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Java 9新功能之HTTP2和REPL

對Java 9的炒作將不再局限於模塊化(modularity),Java 9正在搜羅大量額外的功能模塊,這些功能模塊正作為Java增強提案(JEP)提交,並在OpenJDK (Java SE的參考實現項目)中實現。

在這篇文章中,我們將重點關注一些或將在Java 9整個生命周期中,對開發者的工作生活影響最大的JEP,包括新的HTTP/2支持和JShell REPL(讀取-求值-打印-循環),後者帶來了基於shell的交互式Java開發環境和探索性開發API。

HTTP/2

HTTP/2標准是HTTP協議的最新版本。當前版本HTTP/1.1始於1999年,存在著非常嚴重的問題,包括:

對頭阻塞

在HTTP/1.1中,響應接收的順序和請求發送的順序相同。這意味著,例如,當查看一個包含許多小圖像的大HTML頁面時,圖像資源將不得不在 HTML頁面資源之後排隊,在浏覽器完全加載完HTML頁面之前,圖像資源無法被發送。這就是“對頭阻塞”,會導致許多潛在的頁面渲染問題。

在HTTP/2中,響應數據可以按塊(chunk)傳輸,甚至可以交叉傳輸,因此真正實現了請求和響應的多路復用。

一個站點的連接數限制

在HTTP/1.1標准中有這樣的描述:“一個單用戶的客戶端不能與任何服務器保持2個以上的連接”。這個限制和對頭阻塞問題一起,嚴重限制了頁面的性能。

HTTP/2打破這種限制並認為連接是持久的,只有當用戶跳轉後或者發生技術性故障事件時,連接才會關閉。對多路復用的使用將有助於降低頁面性能瓶頸。

HTTP控制頭的開銷

當前的HTTP版本使用簡單的、基於文本的HTTP頭信息來控制通信。這樣做的優點是非常簡單且易於理解,調試也很簡單,只需通過連接指定端口並輸入一些文本。然而,使用基於文本的協議會讓小的響應包不成比例地膨脹。此外,大量的HTTP響應幾乎沒有或者根本沒有有效負載(比如,HEAD請求只是要確定資源是否發生變化)。為實際上只包含最後修改時間的響應,使用完全基於文本的頭信息(大約有700個字節,在HTTP1.1中,它們不能被壓縮,盡管很容易做到)是當前HTTP標准中,不可思議的浪費。

另一個思路是對HTTP頭信息使用二進制編碼。這種方式能夠極大地提高較小請求的速度且占用的網絡帶寬非常小。這正是HTTP/2已經選擇的方法,雖然以協議精神制定標准應該選擇基於文本的協議,但是二進制的效率有令人信服的理由,讓我們這樣做。

HTTP/2帶來的期望

HTTP/2標准是由IETF HTTP工作組創建的,該組織由來自Mozilla、Google、 Microsoft、Apple,以及其他公司的代表和工程師組成,由來自CDN領軍公司Akamai的高級工程師Mark Nottingham任主席。因此,HTTP/2是一個為優化大型、高流量的網站而生的版本,它在實現簡單、易於調試的基礎上,確保了性能和網絡帶寬消耗。

該組織主席總結了一些HTTP/2的關鍵屬性:

  • 相同的HTTP API
  • 成本更低的請求
  • 網絡和服務器端友好
  • 緩存推送
  • 思維革命
  • 更多加密方式

帶給Java的意義

自從1.0版本開始,Java就支持HTTP,但是多數代碼出自完全不同的時代。例如,Java對HTTP的支持是圍繞相對協議無關的框架(URL類)設計的,因此在網站成為主導地位的90年代,這種實現顯得很不清晰。

Java對HTTP的支持是基於當時最好的設計思想,但是時過境遷,最重要的是Java對HTTP原始的支持出來時,HTTPS還沒有出現。因此,Java的API將HTTPS作為一種移花接木,導致了不能簡化的復雜性。

在現代社會,HTTPS開始變得無所不在,讓HTTP日漸成為落後的技術。甚至,美國政府現在都通過了完全遷到HTTPS-only的計劃。

JDK內核對HTTP的支持已經無法跟上現實網絡的發展步伐。實際上,甚至JDK8也只不過是交付了一個支持HTTP/1.0的客戶端,然而,大多數的開發者早已轉而使用第三方客戶端庫了,比如Apache的HttpComponents。

所有這一切意味著,對HTTP/2的支持將是Java未來十年的核心功能。這也讓我們重新審視我們的固有思維,重新寫一套API並提供重新來過的機會。HTTP/2將是未來數年內,每位開發者主要面對的API。

新的API不再堅持協議中立性,使開發者可以完全拋棄過去的使用方式。這套API只關注HTTP協議,但是要進一步理解的是HTTP/2並沒有從根本上改變原有的語義。因此,這套API是HTTP協議獨立的,同時提供了對新協議中幀和連接處理的支持。

在新的API中,一個簡單的HTTP請求,可以這樣創建和處理:

    HttpResponse response = HttpRequest
        .create(new URI("http://www.infoq.com"))
        .body(noBody())
        .GET().send();
    int responseCode = response.responseCode();
    String responseBody = response.body(asString());
         
    System.out.println(responseBody);

這種符合流暢風格/建造者模式(fluent/builder)的API,與現存的遺留系統相比,對開發者來說,更具現代感和舒適感。

雖然當前的代碼庫只支持HTTP/1.1,但是已經包含了新的API。這使得在對HTTP/2支持完成對過程中,開發者可以實驗性地使用和驗證新的API。

相關代碼已經進入OpenJDK沙箱倉庫中,並很快登陸JDK 9的主干。到那個時候,新的API將開始自動構建到Oracle的二進制beta版本中。現在,對HTTP/2的支持已經可用,並將在未來數月內最終完成。

在此期間,你可以使用Mercurial遷出源代碼,並根據AdoptOpenJDK構建指導編譯你遷出地代碼,這樣你就可以實驗性地使用新的API了。

第一批完成的功能之一是當前版本力不能及的異步API。這個功能讓長期運行的請求,可以通過sendAsync()方法,切換到VM管理的後台線程中:

    HttpRequest req = HttpRequest
        .create(new URI("http://www.infoq.com"))
        .body(noBody())
        .GET();
    CompletableFuture<HttpResponse> aResp = req.sendAsync();
    Thread.sleep(10);
    if (!aResp.isDone()) {
        aResp.cancel(true);
        System.out.println("Failed to reply quickly...");
        return;
    }
    HttpResponse response = aResp.get();

相比HTTP/1.1的實現,新的API帶給開發者最多的是方便性,因為HTTP/1.1沒有提供對已經發送到服務器端的請求的取消機制,而HTTP/2可以讓客戶端向已經被服務器端處理的請求,發送取消命令。

JShell

很多語言都為探索性開發提供了交互式環境。在某些情況下(特別是Clojure和其他Lisp方言),交互式環境占據了開發者的大部分編碼時間,甚至是全部。其他語言,比如Scala或者JRuby也廣泛使用REPL。

當然,此前Java曾經推出過Beanshell腳本語言,但是它沒有實現完全標准化,而且近年來,該項目已經處於不活躍狀態。在Java 8(以及jjs REPL)中引入的Nashorn Javascript實現打開了更廣泛地考慮REPL並將交互式開發成為可能的大門。

一項努力將現代REPL引入Java 9的工作,以JEP 222作為開始,收錄在OpenJDK的Kulla項目中。Kulla這個名字來自古巴比倫神話,是建造之神。該項目的主旨是提供最近距離的“完整 Java”體驗。該項目沒有引入新的非Java語義,並禁用了Java語言中對交互式開發沒有用處的語義(比如上層的訪問控制修改或同步的語義)。

與所有REPL一樣,JShell提供了命令行,而不是類似IDE的體驗。語句和表達式能夠在執行狀態上下文中,被立即求值,而不是非得打包到類中。方法也是自由浮動的,而不必屬於某個特定的類。相反,JShell使用代碼片斷“snippets”來提供上層執行環境。

與HTTP/2 API相似,JShell已經在獨立的項目開發,以免在快速發展的時期影響主干構建的穩定性。JShell預計在2015年8月期間合並到主干。

現在,開發者可以參考AdoptOpenJDK說明指導,從頭構建Kulla(源代碼可以從Mercurial地址獲得)。

對於一些上手實驗,最簡單的可能是使用一個獨立的試驗jar。這些jar包是社區專為不想從頭構建的開發者構建好的。

這些試驗jar包可以從AdoptOpenJDK CloudBees的CI構建實例中獲得。

要使用它們,你需要安裝Java 9 beta版(或者OpenJDK 9的構建版本)。然後下載jar文件,重命名為kulla.jar,然後在命令行輸入如下:

$ java -jar kulla.jar
|  Welcome to JShell -- Version 0.610
|  Type /help for help

->

這是REPL的標准界面,和往常一樣,命令是從單個字符開始並最終發出的。

JShell有一個相當完整(但仍在發展)的幫助語法,可以通過如下命令輕松獲得:

-> /help
Type a Java language expression, statement, or declaration.
Or type one of the following commands:

/l  or /list [all]                -- list the source you have typed
       /seteditor <executable>    -- set the external editor command to use
/e  or /edit <name or id>         -- edit a source entry referenced by name or id
/d  or /drop <name or id>         -- delete a source entry referenced by name or id
/s  or /save [all|history] <file> -- save the source you have typed
/o  or /open <file>               -- open a file as source input
/v  or /vars                      -- list the declared variables and their values
/m  or /methods                   -- list the declared methods and their signatures
/c  or /classes                   -- list the declared classes
/x  or /exit                      -- exit the REPL
/r  or /reset                     -- reset everything in the REPL
/f  or /feedback <level>          -- feedback information: off, 
concise, normal, verbose, default, or ?
/p  or /prompt                    -- toggle display of a prompt
/cp or /classpath <path>          -- add a path to the classpath
/h  or /history                   -- history of what you have typed
       /setstart <file>           -- read file and set as the new start-up definitions
       /savestart <file>          -- save the default start-up definitions to the file
/?  or /help                      -- this help message
       /!                         -- re-run last snippet
       /<n>                       -- re-run n-th snippet
       /-<n>                      -- re-run n-th previous snippet

Supported shortcuts include:
       -- show possible completions for the current text
Shift- -- for current method or constructor invocation, 
show a synopsis of the method/constructor

JShell支持TAB鍵自動補全, 因此我們可以很容易找到println()或者其他我們想使用的方法:

-> System.out.print
print(     printf(    println(

傳統的表達式求值也很容易,但是相比其他動態類型語言,Java的靜態類型特征會更嚴格一點。JShell會自動創建臨時變量來保存表達式的值,並確保它們保持在上下文域內供以後使用:

-> 3 * (4 + 5)
|  Expression value is: 27
|    assigned to temporary variable $1 of type int

-> System.out.println($1);
27

我們還可以使用/list命令,查看到目前為止輸入的所有源代碼:

-> /list

   9 : 3 * (4 + 5)
  10 : System.out.println($1);

使用/vars命令顯示所有的變量(包括顯式定義的和臨時的),以及他們當前持有的值:

-> String s = "Dydh da"
|  Added variable s of type String with initial value "Dydh da"

-> /vars
|    int $1 = 27
|    String s = "Dydh da"

除了支持簡單的代碼行,REPL還允許非常簡單地創建類和其它用戶定義的類型。例如,可以用如下短短一行來創建類(請注意,開始和結束括號是必需的):

-> class Pet {}
|  Added class Pet

-> class Cat extends Pet {}
|  Added class Cat

JShell代碼非常簡潔、自由浮動的性質意味著我們可以非常簡單地使用REPL來演示Java語言的功能。例如,讓我們來看看著名的類型問題,即Java數組的協變問題:

-> Pet[] pets = new Pet[1]
|  Added variable pets of type Pet[] with initial value [LPet;@2be94b0f

-> Cat[] cats = new Cat[1]
|  Added variable cats of type Cat[] with initial value [LCat;@3ac42916

-> pets = cats
|  Variable pets has been assigned the value [LCat;@3ac42916

-> pets[0] = new Pet()
|  java.lang.ArrayStoreException thrown: REPL.$REPL13$Pet
|        at (#20:1)

這樣的功能使JShell成為一種偉大的教學或研究工具,而且最接近Scala REPL的體驗。使用/classpath切換,可以加載額外的jar包,從而可以在REPL直接使用互動式探索性API。

參與

主要的IDE已開始提供支持JDK 9早期版本的構建——包括Netbeans和Eclipse Mars。IntelliJ 14.1據稱支持JDK9,但目前還不清楚對新的模塊化JDK擴展的支持力度。

到目前為止,這些IDE還不支持HTTP/2和JShell,因為這些功能還沒有登陸OpenJDK的主干,但是開發者應該很期望它們能夠早日出現在標准的JDK beta版本中,並且有IDE插件可以緊隨其後。這些API仍在開發中,項目的領導者正在積極尋求最終用戶的使用和參與。

The JDK 9 Outreach programme is also underway to encourage developers to test their code and applications on JDK 9 before it arrives. HTTP/2 & JShell aren't the only new features being worked on - other new JDK 9 functionality under development as JEPs includes

JDK 9的宣傳計劃也正在鼓勵開發者測試他們的代碼並在JDK 9上運行應用程序。正在開發的新功能不止包括HTTP/2和JShell—— 其他作為JEP,JDK 9正在開發的新功能還包括:

  • 102 Process API的更新(Process API Updates)
  • 165 編譯器控制(Compiler Control)
  • 227 Unicode 7.0
  • 245 驗證虛擬機代碼行標記參數(Validate JVM Command-Line Flag Arguments)
  • 248: G1作為默認的垃圾回收器(Make G1 the Default Garbage Collector)
  • TLS的一系列更新(TLS Updates) (JEP 219, 244, 249)

目前正在審議(以及考慮應該放在哪個Java版本)的所有JEP的完整列表可以在這裡找到。

關於作者

Ben Evans是Java/JVM性能分析初創公司jClarity的CEO。在業余時間,他是倫敦Java社區的領導者之一並且是Java社區進程執行委員會的一員。他之前的項目經驗包括Google IPO的性能測試、金融交易系統、為90年代一些最大的電影編寫備受好評的網站等。

 

查看英文原文:Java 9's New HTTP/2 and REPL

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