Skalabilių API kūrimas su Express: išsamus vadovas

Express.js yra populiarus ir lengvasvoris Node.js saityno programų karkasas, kuris suteikia tvirtą funkcijų rinkinį, skirtą kurti saityno programas ir API. Dėl savo paprastumo ir lankstumo, jis yra puikus pasirinkimas kuriant įvairaus dydžio API – nuo mažų asmeninių projektų iki didelio masto verslo sprendimų. Tačiau, norint sukurti tikrai skalabalias API, reikia kruopštaus planavimo ir įvairių architektūrinių bei diegimo aspektų apsvarstymo.

Kodėl skalabilumas svarbus jūsų API

Skalabilumas reiškia jūsų API gebėjimą aptarnauti didėjančius srauto ir duomenų kiekius, nepatiriant našumo sumažėjimo. Augant jūsų vartotojų bazei ir vystantis programai, jūsų API neišvengiamai susidurs su didesnėmis apkrovomis. Jei jūsų API nėra sukurta atsižvelgiant į skalabilumą, ji gali tapti lėta, nereaguojanti ar net sugesti esant didelei apkrovai. Tai gali lemti prastą vartotojo patirtį, prarastas pajamas ir pakenkti jūsų reputacijai.

Štai keletas pagrindinių priežasčių, kodėl skalabilumas yra gyvybiškai svarbus jūsų API:

• Pagerinta vartotojo patirtis: Skalabili API užtikrina, kad vartotojai galėtų greitai ir patikimai pasiekti jūsų programą, nepriklausomai nuo vienu metu prisijungusių vartotojų skaičiaus.
• Padidintas patikimumas: Skalabilios API yra atsparesnės srauto šuoliams ir netikėtiems įvykiams, užtikrinant, kad jūsų programa išliktų pasiekiama net esant dideliam spaudimui.
• Sumažintos išlaidos: Optimizavus API skalabilumui, galite sumažinti išteklių (pvz., serverių, pralaidumo), reikalingų tam tikram srauto kiekiui aptarnauti, kiekį, o tai leidžia žymiai sutaupyti.
• Padidintas lankstumas: Skalabili API leidžia greitai prisitaikyti prie kintančių verslo poreikių ir diegti naujas funkcijas, nesibaiminant dėl našumo problemų.

Pagrindiniai aspektai kuriant skalabilias API su Express

Skalabilių API kūrimas su Express apima architektūrinių sprendimų, geriausių kodavimo praktikų ir infrastruktūros optimizavimo derinį. Štai keletas pagrindinių sričių, į kurias reikėtų sutelkti dėmesį:

1. Architektūros modeliai

Architektūros modelis, kurį pasirinksite savo API, gali turėti didelės įtakos jos skalabilumui. Štai keletas populiarių modelių, kuriuos verta apsvarstyti:

a. Monolitinė architektūra

Monolitinėje architektūroje visa API yra diegiama kaip vienas vienetas. Šį požiūrį paprasta nustatyti ir valdyti, tačiau gali būti sunku atskirai keisti atskirų komponentų mastelį. Monolitinės API paprastai tinka mažoms ir vidutinėms programoms su santykinai mažais srautais.

Pavyzdys: Paprasta el. prekybos API, kurioje visos funkcijos, tokios kaip produktų katalogas, vartotojų valdymas, užsakymų apdorojimas ir mokėjimo šliuzo integracija, yra vienoje Express.js programoje.

b. Mikropaslaugų architektūra

Mikropaslaugų architektūroje API yra suskaidyta į mažesnes, nepriklausomas paslaugas, kurios bendrauja tarpusavyje per tinklą. Šis požiūris leidžia atskirai keisti atskirų paslaugų mastelį, todėl jis idealiai tinka didelio masto programoms su sudėtingais reikalavimais.

Pavyzdys: Kelionių užsakymo internetu platforma, kurioje atskiros mikropaslaugos tvarko skrydžių užsakymus, viešbučių rezervacijas, automobilių nuomą ir mokėjimų apdorojimą. Kiekvienos paslaugos mastelis gali būti keičiamas nepriklausomai, atsižvelgiant į paklausą.

c. API šliuzo (Gateway) modelis

API šliuzas veikia kaip vienas įėjimo taškas visoms kliento užklausoms, nukreipdamas jas į atitinkamas vidines paslaugas. Šis modelis suteikia keletą privalumų, įskaitant:

• Centralizuotas autentifikavimas ir autorizavimas: API šliuzas gali tvarkyti visų užklausų autentifikavimą ir autorizavimą, sumažindamas naštą atskiroms paslaugoms.
• Užklausų maršrutizavimas ir apkrovos balansavimas: API šliuzas gali nukreipti užklausas į skirtingas vidines paslaugas atsižvelgiant į jų prieinamumą ir apkrovą, užtikrinant optimalų našumą.
• Užklausų dažnio ribojimas ir lėtinimas: API šliuzas gali apriboti užklausų skaičių iš konkretaus kliento ar IP adreso, užkertant kelią piktnaudžiavimui ir užtikrinant sąžiningą naudojimą.
• Užklausų transformavimas: API šliuzas gali transformuoti užklausas ir atsakymus, kad atitiktų skirtingų klientų ir vidinių paslaugų reikalavimus.

Pavyzdys: Medijos transliavimo paslauga, naudojanti API šliuzą, kad nukreiptų užklausas į skirtingas mikropaslaugas, atsakingas už vartotojo autentifikavimą, turinio pristatymą, rekomendacijas ir mokėjimų apdorojimą, aptarnaujant įvairias klientų platformas, tokias kaip saitynas, mobilieji įrenginiai ir išmanieji televizoriai.

2. Duomenų bazės optimizavimas

Jūsų duomenų bazė dažnai yra jūsų API našumo silpnoji vieta. Štai keletas metodų jūsų duomenų bazei optimizuoti:

a. Ryšių telkimas (Connection Pooling)

Naujo duomenų bazės ryšio kūrimas kiekvienai užklausai gali būti brangus ir daug laiko reikalaujantis procesas. Ryšių telkimas leidžia pakartotinai naudoti esamus ryšius, sumažinant pridėtines išlaidas, susijusias su naujų ryšių kūrimu.

Pavyzdys: Naudojant bibliotekas, tokias kaip `pg-pool` PostgreSQL arba `mysql2` su ryšių telkimo parinktimis Node.js, siekiant efektyviai valdyti ryšius su duomenų bazės serveriu, žymiai pagerinant našumą esant didelei apkrovai.

b. Indeksavimas

Indeksai gali žymiai paspartinti užklausų vykdymą, leisdami duomenų bazei greitai rasti norimus duomenis. Tačiau per daug indeksų gali sulėtinti rašymo operacijas, todėl svarbu atidžiai apsvarstyti, kuriuos laukus indeksuoti.

Pavyzdys: El. prekybos programoje, indeksuojant `product_name`, `category_id` ir `price` stulpelius `products` lentelėje, galima žymiai pagerinti paieškos užklausų našumą.

c. Spartinančioji atmintinė (Caching)

Dažnai pasiekiamų duomenų laikymas atmintyje gali žymiai sumažinti jūsų duomenų bazės apkrovą. Galite naudoti įvairius spartinimo metodus, tokius kaip:

• Spartinimas atmintyje: Duomenų saugojimas programos atmintyje naudojant bibliotekas, tokias kaip `node-cache` ar `memory-cache`.
• Paskirstyta spartinančioji atmintinė: Naudojant paskirstytąją spartinimo sistemą, pvz., Redis ar Memcached, dalintis spartintais duomenimis tarp kelių serverių.
• Turinio pristatymo tinklas (CDN): Statinių išteklių (pvz., paveikslėlių, JavaScript failų) spartinimas CDN tinkle, siekiant sumažinti delsą ir pagerinti našumą vartotojams visame pasaulyje.

Pavyzdys: Dažnai pasiekiamų produktų detalių spartinimas Redis atmintinėje, siekiant sumažinti duomenų bazės apkrovą piko valandomis, arba naudojant CDN, pvz., Cloudflare, tiekti statinius paveikslėlius ir JavaScript failus vartotojams visame pasaulyje, pagerinant puslapio įkėlimo laiką.

d. Duomenų bazės skaidymas (Sharding)

Duomenų bazės skaidymas apima jūsų duomenų bazės padalijimą į kelis serverius. Tai gali pagerinti našumą ir skalabilumą, paskirstant apkrovą kelioms mašinoms. Tai sudėtingas, bet efektyvus būdas dirbant su labai dideliais duomenų rinkiniais.

Pavyzdys: Socialinės medijos platforma, skaidanti savo vartotojų duomenis į kelis duomenų bazės serverius pagal vartotojo ID diapazonus, kad galėtų aptarnauti didžiulį vartotojų paskyrų ir veiklos duomenų kiekį.

3. Asinchroninis programavimas

Express.js yra sukurtas ant Node.js, kuris yra iš prigimties asinchroniškas. Asinchroninis programavimas leidžia jūsų API vienu metu apdoroti kelias užklausas, neblokuojant pagrindinės gijos. Tai yra labai svarbu kuriant skalabilias API, kurios gali aptarnauti didelį skaičių vienu metu prisijungusių vartotojų.

a. Atgalinio iškvietimo funkcijos (Callbacks)

Atgalinio iškvietimo funkcijos yra tradicinis būdas tvarkyti asinchronines operacijas JavaScript. Tačiau, dirbant su sudėtingomis asinchroninėmis darbo eigomis, jos gali sukelti „callback hell“ (atgalinių iškvietimų pragarą).

b. Pažadai (Promises)

Pažadai suteikia labiau struktūrizuotą ir skaitomesnį būdą tvarkyti asinchronines operacijas. Jie leidžia grandininiu būdu sujungti asinchronines operacijas ir efektyviau tvarkyti klaidas.

c. Async/Await

Async/await yra naujesnis JavaScript papildymas, kuris dar labiau palengvina asinchroninio kodo rašymą ir skaitymą. Jis leidžia rašyti asinchroninį kodą, kuris atrodo ir veikia kaip sinchroninis kodas.

Pavyzdys: Naudojant `async/await` vienu metu apdoroti kelias duomenų bazės užklausas ir išorinių API iškvietimus, siekiant sukurti sudėtingą atsakymą, pagerinant bendrą API atsako laiką.

4. Tarpinė programinė įranga (Middleware)

Tarpinės programinės įrangos funkcijos (middleware) yra funkcijos, kurios turi prieigą prie užklausos objekto (req), atsakymo objekto (res) ir kitos tarpinės funkcijos programos užklausos-atsakymo cikle. Jos gali būti naudojamos atlikti įvairias užduotis, tokias kaip:

• Autentifikavimas ir autorizavimas: Patikrinti vartotojo kredencialus ir suteikti prieigą prie apsaugotų išteklių.
• Žurnalų vedimas: Įrašyti užklausų ir atsakymų informaciją derinimo ir stebėjimo tikslais.
• Užklausos patvirtinimas: Patvirtinti užklausos duomenis, siekiant užtikrinti, kad jie atitiktų reikalaujamą formatą ir apribojimus.
• Klaidų tvarkymas: Tvarkyti klaidas, kurios atsiranda užklausos-atsakymo ciklo metu.
• Glaudinimas: Suspausti atsakymus, siekiant sumažinti pralaidumo naudojimą.

Gerai suprojektuotos tarpinės programinės įrangos naudojimas gali padėti išlaikyti jūsų API kodą švarų ir organizuotą, taip pat gali pagerinti našumą, perkeliant bendras užduotis į atskiras funkcijas.

Pavyzdys: Naudojant tarpinę programinę įrangą API užklausų žurnalų vedimui, vartotojų autentifikavimo žetonų tikrinimui, atsakymų glaudinimui ir klaidų tvarkymui centralizuotai, užtikrinant nuoseklų elgesį visuose API galiniuose taškuose.

5. Spartinančiosios atmintinės strategijos

Spartinančioji atmintinė (caching) yra kritiškai svarbi technika API našumui ir skalabilumui pagerinti. Saugodami dažnai pasiekiamus duomenis atmintyje, galite sumažinti duomenų bazės apkrovą ir pagerinti atsakymo laiką. Štai keletas spartinimo strategijų, kurias verta apsvarstyti:

a. Kliento pusės spartinančioji atmintinė

Naršyklės spartinančiosios atmintinės panaudojimas nustatant atitinkamas HTTP antraštes (pvz., `Cache-Control`, `Expires`), kad naršyklės saugotų atsakymus vietoje. Tai ypač efektyvu statiniams ištekliams, tokiems kaip paveikslėliai ir JavaScript failai.

b. Serverio pusės spartinančioji atmintinė

Spartinimo įgyvendinimas serverio pusėje naudojant atminties saugyklas (pvz., `node-cache`, `memory-cache`) arba paskirstytas spartinimo sistemas (pvz., Redis, Memcached). Tai leidžia spartinti API atsakymus ir sumažinti duomenų bazės apkrovą.

c. Turinio pristatymo tinklas (CDN)

CDN naudojimas spartinti statinius išteklius ir net dinaminį turinį arčiau vartotojų, sumažinant delsą ir gerinant našumą geografiškai išsklaidytiems vartotojams.

Pavyzdys: Serverio pusės spartinančiosios atmintinės įdiegimas dažnai pasiekiamoms prekių detalėms el. prekybos API, ir CDN naudojimas vaizdams ir kitiems statiniams ištekliams tiekti vartotojams visame pasaulyje, žymiai pagerinant svetainės našumą.

6. Užklausų ribojimas ir lėtinimas

Užklausų ribojimas ir lėtinimas yra technikos, naudojamos kontroliuoti užklausų, kurias klientas gali pateikti jūsų API per tam tikrą laikotarpį, skaičių. Tai gali padėti išvengti piktnaudžiavimo, apsaugoti jūsų API nuo perkrovos ir užtikrinti sąžiningą naudojimą visiems vartotojams.

Pavyzdys: Įdiegus užklausų ribojimą, apribojamas užklausų skaičius iš vieno IP adreso iki tam tikro slenksčio per minutę, siekiant išvengti paslaugos trikdymo atakų (denial-of-service) ir užtikrinti sąžiningą prieigą prie API visiems vartotojams.

7. Apkrovos balansavimas

Apkrovos balansavimas paskirsto gaunamą srautą tarp kelių serverių. Tai gali pagerinti našumą ir prieinamumą, užkertant kelią bet kurio vieno serverio perkrovai.

Pavyzdys: Naudojant apkrovos balansavimo įrenginį, pvz., Nginx ar HAProxy, srautui paskirstyti tarp kelių jūsų Express.js API egzempliorių, užtikrinant aukštą prieinamumą ir išvengiant to, kad vienas egzempliorius taptų silpnąja grandimi.

8. Stebėjimas ir žurnalų vedimas

Stebėjimas ir žurnalų vedimas yra būtini našumo problemoms nustatyti ir spręsti. Stebėdami pagrindinius rodiklius, tokius kaip atsako laikas, klaidų dažnis ir procesoriaus naudojimas, galite greitai nustatyti silpnąsias vietas ir imtis taisomųjų veiksmų. Užklausų ir atsakymų informacijos registravimas taip pat gali būti naudingas derinant ir šalinant triktis.

Pavyzdys: Naudojant įrankius, tokius kaip Prometheus ir Grafana, API našumo metrikoms stebėti, ir įdiegiant centralizuotą žurnalų vedimą su įrankiais, tokiais kaip ELK rinkinys (Elasticsearch, Logstash, Kibana), analizuoti API naudojimo modelius ir nustatyti galimas problemas.

9. Geriausios saugumo praktikos

Saugumas yra kritiškai svarbus bet kuriai API. Štai keletas saugumo geriausių praktikų, kurių reikėtų laikytis:

• Autentifikavimas ir autorizavimas: Įdiekite patikimus autentifikavimo ir autorizavimo mechanizmus, kad apsaugotumėte savo API nuo neteisėtos prieigos. Naudokite pramonės standartus, tokius kaip OAuth 2.0 ir JWT.
• Įvesties patvirtinimas: Patvirtinkite visus įvesties duomenis, kad išvengtumėte injekcijos atakų (pvz., SQL injekcijos, tarpvietinio scenarijų vykdymo).
• Išvesties kodavimas: Koduokite visus išvesties duomenis, kad išvengtumėte tarpvietinio scenarijų vykdymo atakų.
• HTTPS: Naudokite HTTPS visam ryšiui tarp klientų ir jūsų API šifruoti.
• Reguliarūs saugumo auditai: Atlikite reguliarius saugumo auditus, kad nustatytumėte ir pašalintumėte galimus pažeidžiamumus.

Pavyzdys: Įdiegus JWT pagrįstą autentifikavimą ir autorizavimą API galiniams taškams apsaugoti, patvirtinant visus įvesties duomenis, siekiant išvengti SQL injekcijos atakų, ir naudojant HTTPS visam ryšiui tarp klientų ir API šifruoti.

10. Testavimas

Išsamus testavimas yra būtinas jūsų API kokybei ir patikimumui užtikrinti. Štai keletas testų tipų, kuriuos turėtumėte apsvarstyti:

• Vienetų testai (Unit Tests): Testuoti atskiras funkcijas ir komponentus izoliuotai.
• Integraciniai testai (Integration Tests): Testuoti sąveiką tarp skirtingų komponentų.
• Pilnos eigos testai (End-to-End Tests): Testuoti visą API nuo pradžios iki galo.
• Apkrovos testai (Load Tests): Simuliuoti didelį srautą, siekiant užtikrinti, kad jūsų API gali atlaikyti apkrovą.
• Saugumo testai (Security Tests): Testuoti saugumo pažeidžiamumus.

Pavyzdys: Rašant vienetų testus atskiriems API apdorotojams, integracinius testus sąveikai su duomenų baze ir pilnos eigos testus bendrai API funkcionalumui patikrinti. Naudojant įrankius, tokius kaip Jest ar Mocha, testams rašyti ir įrankius, tokius kaip k6 ar Gatling, apkrovos testavimui.

11. Diegimo strategijos

Tai, kaip diegiate savo API, taip pat gali turėti įtakos jos skalabilumui. Štai keletas diegimo strategijų, kurias verta apsvarstyti:

• Diegimas debesyje: Jūsų API diegimas į debesų platformą, pvz., AWS, Azure ar Google Cloud Platform, suteikia keletą privalumų, įskaitant skalabilumą, patikimumą ir ekonomiškumą.
• Konteinerizavimas: Naudojant konteinerizavimo technologijas, pvz., Docker, supakuoti jūsų API ir jos priklausomybes į vieną vienetą. Tai palengvina API diegimą ir valdymą skirtingose aplinkose.
• Orchestravimas: Naudojant orkestravimo įrankius, pvz., Kubernetes, valdyti ir keisti jūsų konteinerių mastelį.

Pavyzdys: Jūsų Express.js API diegimas AWS naudojant Docker konteinerius ir Kubernetes orkestravimui, pasinaudojant AWS debesų infrastruktūros skalabilumu ir patikimumu.

Tinkamos duomenų bazės pasirinkimas

Tinkamos duomenų bazės pasirinkimas jūsų Express.js API yra gyvybiškai svarbus skalabilumui. Štai trumpas dažniausiai naudojamų duomenų bazių ir jų tinkamumo apžvalga:

• Reliacinės duomenų bazės (SQL): Pavyzdžiai: PostgreSQL, MySQL ir MariaDB. Jos tinka programoms, kurioms reikalingas stiprus nuoseklumas, ACID savybės ir sudėtingi ryšiai tarp duomenų.
• NoSQL duomenų bazės: Pavyzdžiai: MongoDB, Cassandra ir Redis. Jos tinka programoms, kurioms reikalingas didelis skalabilumas, lankstumas ir gebėjimas tvarkyti nestruktūrizuotus ar pusiau struktūrizuotus duomenis.

Pavyzdys: Naudojant PostgreSQL el. prekybos programai, kuriai reikalingas transakcijų vientisumas užsakymų apdorojimui ir atsargų valdymui, arba pasirenkant MongoDB socialinės medijos programai, kuriai reikalingi lankstūs duomenų modeliai, kad tilptų įvairus vartotojų turinys.

GraphQL prieš REST

Kuriant savo API, apsvarstykite, ar naudoti REST, ar GraphQL. REST yra gerai žinomas architektūrinis stilius, kuris naudoja HTTP metodus operacijoms su ištekliais atlikti. GraphQL yra jūsų API užklausų kalba, kuri leidžia klientams prašyti tik tų duomenų, kurių jiems reikia.

GraphQL gali pagerinti našumą sumažindamas per tinklą perduodamų duomenų kiekį. Jis taip pat gali supaprastinti API kūrimą, leisdamas klientams gauti duomenis iš kelių išteklių viena užklausa.

Pavyzdys: Naudojant REST paprastoms CRUD operacijoms su ištekliais ir pasirenkant GraphQL sudėtingiems duomenų gavimo scenarijams, kai klientams reikia gauti konkrečius duomenis iš kelių šaltinių, sumažinant perteklinį duomenų gavimą ir gerinant našumą.

Išvados

Skalabilių API kūrimas su Express.js reikalauja kruopštaus planavimo ir įvairių architektūrinių bei diegimo aspektų apsvarstymo. Laikydamiesi šiame vadove aprašytų geriausių praktikų, galite sukurti tvirtas ir skalabilias API, kurios gali aptarnauti didėjančius srauto ir duomenų kiekius, nepatiriant našumo sumažėjimo. Nepamirškite teikti pirmenybės saugumui, stebėjimui ir nuolatiniam tobulinimui, kad užtikrintumėte ilgalaikę savo API sėkmę.