（客户端提供改变的属性）。
  • DELETE（DELETE）：从服务器删除资源。

还有两个不常用的HTTP动词。

  • HEAD：获取资源的元数据。
  • OPTIONS：获取信息，关于资源的哪些属性是客户端可以改变的。

下面是一些例子。

  • GET /zoos：列出所有动物园
  • POST /zoos：新建一个动物园
  • GET /zoos/ID：获取某个指定动物园的信息
  • PUT /zoos/ID：更新某个指定动物园的信息（提供该动物园的全部信息）
  • PATCH /zoos/ID：更新某个指定动物园的信息（提供该动物园的部分信息）
  • DELETE /zoos/ID：删除某个动物园
  • GET /zoos/ID/animals：列出某个指定动物园的所有动物
  • DELETE /zoos/ID/animals/ID：删除某个指定动物园的指定动物

2.6、过滤信息（Filtering）

如果记录数量很多，服务器不可能都将它们返回给用户。API应该提供参数，过滤返回结果。

下面是一些常见的参数。

  • ?limit=10：指定返回记录的数量
  • ?offset=10：指定返回记录的开始位置。
  • ?page=2&per_page=100：指定第几页，以及每页的记录数。
  • ?sortby=name&order=asc：指定返回结果按照哪个属性排序，以及排序顺序。
  • ?animal_type_id=1：指定筛选条件

参数的设计允许存在冗余，即允许API路径和URL参数偶尔有重复。比如，GET /zoo/ID/animals 与 GET /animals?zoo_id=ID 的含义是相同的。

2.7、状态码（Status Codes）

服务器向用户返回的状态码和提示信息，常见的有以下一些（方括号中是该状态码对应的HTTP动词）。

  • 200 OK – [GET]：服务器成功返回用户请求的数据，该操作是幂等的（Idempotent）。
  • 201 CREATED – [POST/PUT/PATCH]：用户新建或修改数据成功。
  • 202 Accepted – [*]：表示一个请求已经进入后台排队（异步任务）
  • 204 NO CONTENT – [DELETE]：用户删除数据成功。
  • 400 INVALID REQUEST – [POST/PUT/PATCH]：用户发出的请求有错误，服务器没有进行新建或修改数据的操作，该操作是幂等的。
  • 401 Unauthorized – [*]：表示用户没有权限（令牌、用户名、密码错误）。
  • 403 Forbidden – [*] 表示用户得到授权（与401错误相对），但是访问是被禁止的。
  • 404 NOT FOUND – [*]：用户发出的请求针对的是不存在的记录，服务器没有进行操作，该操作是幂等的。
  • 406 Not Acceptable – [GET]：用户请求的格式不可得（比如用户请求JSON格式，但是只有XML格式）。
  • 410 Gone -[GET]：用户请求的资源被永久删除，且不会再得到的。
  • 422 Unprocesable entity – [POST/PUT/PATCH] 当创建一个对象时，发生一个验证错误。
  • 500 INTERNAL SERVER ERROR – [*]：服务器发生错误，用户将无法判断发出的请求是否成功。

2.8、错误处理（Error handling）

如果状态码是4xx，就应该向用户返回出错信息。一般来说，返回的信息中将error作为键名，出错信息作为键值即可。

{
    error: "Invalid API key"
}

2.9、返回结果

针对不同操作，服务器向用户返回的结果应该符合以下规范。

  • GET /collection：返回资源对象的列表（数组）
  • GET /collection/resource：返回单个资源对象
  • POST /collection：返回新生成的资源对象
  • PUT /collection/resource：返回完整的资源对象
  • PATCH /collection/resource：返回完整的资源对象
  • DELETE /collection/resource：返回一个空文档

2.10、Hypermedia API

RESTful API最好做到Hypermedia，即返回结果中提供链接，连向其他API方法，使得用户不查文档，也知道下一步应该做什么。

比如，当用户向api.example.com的根目录发出请求，会得到这样一个文档。

{"link": {
  "rel":   "collection https://www.example.com/zoos",
  "href":  "https://api.example.com/zoos",
  "title": "List of zoos",
  "type":  "application/vnd.yourformat+json"
}}

上面代码表示，文档中有一个link属性，用户读取这个属性就知道下一步该调用什么API了。rel表示这个API与当前网址的关系（collection关系，并给出该collection的网址），href表示API的路径，title表示API的标题，type表示返回类型。

Hypermedia API的设计被称为HATEOAS。Github的API就是这种设计，访问api.github.com会得到一个所有可用API的网址列表。

{
  "current_user_url": "https://api.github.com/user",
  "authorizations_url": "https://api.github.com/authorizations",
  // ...
}

从上面可以看到，如果想获取当前用户的信息，应该去访问api.github.com/user，然后就得到了下面结果。

{
  "message": "Requires authentication",
  "documentation_url": "https://developer.github.com/v3"
}

上面代码表示，服务器给出了提示信息，以及文档的网址。

2.11、其他

  • API的身份认证应该使用OAuth 2.0框架。
  • 服务器返回的数据格式，应该尽量使用JSON，避免使用XML。