从MVC到前后端分离（mvc模式和前后端分离）

从MVC到前后端分离（mvc模式和前后端分离）

1. 理解MVC

MVC是一种经典的设计模式，全名为Model-View-Controller，即模型-视图-控制器。

其中，模型是用于封装数据的载体，例如，在Java中一般通过一个简单的POJO（Plain Ordinary Java Object）来表示，其本质是一个普通的Java Bean，包含一系列的成员变量及其getter/setter方法。对于视图而言，它更加偏重于展现，也就是说，视图决定了界面到底长什么样子，在Java中可通过jsP来充当视图，或者通过纯HTML的方式进行展现，而后者才是目前的主流。模型和视图需要通过控制器来进行粘合，例如，用户发送一个HTTP请求，此时该请求首先会进入控制器，然后控制器去获取数据并将其封装为模型，最后将模型传递到视图中进行展现。

综上所述，MVC的交互过程如图1所示。

2. MVC模式的优点与不足

MVC模式早在上个世纪70年代就诞生了，直到今天它依然存在，可见生命力相当之强。MVC模式最早用于Smalltalk语言中，最后在其它许多开发语言中都得到了很好的应用，例如，Java中的Struts、Spring MVC等框架。正是因为这些MVC框架的出现，才让MVC模式真正落地，让开发更加高效，让代码耦合度尽量减小，让应用程序各部分的职责更加清晰。

既然MVC模式这么好，难道它就没有不足的地方吗？我认为MVC至少有以下三点不足：

每次请求必须经过“控制器->模型->视图”这个流程，用户才能看到最终的展现的界面，这个过程似乎有些复杂。

实际上视图是依赖于模型的，换句话说，如果没有模型，视图也无法呈现出最终的效果。

渲染视图的过程是在服务端来完成的，最终呈现给浏览器的是带有模型的视图页面，性能无法得到很好的优化。

为了使数据展现过程更加直接，并且提供更好的用户体验，我们有必要对MVC模式进行改进。不妨这样来尝试，首先从浏览器发送AJAX请求，然后服务端接受该请求并返回JSON数据返回给浏览器，最后在浏览器中进行界面渲染。

改进后的MVC模式如图2所示。

也就是说，我们输入的是AJAX请求，输出的是JSON数据，市面上有这样的技术来实现这个功能吗？答案是REST。

REST全称是Representational State Transfer（表述性状态转移），它是Roy Fielding博士在2000年写的一篇关于软件架构风格的论文，此文一出，威震四方！国内外许多知名互联网公司纷纷开始采用这种轻量级的Web服务，大家习惯将其称为RESTful Web Services，或简称REST服务。]

如果将浏览器这一端视为前端，而服务器那一端视为后端的话，可以将以上改进后的MVC模式简化为以下前后端分离模式，如图3所示。

可见，有了REST服务，前端关注界面展现，后端关注业务逻辑，分工明确，职责清晰。那么，如何使用REST服务将应用程序进行前后端分离呢？我们接下来继续探讨，首先我们需要认识REST。

3. 认识REST

REST本质上是使用URL来访问资源种方式。众所周知，URL就是我们平常使用的请求地址了，其中包括两部分：请求方式与请求路径，比较常见的请求方式是GET与POST，但在REST中又提出了几种其它类型的请求方式，汇总起来有六种：GET、POST、PUT、DELETE、HEAD、OPTIONS。尤其是前四种，正好与CRUD（Create-Retrieve-Update-Delete，增删改查）四种操作相对应，例如，GET（查）、POST（增）、PUT（改）、DELETE（删），这正是REST与CRUD的异曲同工之妙！需要强调的是，REST是“面向资源”的，这里提到的资源，实际上就是我们常说的领域对象，在系统设计过程中，我们经常通过领域对象来进行数据建模。

REST是一个“无状态”的架构模式，因为在任何时候都可以由客户端发出请求到服务端，最终返回自己想要的数据，当前请求不会受到上次请求的影响。也就是说，服务端将内部资源发布REST服务，客户端通过URL来访问这些资源，这不就是SOA所提倡的“面向服务”的思想吗？所以，REST也被人们看做是一种“轻量级”的SOA实现技术，因此在企业级应用与互联网应用中都得到了广泛应用。

下面我们举几个例子对REST请求进行简单描述：

可见，请求路径相同，但请求方式不同，所代表的业务操作也不同，例如，/advertiser/1这个请求，带有GET、PUT、DELETE三种不同的请求方式，对应三种不同的业务操作。

虽然REST看起来还是很简单的，实际上我们往往需要提供一个REST框架，让其实现前后端分离架构，让开发人员将精力集中在业务上，而并非那些具体的技术细节。下面我们将使用Java技术来实现这个REST框架，整体框架会基于Spring进行开发。

4. 实现REST框架

4.1 统一响应结构

使用REST框架实现前后端分离架构，我们需要首先确定返回的JSON响应结构是统一的，也就是说，每个REST请求将返回相同结构的JSON响应结构。不妨定义一个相对通用的JSON响应结构，其中包含两部分：元数据与返回值，其中，元数据表示操作是否成功与返回值消息等，返回值对应服务端方法所返回的数据。该JSON响应结构如下：

{

"meta": {

"success": true,

"message": "ok"

},

"data": ...

}

为了在框架中映射以上JSON响应结构，我们需要编写一个Response类与其对应：

public class Response {

private static final String OK = "ok";

private static final String ERROR = "error";

private Meta meta;

private Object data;

public Response success() {

this.meta = new Meta(true, OK);

return this;

}

public Response success(Object data) {

this.meta = new Meta(true, OK);

this.data = data;

return this;

}

public Response failure() {

this.meta = new Meta(false, ERROR);

return this;

}

public Response failure(String message) {

this.meta = new Meta(false, message);

return this;

}

public Meta getMeta() {

return meta;

}

public Object getData() {

return data;

}

public class Meta {

private boolean success;

private String message;

public Meta(boolean success) {

this.success = success;

}

public Meta(boolean success, String message) {

this.success = success;

this.message = message;

}

public boolean isSuccess() {

return success;

}

public String getMessage() {

return message;

}

}

}

以上Response类包括两类通用返回值消息：ok与error，还包括两个常用的操作方法：success( )与failure( )，通过一个内部类来展现元数据结构，我们在下文中多次会使用该Response类。

实现该REST框架需要考虑许多问题，首当其冲的就是对象序列化问题。

4.2 实现对象序列化

想要解释什么是对象序列化？不妨通过一些例子进行说明。比如，通过浏览器发送了一个普通的HTTP请求，该请求携带了一个JSON格式的参数，在服务端需要将该JSON参数转换为普通的Java对象，这个转换过程称为序列化。再比如，在服务端获取了数据，此时该数据是一个普通的Java对象，然后需要将这个Java对象转换为JSON字符串，并将其返回到浏览器中进行渲染，这个转换过程称为反序列化。不管是序列化还是反序列化，我们一般都称为序列化。

实际上，Spring MVC已经为我们提供了这类序列化特性，只需在Controller的方法参数中使用@RequestBody注解定义需要反序列化的参数即可，如以下代码片段：

@Controller

public class AdvertiserController {

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

public Response createAdvertiser(@RequestBody AdvertiserParam advertiserParam) {

...

}

}

若需要对Controller的方法返回值进行序列化，则需要在该返回值上使用@ResponseBody注解来定义，如以下代码片段：

@Controller

public class AdvertiserController {

@RequestMapping(value = "/advertiser/{id}", method = RequestMethod.GET)

public @ResponseBody Response getAdvertiser(@PathVariable("id") String advertiserId) {

...

}

}

当然，@ResponseBody注解也可以定义在类上，这样所有的方法都继承了该特性。由于经常会使用到@ResponseBody注解，所以Spring提供了一个名为@RestController的注解来取代以上的@Controller注解，这样我们就可以省略返回值前面的@ResponseBody注解了，但参数前面的@RequestBody注解是无法省略的。实际上，看看Spring中对应@RestController注解的源码便可知晓：

@Target({ElementType.TYPE})

@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)

@Documented

@Controller

@ResponseBody

public @interface RestController {

String value() default "";

}

可见，@RestController注解已经被@Controller与@ResponseBody注解定义过了，Spring框架会识别这类注解。需要注意的是，该特性在Spring 4.0中才引入。

因此，我们可将以上代码进行如下改写：

@RestController

public class AdvertiserController {

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

public Response createAdvertiser(@RequestBody AdvertiserParam advertiserParam) {

...

}

@RequestMapping(value = "/advertiser/{id}", method = RequestMethod.GET)

public Response getAdvertiser(@PathVariable("id") String advertiserId) {

...

}

}

除了使用注解来定义序列化行为以外，我们还需要使用Jackson来提供JSON的序列化操作，在Spring配置文件中只需添加以下配置即可：

若需要对Jackson的序列化行为进行定制，比如，排除值为空属性、进行缩进输出、将驼峰转为下划线、进行日期格式化等，这又如何实现呢？

首先，我们需要扩展Jackson提供的ObjectMapper类，代码如下：

public class CustomObjectMapper extends ObjectMapper {

private boolean camelCaseToLowerCaseWithUnderscores = false;

private String dateFormatPattern;

public void setCamelCaseToLowerCaseWithUnderscores(boolean camelCaseToLowerCaseWithUnderscores) {

this.camelCaseToLowerCaseWithUnderscores = camelCaseToLowerCaseWithUnderscores;

}

public void setDateFormatPattern(String dateFormatPattern) {

this.dateFormatPattern = dateFormatPattern;

}

public void init() {

// 排除值为空属性

setSerializationInclusion(JsonInclude.Include.NON_NULL);

// 进行缩进输出

configure(SerializationFeature.INDENT_OUTPUT, true);

// 将驼峰转为下划线

if (camelCaseToLowerCaseWithUnderscores) {

setPropertyNamingStrategy(PropertyNamingStrategy.CAMEL_CASE_TO_LOWER_CASE_WITH_UNDERSCORES);

}

// 进行日期格式化

if (StringUtil.isNotEmpty(dateFormatPattern)) {

DateFormat dateFormat = new SimpleDateFormat(dateFormatPattern);

setDateFormat(dateFormat);

}

}

}

然后，将CustomObjectMapper注入到MappingJackson2HttpMessageConverter中，Spring配置如下：

通过以上过程，我们已经完成了一个基于Spring MVC的REST框架，只不过该框架还非常单薄，还缺乏很多关键性特性，尤其是异常处理。

4.3 处理异常行为

在Spring MVC中，我们可以使用AOP技术，编写一个全局的异常处理切面类，用它来统一处理所有的异常行为，在Spring 3.2中才开始提供。使用法很简单，只需定义一个类，并通过@ControllerAdvice注解将其标注即可，同时需要使用@ResponseBody注解表示返回值可序列化为JSON字符串。代码如下：

@ControllerAdvice

@ResponseBody

public class ExceptionAdvice {

/**

* 400 - Bad Request

*/

@ResponseStatus(HttpStatus.BAD_REQUEST)

@ExceptionHandler(HttpMessageNotReadableException.class)

public Response handleHttpMessageNotReadableException(HttpMessageNotReadableException e) {

logger.error("参数解析失败", e);

return new Response().failure("could_not_read_json");

}

/**

* 405 - Method Not Allowed

*/

@ResponseStatus(HttpStatus.METHOD_NOT_ALLOWED)

@ExceptionHandler(HttpRequestMethodNotSupportedException.class)

public Response handleHttpRequestMethodNotSupportedException(HttpRequestMethodNotSupportedException e) {

logger.error("不支持当前请求方法", e);

return new Response().failure("request_method_not_supported");

}

/**

* 415 - Unsupported Media Type

*/

@ResponseStatus(HttpStatus.UNSUPPORTED_MEDIA_TYPE)

@ExceptionHandler(HttpMediaTypeNotSupportedException.class)

public Response handleHttpMediaTypeNotSupportedException(Exception e) {

logger.error("不支持当前媒体类型", e);

return new Response().failure("content_type_not_supported");

}

/**

* 500 - Internal Server Error

*/

@ResponseStatus(HttpStatus.INTERNAL_SERVER_ERROR)

@ExceptionHandler(Exception.class)

public Response handleException(Exception e) {

logger.error("服务运行异常", e);

return new Response().failure(e.getMessage());

}

}

可见，在ExceptionAdvice类中包含一系列的异常处理方法，每个方法都通过@ResponseStatus注解定义了响应状态码，此外还通过@ExceptionHandler注解指定了具体需要拦截的异常类。以上过程只是包含了一部分的异常情况，若需处理其它异常，可添加方法具体的方法。需要注意的是，在运行时从上往下依次调用每个异常处理方法，匹配当前异常类型是否与@ExceptionHandler注解所定义的异常相匹配，若匹配，则执行该方法，同时忽略后续所有的异常处理方法，最终会返回经JSON序列化后的Response对象。

4.4 支持参数验证

我们回到上文所提到的示例，这里处理一个普通的POST请求，代码如下：

@RestController

public class AdvertiserController {

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

public Response createAdvertiser(@RequestBody AdvertiserParam advertiserParam) {

...

}

}

其中，AdvertiserParam参数包含若干属性，通过以下类结构可见，它是一个传统的POJO：

public class AdvertiserParam {

private String advertiserName;

private String description;

// 省略 getter/setter 方法

}

如果业务上需要确保AdvertiserParam对象的advertiserName属性必填，如何实现呢？

若将这类参数验证的代码写死在Controller中，势必会与正常的业务逻辑搅在一起，导致责任不够单一，违背于“单一责任原则”。建议将其参数验证行为从Controller中剥离出来，放到另外的类中，这里仅提供一个@Valid注解来定义AdvertiserParam参数，并在AdvertiserParam类中通过@NotEmpty注解来定义advertiserName属性，就像下面这样：

@RestController

public class AdvertiserController {

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

public Response createAdvertiser(@RequestBody @Valid AdvertiserParam advertiserParam) {

...

}

}

public class AdvertiserParam {

@NotEmpty

private String advertiserName;

private String description;

// 省略 getter/setter 方法

}

这里的@Valid注解实际上是Validation Bean规范提供的注解，该规范已由Hibernate Validator框架实现，因此需要添加以下Maven依赖到pom.xml文件中：

org.hibernate

hibernate-validator

${hibernate-validator.version}

需要注意的是，Hibernate Validator与Hibernate没有任何依赖关系，唯一有联系的只是都属于JBoss公司的开源项目而已。

要实现@NotEmpty注解的功能，我们需要做以下几件事情。

首先，定义一个@NotEmpty注解类，代码如下：

@Documented

@Target({ElementType.FIELD, ElementType.PARAMETER})

@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)

@Constraint(validatedBy = NotEmptyValidator.class)

public @interface NotEmpty {

String message() default "not_empty";

Class>[] groups() default {};

Class extends Payload>[] payload() default {};

}

以上注解类必须包含message、groups、payload三个属性，因为这是规范所要求的，此外，需要通过@Constraint注解指定一个验证器类，这里对应的是NotEmptyValidator，其代码如下：

public class NotEmptyValidator implements ConstraintValidator {

@Override

public void initialize(NotEmpty constraintAnnotation) {

}

@Override

public boolean isValid(String value, ConstraintValidatorContext context) {

return StringUtil.isNotEmpty(value);

}

}

以上验证器类实现了ConstraintValidator接口，并在该接口的isValid( )方法中完成了具体的参数验证逻辑。需要注意的是，实现接口时需要指定泛型，第一个参数表示验证注解类型（NotEmpty），第二个参数表示需要验证的参数类型（String）。

然后，我们需要在Spring配置文件中开启该特性，需添加如下配置：

最后，需要在全局异常处理类中添加参数验证处理方法，代码如下：

@ControllerAdvice

@ResponseBody

public class ExceptionAdvice {

/**

* 400 - Bad Request

*/

@ResponseStatus(HttpStatus.BAD_REQUEST)

@ExceptionHandler(ValidationException.class)

public Response handleValidationException(ValidationException e) {

logger.error("参数验证失败", e);

return new Response().failure("validation_exception");

}

}

至此，REST框架已集成了Bean Validation特性，我们可以使用各种注解来完成所需的参数验证行为了。

看似该框架可以在本地成功跑起来，整个架构包含两个应用，前端应用提供纯静态的HTML页面，后端应用发布REST API，前端需要通过AJAX调用后端发布的REST API，然而AJAX是不支持跨域访问的，也就是说，前后端两个应用必须在同一个域名下才能访问。这是非常严重的技术障碍，一定需要找到解决方案。

4.5 解决跨域问题

比如，前端应用为静态站点且部署在http://web.xxx.com域下，后端应用发布REST API并部署在http://api.xxx.com域下，如何使前端应用通过AJAX跨域访问后端应用呢？这需要使用到CORS技术来实现，这也是目前最好的解决方案了。

[CORS全称为Cross Origin Resource Sharing（跨域资源共享），服务端只需添加相关响应头信息，即可实现客户端发出AJAX跨域请求。]

CORS技术非常简单，易于实现，目前绝大多数浏览器均已支持该技术（IE8浏览器也支持了），服务端可通过任何编程语言来实现，只要能将CORS响应头写入response对象中即可。

下面我们继续扩展REST框架，通过CORS技术实现AJAX跨域访问。

首先，我们需要编写一个Filter，用于过滤所有的HTTP请求，并将CORS响应头写入response对象中，代码如下：

public class CorsFilter implements Filter {

private String allowOrigin;

private String allowMethods;

private String allowCredentials;

private String allowHeaders;

private String exposeHeaders;

@Override

public void init(FilterConfig filterConfig) throws ServletException {

allowOrigin = filterConfig.getInitParameter("allowOrigin");

allowMethods = filterConfig.getInitParameter("allowMethods");

allowCredentials = filterConfig.getInitParameter("allowCredentials");

allowHeaders = filterConfig.getInitParameter("allowHeaders");

exposeHeaders = filterConfig.getInitParameter("exposeHeaders");

}

@Override

public void doFilter(ServletRequest req, ServletResponse res, FilterChain chain) throws IOException, ServletException {

HttpServletRequest request = (HttpServletRequest) req;

HttpServletResponse response = (HttpServletResponse) res;

if (StringUtil.isNotEmpty(allowOrigin)) {

List allowOriginList = Arrays.asList(allowOrigin.split(","));

if (CollectionUtil.isNotEmpty(allowOriginList)) {

String currentOrigin = request.getHeader("Origin");

if (allowOriginList.contains(currentOrigin)) {

response.setHeader("Access-Control-Allow-Origin", currentOrigin);

}

}

}

if (StringUtil.isNotEmpty(allowMethods)) {

response.setHeader("Access-Control-Allow-Methods", allowMethods);

}

if (StringUtil.isNotEmpty(allowCredentials)) {

response.setHeader("Access-Control-Allow-Credentials", allowCredentials);

}

if (StringUtil.isNotEmpty(allowHeaders)) {

response.setHeader("Access-Control-Allow-Headers", allowHeaders);

}

if (StringUtil.isNotEmpty(exposeHeaders)) {

response.setHeader("Access-Control-Expose-Headers", exposeHeaders);

}

chain.doFilter(req, res);

}

@Override

public void destroy() {

}

}

以上CorsFilter将从web.xml中读取相关Filter初始化参数，并将在处理HTTP请求时将这些参数写入对应的CORS响应头中，下面大致描述一下这些CORS响应头的意义：

Access-Control-Allow-Origin：允许访问的客户端域名，例如：http://web.xxx.com，若为*，则表示从任意域都能访问，即不做任何限制。

Access-Control-Allow-Methods：允许访问的方法名，多个方法名用逗号分割，例如：GET,POST,PUT,DELETE,OPTIONS。

Access-Control-Allow-Credentials：是否允许请求带有验证信息，若要获取客户端域下的cookie时，需要将其设置为true。

Access-Control-Allow-Headers：允许服务端访问的客户端请求头，多个请求头用逗号分割，例如：Content-Type。

Access-Control-Expose-Headers：允许客户端访问的服务端响应头，多个响应头用逗号分割。

需要注意的是，CORS规范中定义Access-Control-Allow-Origin只允许两种取值，要么为*，要么为具体的域名，也就是说，不支持同时配置多个域名。为了解决跨多个域的问题，需要在代码中做一些处理，这里将Filter初始化参数作为一个域名的集合（用逗号分隔），只需从当前请求中获取Origin请求头，就知道是从哪个域中发出的请求，若该请求在以上允许的域名集合中，则将其放入Access-Control-Allow-Origin响应头，这样跨多个域的问题就轻松解决了。

以下是web.xml中配置CorsFilter的方法：

corsFilter

com.xxx.api.cors.CorsFilter

allowOrigin

http://web.xxx.com

allowMethods

GET,POST,PUT,DELETE,OPTIONS

allowCredentials

true

allowHeaders

Content-Type

corsFilter

/*

完成以上过程即可实现AJAX跨域功能了，但似乎还存在另外一个问题，由于REST是无状态的，后端应用发布的REST API可在用户未登录的情况下被任意调用，这显然是不安全的，如何解决这个问题呢？我们需要为REST请求提供安全机制。

4.6 提供安全机制

解决REST安全调用问题，可以做得很复杂，也可以做得特简单，可按照以下过程提供REST安全机制：

当用户登录成功后，在服务端生成一个token，并将其放入内存中（可放入JVM或Redis中），同时将该token返回到客户端。

在客户端中将返回的token写入cookie中，并且每次请求时都将token随请求头一起发送到服务端。

提供一个AOP切面，用于拦截所有的Controller方法，在切面中判断token的有效性。

当登出时，只需清理掉cookie中的token即可，服务端token可设置过期时间，使其自行移除。

首先，我们需要定义一个用于管理token的接口，包括创建token与检查token有效性的功能。代码如下：

public interface TokenManager {

String createToken(String username);

boolean checkToken(String token);

}

然后，我们可提供一个简单的TokenManager实现类，将token存储到JVM内存中。代码如下：

public class DefaultTokenManager implements TokenManager {

private static Map tokenMap = new ConcurrentHashMap<>();

@Override

public String createToken(String username) {

String token = CodecUtil.createUUID();

tokenMap.put(token, username);

return token;

}

@Override

public boolean checkToken(String token) {

return !StringUtil.isEmpty(token) && tokenMap.containsKey(token);

}

}

需要注意的是，如果需要做到分布式集群，建议基于Redis提供一个实现类，将token存储到Redis中，并利用Redis与生俱来的特性，做到token的分布式一致性。

然后，我们可以基于Spring AOP写一个切面类，用于拦截Controller类的方法，并从请求头中获取token，最后对token有效性进行判断。代码如下：

public class SecurityAspect {

private static final String DEFAULT_TOKEN_NAME = "X-Token";

private TokenManager tokenManager;

private String tokenName;

public void setTokenManager(TokenManager tokenManager) {

this.tokenManager = tokenManager;

}

public void setTokenName(String tokenName) {

if (StringUtil.isEmpty(tokenName)) {

tokenName = DEFAULT_TOKEN_NAME;

}

this.tokenName = tokenName;

}

public Object execute(ProceedingJoinPoint pjp) throws Throwable {

// 从切点上获取目标方法

MethodSignature methodSignature = (MethodSignature) pjp.getSignature();

Method method = methodSignature.getMethod();

// 若目标方法忽略了安全性检查，则直接调用目标方法

if (method.isAnnotationPresent(IgnoreSecurity.class)) {

return pjp.proceed();

}

// 从 request header 中获取当前 token

String token = WebContext.getRequest().getHeader(tokenName);

// 检查 token 有效性

if (!tokenManager.checkToken(token)) {

String message = String.format("token [%s] is invalid", token);

throw new TokenException(message);

}

// 调用目标方法

return pjp.proceed();

}

}

若要使SecurityAspect生效，则需要添加如下Spring 配置：

最后，别忘了在web.xml中添加允许的X-Token响应头，配置如下：

allowHeaders

Content-Type,X-Token

总结

本文从经典的MVC模式开始，对MVC模式是什么以及该模式存在的不足进行了简述。然后引出了如何对MVC模式的改良，让其转变为前后端分离架构，以及解释了为何要进行前后端分离。最后通过REST服务将前后端进行解耦，并提供了一款基于Java的REST框架的主要实现过程，尤其是需要注意的核心技术问题及其解决方案。希望本文对正在探索前后端分离的读者们有所帮助，期待与大家共同探讨。

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