1.1　Web应用开发概述

本节将介绍Web应用的基本概念、B/S与C/S架构的差异、B/S架构的工作原理以及HTTP协议。

1.1.1　什么是Web应用

Web应用（Web application），是指那些通过互联网访问和交互的软件应用程序。用户通常使用网络浏览器作为客户端来访问并与这些应用交互。Web应用与传统的桌面应用不同，它不需要在个人计算机上安装特定的软件，只需要一个支持的网页浏览器。它们通过互联网向用户提供服务和功能，无论用户身处何地，都能通过浏览器来访问这些应用。这种开放性、跨平台性以及无须安装的特点，让Web应用在现代社会中扮演着不可或缺的角色。

Web应用之所以能够如此灵活地为用户提供服务，要归功于一种被广泛采用的架构模式——B/S架构。B/S架构，也称为浏览器/服务器（browser/server）架构，是一种网络应用程序架构。在B/S架构中，用户界面和客户端逻辑大多数情况下都在网络浏览器中实现，而应用服务器则负责处理业务逻辑、数据和存储。

B/S架构将Web应用的构建分为前端和后端两个关键组成部分，它们各自担负着不同的任务，共同构筑一个无缝的用户体验。

1.前端：用户交互的界面

前端是用户直接互动的应用程序部分，即用户界面。在Web开发中，前端特指在浏览器中运行的部分，涵盖页面布局、设计和交互性功能。前端的核心任务是通过浏览器向用户展示Web应用的外观和功能。常用的Web前端技术如下。

　HTML：构建网页内容的结构。

　CSS：设定网页的样式和外观。

　JavaScript：赋予网页交互性。

　框架和库：如React、Angular、Vue.js等，用于开发复杂的前端应用。

前端开发者的职责包括构建用户友好的界面，确保应用在不同设备和浏览器上的兼容性，并优化整体的用户体验。

2.后端：数据处理的核心

后端是在服务器上运行的应用程序部分，负责处理业务逻辑和数据操作。在B/S架构中，后端从数据库检索数据，执行计算和逻辑处理，然后将结果传送至前端。后端开发涉及多种编程语言和框架，以便高效处理请求、管理数据，并响应用户的操作。常用的Web后端技术如下。

　编程语言：如Java、Python、Ruby、Node.js、PHP等。

　数据库：如MySQL、PostgreSQL、MongoDB等，用于数据存储。

　服务器：如Apache、Nginx、Tomcat等。

　框架：如Spring Boot（Java），Express.js（Node.js）、Django（Python）等。

后端开发者负责实现业务逻辑，保证数据的安全性和完整性，并构建供前端使用的API（application programming interface，应用程序编程接口）。

3.前后端协作：构建完整的Web应用

在B/S架构中，前端和后端通过HTTP协议通信，API定义了数据交换的方式。前端向后端发送请求以获取数据，后端处理这些请求并返回处理结果。这种协作机制为用户提供了丰富的应用功能，同时隐藏了底层技术细节。

如果开发者既懂前端开发，也懂后端开发，可以称为全栈（full stack）开发，全栈开发者有能力构建整个应用程序，从用户界面到服务器和数据库。全栈开发者可以参与项目的整个生命周期，从需求分析、设计、开发到部署和维护。

随着技术的进步，前端和后端的界限变得越来越模糊。例如，某些前端框架（如Next.js和Nuxt.js）提供后端功能，而某些后端技术（如Node.js）也可用于前端开发。

4.前后端架构分离

前后端分离是现代Web开发的重要趋势，它强调前端（用户界面）和后端（服务器逻辑和数据处理）之间的清晰界限。在这种架构下，前端通过API（通常是RESTful API）与后端交互。前端发送API请求，后端处理这些请求并以JSON或XML格式返回数据。这种模式使得一个后端能够支持多个前端应用（如Web、移动、桌面应用）。

与传统的静态网站不同，B/S架构中的Web应用可以动态生成页面内容。例如，根据用户的输入或数据库中的数据，服务器可以动态地生成HTML页面，这种方式通常称为服务端渲染，当然页面也可以在浏览器端根据服务端返回的数据生成，称为客户端渲染。

前后端分离还允许不同的开发团队使用各自的技术栈进行开发，并实现独立部署。这种独立性使得前后端可以根据需要进行单独的扩展，例如，增加后端服务器以应对增加的数据处理需求，而不影响前端。

目前，前后端分离技术主要采用客户端渲染方法，这一趋势得益于Ajax技术和现代JavaScript框架（如React、Angular和Vue.js）的发展。这些技术使得B/S架构中的前端和后端可以更加清晰地分离。前后端分离的方法将用户界面与业务逻辑和数据处理分开，带来了多种优势，但同时也面临如下一些挑战。

　安全性：API的开放性可能导致新的安全威胁，需要确保API端点的安全。

　CORS：前后端分离可能会遇到CORS（cross origin resource sharing，跨域资源共享）的问题，这需要特别处理，以确保资源的正确共享。

　SEO：传统的客户端渲染方法可能对SEO（search engine optimization，搜索引擎优化）产生不利影响。然而，现代的前端框架和工具，如服务器端渲染（SSR），已经可以有效地解决这一问题，提升网页在搜索引擎中的表现。

1.1.2　B/S架构与C/S架构

C/S（client/server）架构是一种两层架构，通常也称作客户端/服务器架构。在这个架构中，服务器运行服务端程序，而客户端设备上安装客户端软件。服务端负责后台业务逻辑和数据处理，而客户端则处理前端界面和用户交互。

C/S架构的主要优点是充分利用客户端PC的处理能力，提高响应速度。然而，这也意味着需要考虑不同操作系统和硬件平台的兼容性，并且在应用更新时需要逐个更新客户端软件。

相比之下，B/S架构特别适用于Web应用程序，如社交媒体、在线购物和博客平台。这种架构允许用户通过Web浏览器访问服务器上的功能，无须在本地设备上安装任何应用程序。

C/S架构和B/S架构的主要特点和差异如表1-1所示。

在选择这两种架构时，需要考虑多个因素，如应用的交互性、跨平台访问、维护和更新的需求、性能等。最终的选择通常取决于应用的性质和目标用户的需求。

例如，对于需要高度交互性和实时性能的应用，如在线游戏和图形处理应用，C/S架构可能更为合适。而对于需要跨平台、分布式访问和实时更新的Web应用，B/S架构更为理想。

1.1.3　B/S架构的工作原理

B/S架构中的数据交互过程开始于用户在浏览器中输入URL并按下Enter键，由此触发了一系列复杂的步骤。

（1）浏览器缓存检查。浏览器会检查它的缓存中是否有请求的URL的资源（包括页面、图片等）。如果存在匹配项且未过期，则浏览器可以直接从缓存中加载资源，而无须通过网络请求。

（2）DNS查询。如果资源不在缓存中，则浏览器会进行DNS查询，将可读的域名（如www.example.com）解析为一个IP地址。这通常涉及查询本地的DNS缓存、操作系统的DNS缓存、路由器的DNS缓存，或者可能是一个远程的DNS服务器。

（3）建立TCP连接。获取IP地址后，浏览器与目标服务器将建立一个TCP连接，以进行后续的通信。这个过程包括一个称为三次握手的过程。

（4）发送HTTP请求。TCP连接建立后，浏览器会通过这个连接发送一个HTTP请求到服务器。这个请求包括了请求的资源、方法（如GET或POST）和一些其他的头部信息。

（5）服务器处理。服务器收到HTTP请求后，通常会通过Web服务器软件（如Apache、Nginx或IIS）进行处理。对于动态内容，如PHP、Python或Node.js脚本，服务器可能会交给相应的处理器进行处理。

（6）服务器响应。服务器处理完成后，会发送一个HTTP响应回到浏览器。这个响应包括一个状态码（如200 OK、404 Not Found等）、响应头部信息，以及请求的实际数据或内容。

（7）HTTPS/TLS握手。如果URL的前缀是HTTPS，那么在TCP连接之后和发送HTTP请求之前，浏览器和服务器之间会进行TLS握手，以安全地加密和解密传输的数据。

（8）渲染页面。浏览器开始解析返回的HTML、CSS和JavaScript。它会构建DOM（文档对象模型）和CSSOM（CSS对象模型），并执行JavaScript，最后呈现页面给用户。

（9）加载其他资源。HTML页面可能还包含其他资源的引用，如图片、视频、CSS文件、JavaScript文件等。浏览器会继续为这些资源发起额外的HTTP请求，并在收到响应数据后进行处理或渲染。

（10）关闭TCP连接。数据传输完成后，浏览器和服务器会关闭TCP连接。但如果使用了HTTP/2协议，则连接可能会保持开放，用于后续的请求。

1.1.4　HTTP协议

浏览器与服务器之间数据的传输离不开通信协议，而B/S架构的核心是HTTP协议。HTTP是一种无状态的请求/响应协议，这意味着每个请求都是独立的，服务器不会“记住”之前的请求。HTTP有多种请求方法，如GET、POST、PUT、DELETE等，分别支持不同的操作。HTTP响应包括状态代码，如200 OK、404 Not Found等，用于表示请求的结果。

理解HTTP的无状态特性的关键点如下。

　独立的请求：每次HTTP请求都是完整的。从一个请求开始，服务器处理，然后返回响应，这个请求就结束了。服务器不会（基于HTTP协议本身）“记住”这个请求。

　无法记忆：假设你在一个电商网站上登录并添加了一个商品到购物车，但是当你尝试去结账时，如果HTTP是完全无状态的，则服务器会“忘记”你是谁以及你加入购物车的商品是什么。

　设计成无状态的原因：HTTP的无状态性有助于简化服务器的设计，因为服务器不需要保存与每个客户端的会话相关的信息。这也使得Web服务可以更轻松地扩展，因为新的请求可以由任何可用的服务器处理，而不必担心丢失与先前请求的状态相关的信息。尽管HTTP本身是无状态的，但Web应用往往需要维护管理状态（例如，跟踪用户是否登录，用户的购物车内容等）。为了解决这个问题，Web开发者使用了一些技巧和工具，如Cookies、URL参数、隐藏的表单字段和服务器端的session存储。

　Cookies：当用户首次登录一个网站时，服务器可能会发送一个Cookie给浏览器。此后，每次发出请求，浏览器都会自动携带这个Cookie，这样服务器就可以“识别”用户了。

　Session：服务器可以使用由Cookie或其他机制提供的ID来存储有关用户的状态信息。这些信息保存在服务器上，每次请求时，服务器可以使用ID来查找和使用该信息。

在后续章节中会详细介绍RESTful API设计，无状态是其核心原则之一。每个请求应该包含所有必要的信息供服务器处理。这确保了服务器可以自由地处理任何请求，而不需要考虑之前的请求。