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1.11 Java和因特网

既然Java不过另一种类型的程序设计语言,大家可能会奇怪它为什么值得如此重视,为什么还有这么多的人认为它是计算机程序设计的一个里程碑呢?如果您来自一个传统的程序设计背景,那么答案在刚开始的时候并不是很明显。Java除了可解决传统的程序设计问题以外,还能解决World Wide Web(万维网)上的编程问题。

1.11.1 什么是Web?

Web这个词刚开始显得有些泛泛,似乎“冲浪”、“网上存在”以及“主页”等等都和它拉上了一些关系。甚至还有一种“Internet综合症”的说法,对许多人狂热的上网行为提出了质疑。我们在这里有必要作一些深入的探讨,但在这之前,必须理解客户机/服务器系统的概念,这是充斥着许多令人迷惑的问题的又一个计算领域。

1. 客户机/服务器计算

客户机/服务器系统的基本思想是我们能在一个统一的地方集中存放信息资源。一般将数据集中保存在某个数据库中,根据其他人或者机器的请求将信息投递给对方。客户机/服务器概述的一个关键在于信息是“集中存放”的。所以我们能方便地更改信息,然后将修改过的信息发放给信息的消费者。将各种元素集中到一起,信息仓库、用于投递信息的软件以及信息及软件所在的那台机器,它们联合起来便叫作“服务器”(Server)。而对那些驻留在远程机器上的软件,它们需要与服务器通信,取回信息,进行适当的处理,然后在远程机器上显示出来,这些就叫作“客户”(Client)。

这样看来,客户机/服务器的基本概念并不复杂。这里要注意的一个主要问题是单个服务器需要同时向多个客户提供服务。在这一机制中,通常少不了一套数据库管理系统,使设计人员能将数据布局封装到表格中,以获得最优的使用。除此以外,系统经常允许客户将新信息插入一个服务器。这意味着必须确保客户的新数据不会与其他客户的新数据冲突,或者说需要保证那些数据在加入数据库的时候不会丢失(用数据库的术语来说,这叫作“事务处理”)。客户软件发生了改变之后,它们必须在客户机器上构建、调试以及安装。所有这些会使问题变得比我们一般想象的复杂得多。另外,对多种类型的计算机和操作系统的支持也是一个大问题。最后,性能的问题显得尤为重要:可能会有数百个客户同时向服务器发出请求。所以任何微小的延误都是不能忽视的。为尽可能缓解潜伏的问题,程序员需要谨慎地分散任务的处理负担。一般可以考虑让客户机负担部分处理任务,但有时亦可分派给服务器所在地的其他机器,那些机器亦叫作“中间件”(中间件也用于改进对系统的维护)。

所以在具体实现的时候,其他人发布信息这样一个简单的概念可能变得异常复杂。有时甚至会使人产生完全无从着手的感觉。客户机/服务器的概念在这时就可以大显身手了。事实上,大约有一半的程序设计活动都可以采用客户机/服务器的结构。这种系统可负责从处理订单及信用卡交易,一直到发布各类数据的方方面面的任务——股票市场、科学研究、政府运作等等。在过去,我们一般为单独的问题采取单独的解决方案;每次都要设计一套新方案。这些方案无论创建还是使用都比较困难,用户每次都要学习和适应新界面。客户机/服务器问题需要从根本上加以变革!

2. Web是一个巨大的服务器

Web实际就是一套规模巨大的客户机/服务器系统。但它的情况要复杂一些,因为所有服务器和客户都同时存在于单个网络上面。但我们没必要了解更进一步的细节,因为唯一要关心的就是一次建立同一个服务器的连接,并同它打交道(即使可能要在全世界的范围内搜索正确的服务器)。

最开始的时候,这是一个简单的单向操作过程。我们向一个服务器发出请求,它向我们回传一个文件,由于本机的浏览器软件(亦即“客户”或“客户程序”)负责解释和格式化,并在我们面前的屏幕上正确地显示出来。但人们不久就不满足于只从一个服务器传递网页。他们希望获得完全的客户机/服务器能力,使客户(程序)也能反馈一些信息到服务器。比如希望对服务器上的数据库进行检索,向服务器添加新信息,或者下一份订单等等(这也提供了比以前的系统更高的安全要求)。在Web的发展过程中,我们可以很清晰地看出这些令人心喜的变化。

Web浏览器的发展终于迈出了重要的一步:某个信息可在任何类型的计算机上显示出来,毋需任何改动。然而,浏览器仍然显得很原始,在用户迅速增多的要求面前显得有些力不从心。它们的交互能力不够强,而且对服务器和因特网都造成了一定程度的干扰。这是由于每次采取一些要求编程的操作时,必须将信息反馈回服务器,在服务器那一端进行处理。所以完全可能需要等待数秒乃至数分钟的时间才会发现自己刚才拼错了一个单词。由于浏览器只是一个纯粹的查看程序,所以连最简单的计算任务都不能进行(当然在另一方面,它也显得非常安全,因为不能在本机上面执行任何程序,避开了程序错误或者病毒的骚扰)。

为解决这个问题,人们采取了许多不同的方法。最开始的时候,人们对图形标准进行了改进,使浏览器能显示更好的动画和视频。为解决剩下的问题,唯一的办法就是在客户端(浏览器)内运行程序。这就叫作“客户端编程”,它是对传统的“服务器端编程”的一个非常重要的拓展。

1.11.2 客户端编程(注释⑧)

Web最初采用的“服务器-浏览器”方案可提供交互式内容,但这种交互能力完全由服务器提供,为服务器和因特网带来了不小的负担。服务器一般为客户浏览器产生静态网页,由后者简单地解释并显示出来。基本HTML语言提供了简单的数据收集机制:文字输入框、复选框、单选钮、列表以及下拉列表等,另外还有一个按钮,只能由程序规定重新设置表单中的数据,以便回传给服务器。用户提交的信息通过所有Web服务器均能支持的“通用网关接口”(CGI)回传到服务器。包含在提交数据中的文字指示CGI该如何操作。最常见的行动是运行位于服务器的一个程序。那个程序一般保存在一个名为“cgi-bin”的目录中(按下Web页内的一个按钮时,请注意一下浏览器顶部的地址窗,经常都能发现“cgi-bin”的字样)。大多数语言都可用来编制这些程序,但其中最常见的是Perl。这是由于Perl是专为文字的处理及解释而设计的,所以能在任何服务器上安装和使用,无论采用的处理器或操作系统是什么。

⑧:本节内容改编自某位作者的一篇文章。那篇文章最早出现在位于www.mainspring.com的Mainspring上。本节的采用已征得了对方的同意。

今天的许多Web站点都严格地建立在CGI的基础上,事实上几乎所有事情都可用CGI做到。唯一的问题就是响应时间。CGI程序的响应取决于需要传送多少数据,以及服务器和因特网两方面的负担有多重(而且CGI程序的启动比较慢)。Web的早期设计者并未预料到当初绰绰有余的带宽很快就变得不够用,这正是大量应用充斥网上造成的结果。例如,此时任何形式的动态图形显示都几乎不能连贯地显示,因为此时必须创建一个GIF文件,再将图形的每种变化从服务器传递给客户。而且大家应该对输入表单上的数据校验有着深刻的体会。原来的方法是我们按下网页上的提交按钮(Submit);数据回传给服务器;服务器启动一个CGI程序,检查用户输入是否有错;格式化一个HTML页,通知可能遇到的错误,并将这个页回传给我们;随后必须回到原先那个表单页,再输入一遍。这种方法不仅速度非常慢,也显得非常繁琐。

解决的办法就是客户端的程序设计。运行Web浏览器的大多数机器都拥有足够强的能力,可进行其他大量工作。与此同时,原始的静态HTML方法仍然可以采用,它会一直等到服务器送回下一个页。客户端编程意味着Web浏览器可获得更充分的利用,并可有效改善Web服务器的交互(互动)能力。

对客户端编程的讨论与常规编程问题的讨论并没有太大的区别。采用的参数肯定是相同的,只是运行的平台不同:Web浏览器就象一个有限的操作系统。无论如何,我们仍然需要编程,仍然会在客户端编程中遇到大量问题,同时也有很多解决的方案。在本节剩下的部分里,我们将对这些问题进行一番概括,并介绍在客户端编程中采取的对策。

1. 插件

朝客户端编程迈进的时候,最重要的一个问题就是插件的设计。利用插件,程序员可以方便地为浏览器添加新功能,用户只需下载一些代码,把它们“插入”浏览器的适当位置即可。这些代码的作用是告诉浏览器“从现在开始,你可以进行这些新活动了”(仅需下载这些插入一次)。有些快速和功能强大的行为是通过插件添加到浏览器的。但插件的编写并不是一件简单的任务。在我们构建一个特定的站点时,可能并不希望涉及这方面的工作。对客户端程序设计来说,插件的价值在于它允许专业程序员设计出一种新的语言,并将那种语言添加到浏览器,同时不必经过浏览器原创者的许可。由此可以看出,插件实际是浏览器的一个“后门”,允许创建新的客户端程序设计语言(尽管并非所有语言都是作为插件实现的)。

2. 脚本编制语言

插件造成了脚本编制语言的爆炸性增长。通过这种脚本语言,可将用于自己客户端程序的源码直接插入HTML页,而对那种语言进行解释的插件会在HTML页显示的时候自动激活。脚本语言一般都倾向于尽量简化,易于理解。而且由于它们是从属于HTML页的一些简单正文,所以只需向服务器发出对那个页的一次请求,即可非常快地载入。缺点是我们的代码全部暴露在人们面前。另一方面,由于通常不用脚本编制语言做过份复杂的事情,所以这个问题暂且可以放在一边。

脚本语言真正面向的是特定类型问题的解决,其中主要涉及如何创建更丰富、更具有互动能力的图形用户界面(GUI)。然而,脚本语言也许能解决客户端编程中80%的问题。你碰到的问题可能完全就在那80%里面。而且由于脚本编制语言的宗旨是尽可能地简化与快速,所以在考虑其他更复杂的方案之前(如Java及ActiveX),首先应想一下脚本语言是否可行。

目前讨论得最多的脚本编制语言包括JavaScript(它与Java没有任何关系;之所以叫那个名字,完全是一种市场策略)、VBScript(同Visual Basic很相似)以及Tcl/Tk(来源于流行的跨平台GUI构造语言)。当然还有其他许多语言,也有许多正在开发中。

JavaScript也许是目常用的,它得到的支持也最全面。无论NetscapeNavigator,Microsoft Internet Explorer,还是Opera,目前都提供了对JavaScript的支持。除此以外,市面上讲述JavaScript的书籍也要比讲述其他语言的书多得多。有些工具还能利用JavaScript自动产生网页。当然,如果你已经有Visual Basic或者Tcl/Tk的深厚功底,当然用它们要简单得多,起码可以避免学习新语言的烦恼(解决Web方面的问题就已经够让人头痛了)。

3. Java

如果说一种脚本编制语言能解决80%的客户端程序设计问题,那么剩下的20%又该怎么办呢?它们属于一些高难度的问题吗?目前最流行的方案就是Java。它不仅是一种功能强大、高度安全、可以跨平台使用以及国际通用的程序设计语言,也是一种具有旺盛生命力的语言。对Java的扩展是不断进行的,提供的语言特性和库能够很好地解决传统语言不能解决的问题,比如多线程操作、数据库访问、连网程序设计以及分布式计算等等。Java通过“程序片”(Applet)巧妙地解决了客户端编程的问题。

程序片(或“小应用程序”)是一种非常小的程序,只能在Web浏览器中运行。作为Web页的一部分,程序片代码会自动下载回来(这和网页中的图片差不多)。激活程序片后,它会执行一个程序。程序片的一个优点体现在:通过程序片,一旦用户需要客户软件,软件就可从服务器自动下载回来。它们能自动取得客户软件的最新版本,不会出错,也没有重新安装的麻烦。由于Java的设计原理,程序员只需要创建程序的一个版本,那个程序能在几乎所有计算机以及安装了Java解释器的浏览器中运行。由于Java是一种全功能的编程语言,所以在向服务器发出一个请求之前,我们能先在客户端做完尽可能多的工作。例如,再也不必通过因特网传送一个请求表单,再由服务器确定其中是否存在一个拼写或者其他参数错误。大多数数据校验工作均可在客户端完成,没有必要坐在计算机前面焦急地等待服务器的响应。这样一来,不仅速度和响应的灵敏度得到了极大的提高,对网络和服务器造成的负担也可以明显减轻,这对保障因特网的畅通是至关重要的。

与脚本程序相比,Java程序片的另一个优点是它采用编译好的形式,所以客户端看不到源码。当然在另一方面,反编译Java程序片也并不是件难事,而且代码的隐藏一般并不是个重要的问题。大家要注意另外两个重要的问题。正如本书以前会讲到的那样,编译好的Java程序片可能包含了许多模块,所以要多次“命中”(访问)服务器以便下载(在Java 1.1中,这个问题得到了有效的改善——利用Java压缩档,即JAR文件——它允许设计者将所有必要的模块都封装到一起,供用户统一下载)。在另一方面,脚本程序是作为Web页正文的一部分集成到Web页内的。这种程序一般都非常小,可有效减少对服务器的点击数。另一个因素是学习方面的问题。不管你平时听别人怎么说,Java都不是一种十分容易便可学会的语言。如果你以前是一名Visual Basic程序员,那么转向VBScript会是一种最快捷的方案。由于VBScript可以解决大多数典型的客户机/服务器问题,所以一旦上手,就很难下定决心再去学习Java。如果对脚本编制语言比较熟,那么在转向Java之前,建议先熟悉一下JavaScript或者VBScript,因为它们可能已经能够满足你的需要,不必经历学习Java的艰苦过程。

4. ActiveX

在某种程度上,Java的一个有力竞争对手应该是微软的ActiveX,尽管它采用的是完全不同的一套实现机制。ActiveX最早是一种纯Windows的方案。经过一家独立的专业协会的努力,ActiveX现在已具备了跨平台使用的能力。实际上,ActiveX的意思是“假如你的程序同它的工作环境正常连接,它就能进入Web页,并在支持ActiveX的浏览器中运行”(IE固化了对ActiveX的支持,而Netscape需要一个插件)。所以,ActiveX并没有限制我们使用一种特定的语言。比如,假设我们已经是一名有经验的Windows程序员,能熟练地使用象C++、Visual Basic或者BorlandDelphi那样的语言,就能几乎不加任何学习地创建出ActiveX组件。事实上,ActiveX是在我们的Web页中使用“历史遗留”代码的最佳途径。

5. 安全

自动下载和通过因特网运行程序听起来就象是一个病毒制造者的梦想。在客户端的编程中,ActiveX带来了最让人头痛的安全问题。点击一个Web站点的时候,可能会随同HTML网页传回任何数量的东西:GIF文件、脚本代码、编译好的Java代码以及ActiveX组件。有些是无害的;GIF文件不会对我们造成任何危害,而脚本编制语言通常在自己可做的事情上有着很大的限制。Java也设计成在一个安全“沙箱”里在它的程序片中运行,这样可防止操作位于沙箱以外的磁盘或者内存区域。

ActiveX是所有这些里面最让人担心的。用ActiveX编写程序就象编制Windows应用程序——可以做自己想做的任何事情。下载回一个ActiveX组件后,它完全可能对我们磁盘上的文件造成破坏。当然,对那些下载回来并不限于在Web浏览器内部运行的程序,它们同样也可能破坏我们的系统。从BBS下载回来的病毒一直是个大问题,但因特网的速度使得这个问题变得更加复杂。

目前解决的办法是“数字签名”,代码会得到权威机构的验证,显示出它的作者是谁。这一机制的基础是认为病毒之所以会传播,是由于它的编制者匿名的缘故。所以假如去掉了匿名的因素,所有设计者都不得不为它们的行为负责。这似乎是一个很好的主意,因为它使程序显得更加正规。但我对它能消除恶意因素持怀疑态度,因为假如一个程序便含有Bug,那么同样会造成问题。

Java通过“沙箱”来防止这些问题的发生。Java解释器内嵌于我们本地的Web浏览器中,在程序片装载时会检查所有有嫌疑的指令。特别地,程序片根本没有权力将文件写进磁盘,或者删除文件(这是病毒最喜欢做的事情之一)。我们通常认为程序片是安全的。而且由于安全对于营建一套可靠的客户机/服务器系统至关重要,所以会给病毒留下漏洞的所有错误都能很快得到修复(浏览器软件实际需要强行遵守这些安全规则;而有些浏览器则允许我们选择不同的安全级别,防止对系统不同程度的访问)。

大家或许会怀疑这种限制是否会妨碍我们将文件写到本地磁盘。比如,我们有时需要构建一个本地数据库,或将数据保存下来,以便日后离线使用。最早的版本似乎每个人都能在线做任何敏感的事情,但这很快就变得非常不现实(尽管低价“互联网工具”有一天可能会满足大多数用户的需要)。解决的方案是“签了名的程序片”,它用公共密钥加密算法验证程序片确实来自它所声称的地方。当然在通过验证后,签了名的一个程序片仍然可以开始清除你的磁盘。但从理论上说,既然现在能够找到创建人“算帐”,他们一般不会干这种蠢事。Java 1.1为数字签名提供了一个框架,在必要时,可让一个程序片“走”到沙箱的外面来。

数字签名遗漏了一个重要的问题,那就是人们在因特网上移动的速度。如下载回一个错误百出的程序,而它很不幸地真的干了某些蠢事,需要多久的时间才能发觉这一点呢?这也许是几天,也可能几周之后。发现了之后,又如何追踪当初肇事的程序呢(以及它当时的责任有多大)?

6. 因特网和内联网

Web是解决客户机/服务器问题的一种常用方案,所以最好能用相同的技术解决此类问题的一些“子集”,特别是公司内部的传统客户机/服务器问题。对于传统的客户机/服务器模式,我们面临的问题是拥有多种不同类型的客户计算机,而且很难安装新的客户软件。但通过Web浏览器和客户端编程,这两类问题都可得到很好的解决。若一个信息网络局限于一家特定的公司,那么在将Web技术应用于它之后,即可称其为“内联网”(Intranet),以示与国际性的“因特网”(Internet)有别。内联网提供了比因特网更大的安全级别,因为可以物理性地控制对公司内部服务器的使用。说到培训,一般只要人们理解了浏览器的常规概念,就可以非常轻松地掌握网页和程序片之间的差异,所以学习新型系统的开销会大幅度减少。

安全问题将我们引入客户端编程领域一个似乎是自动形成的分支。若程序是在因特网上运行,由于无从知晓它会在什么平台上运行,所以编程时要特别留意,防范可能出现的编程错误。需作一些跨平台处理,以及适当的安全防范,比如采用某种脚本语言或者Java。

但假如在内联网中运行,面临的一些制约因素就会发生变化。全部机器均为Intel/Windows平台是件很平常的事情。在内联网中,需要对自己代码的质量负责。而且一旦发现错误,就可以马上改正。除此以外,可能已经有了一些“历史遗留”的代码,并用较传统的客户机/服务器方式使用那些代码。但在进行升级时,每次都要物理性地安装一道客户程序。浪费在升级安装上的时间是转移到浏览器的一项重要原因。使用了浏览器后,升级就变得易如反掌,而且整个过程是透明和自动进行的。如果真的是牵涉到这样的一个内联网中,最明智的方法是采用ActiveX,而非试图采用一种新的语言来改写程序代码。

面临客户端编程问题令人困惑的一系列解决方案时,最好的方案是先做一次投资/回报分析。请总结出问题的全部制约因素,以及什么才是最快的方案。由于客户端程序设计仍然要编程,所以无论如何都该针对自己的特定情况采取最好的开发途径。这是准备面对程序开发中一些不可避免的问题时,我们可以作出的最佳姿态。

1.11.3 服务器端编程

我们的整个讨论都忽略了服务器端编程的问题。如果向服务器发出一个请求,会发生什么事情?大多数时候的请求都是很简单的一个“把这个文件发给我”。浏览器随后会按适当的形式解释这个文件:作为HTML页、一幅图、一个Java程序片、一个脚本程序等等。向服务器发出的较复杂的请求通常涉及到对一个数据库进行操作(事务处理)。其中最常见的就是发出一个数据库检索命令,得到结果后,服务器会把它格式化成HTML页,并作为结果传回来(当然,假如客户通过Java或者某种脚本语言具有了更高的智能,那么原始数据就能在客户端发送和格式化;这样做速度可以更快,也能减轻服务器的负担)。另外,有时需要在数据库中注册自己的名字(比如加入一个组时),或者向服务器发出一份订单,这就涉及到对那个数据库的修改。这类服务器请求必须通过服务器端的一些代码进行,我们称其为“服务器端的编程”。在传统意义上,服务器端编程是用Perl和CGI脚本进行的,但更复杂的系统已经出现。其中包括基于Java的Web服务器,它允许我们用Java进行所有服务器端编程,写出的程序就叫作“小服务程序”(Servlet)。

1.11.4 一个独立的领域:应用程序

与Java有关的大多数争论都是与程序片有关的。Java实际是一种常规用途的程序设计语言,可解决任何类型的问题,至少理论上如此。而且正如前面指出的,可以用更有效的方式来解决大多数客户机/服务器问题。如果将视线从程序片身上转开(同时放宽一些限制,比如禁止写盘等),就进入了常规用途的应用程序的广阔领域。这种应用程序可独立运行,毋需浏览器,就象普通的执行程序那样。在这儿,Java的特色并不仅仅反应在它的移植能力,也反映在编程本身上。就象贯穿全书都会讲到的那样,Java提供了许多有用的特性,使我们能在较短的时间里创建出比用从前的程序设计语言更健壮的程序。 但要注意任何东西都不是十全十美的,我们为此也要付出一些代价。其中最明显的是执行速度放慢了(尽管可对此进行多方面的调整)。和任何语言一样,Java本身也存在一些限制,使得它不十分适合解决某些特殊的编程问题。但不管怎样,Java都是一种正在快速发展的语言。随着每个新版本的发布,它变得越来越可爱,能充分解决的问题也变得越来越多。