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Ajax 技术原理

2010-01-04

在写这篇文章之前,曾经写过一篇关于AJAX技术的随笔,不过涉及到的方面很窄,对AJAX技术的背景、原理、优缺点等各个方面都很少涉及null。这次写这篇文章的背景是因为公司需要对内部程序员做一个培训。项目经理找到了我,并且征询我培训的主题,考虑到之前Javascript、CSS等WEB开发技术都已经讲解过了,所以决定针对AJAX这一块做一个比较系统的培训,所以这篇文章实际上是一个培训的材料。

AJAX技术的背景

不可否认,ajax技术的流行得益于google的大力推广,正是由于google earth、google suggest以及gmail等对ajax技术的广泛应用,催生了ajax的流行。而这也让微软感到无比的尴尬,因为早在97年,微软便已经发明了ajax中的关键技术,并且在99年IE5推出之时,它便开始支持XmlHttpRequest对象,并且微软之前已经开始在它的一些产品中应用ajax,比如说MSDN网站菜单中的一些应用。遗憾的是,不知道出于什么想法,当时微软发明了ajax的核心技术之后,并没有看到它的潜力而加以发展和推广,而是将它搁置起来。对于这一点来说,我个人是觉得非常奇怪的,因为以微软的资源和它的战略眼光来说,应该不会看不到ajax技术的前景,唯一的解释也许就是因为当时它的主要竞争对手Netscape的消失反而使它变得麻痹和迟钝,毕竟巨人也有打盹的时候,比如IBM曾经在对微软战略上的失误。正是这一次的失误,成就了它现在的竞争对手google在ajax方面的领先地位,而事实上google目前在ajax技术方面的领先是微软所无法达到的,这一点在后面我讲述ajax缺陷的时候也会提到。现在微软也意识到了这个问题,因此它也开始在ajax领域奋起直追,比如说推出它自己的ajax框架atlas,并且在.NET2.0也提供了一个用来实现异步回调的接口,即ICallBack接口。那么微软为什么对自己在ajax方面的落后如此紧张呢?现在就让我们来分析一下ajax技术后面隐藏的深刻意义。

ajax技术的意义

我们在平时的开发中都多多少少的接触或者应用到了ajax,谈到ajax技术的意义,我们关注得最多的毫无疑问是提升用户的体验。但是,如果我们结合将来电脑和互联网的发展趋势,我们会发现ajax技术在某些方面正好代表了这种趋势。为什么这样说呢?我们知道,自从电脑出现以来,一直是桌面软件占据着绝对主导的地位,但是互联网的出现和成功使这一切开始发生着微妙的变化。相当一部分的人都相信,迟早有一天,数据和电脑软件将会从桌面转移到互联网。也就是说,将来的电脑有可能抛弃笨重的硬盘,而直接从互联网来获取数据和服务,我记得我念大学的时候,有位教授给我们上课的时候,曾经设想过这样一种情景,也许在将来的电脑桌面上,没有任何多余的软件和程序,而仅仅只有一个IE,虽然现在看起来我们距离这一天还很遥远,并且这其中还有很多的问题需要解决,但是我觉得这个并非梦想,而是迟早将实现的现实。那么,这其中的主要问题就是互联网的连接不稳定,谁也不愿意看着自己的电脑从服务器一点一滴的下载数据,那么,ajax是不是解决了这个问题呢,说实话,与其说ajax解决了这个问题,倒不如它只是掩盖了这个问题,它只是在服务器和客户端之间充当了一个缓冲器,让用户误以为服务没有中断。精确的说,ajax并不能提高从服务器端下载数据的速度,而只是使这个等待不那么令人沮丧。但是正是这一点就足以产生巨大的影响和震动,它实际上也对桌面软件产生了巨大的冲击。这一点我用一个例子来说明,我们可以比较一下Outlook Express和Gmail,前者是典型的桌面软件,后者是ajax所实现的B/S模式,实际上后者目前已经在慢慢取代前者了,Gmail在收发邮件的时候已经和Outlook Express的功能几乎没有差别了,而且它不需要安装客户端程序。这就是为什么微软对ajax所带来的冲击有着如此的恐惧心理,并且在它前不久所进行的调查之中,将google看做他们未来十年内的主要竞争对手的主要原因之一。当然,这种变化也并不会将桌面软件全部淘汰,现有的浏览器还没有一个能像PhotoShop等桌面程序那样处理复杂的图像。但是我们也不能忽视它带来的影响和冲击。

关于ajax的名字

ajax 的全称是Asynchronous JavaScript and XML,其中,Asynchronous 是异步的意思,它有别于传统web开发中采用的同步的方式。

关于同步和异步

异步传输是面向字符的传输,它的单位是字符;而同步传输是面向比特的传输,它的单位是桢,它传输的时候要求接受方和发送方的时钟是保持一致的。

具体来说,异步传输是将比特分成小组来进行传送。一般每个小组是一个8位字符,在每个小组的头部和尾部都有一个开始位和一个停止位,它在传送过程中接收方和发送方的时钟不要求一致,也就是说,发送方可以在任何时刻发送这些小组,而接收方并不知道它什么时候到达。一个最明显的例子就是计算机键盘和主机的通信,按下一个键的同时向主机发送一个8比特位的ASCII代码,键盘可以在任何时刻发送代码,这取决于用户的输入速度,内部的硬件必须能够在任何时刻接收一个键入的字符。这是一个典型的异步传输过程。异步传输存在一个潜在的问题,即接收方并不知道数据会在什么时候到达。在它检测到数据并做出响应之前,第一个比特已经过去了。这就像有人出乎意料地从后面走上来跟你说话,而你没来得及反应过来,漏掉了最前面的几个词。因此,每次异步传输的信息都以一个起始位开头,它通知接收方数据已经到达了,这就给了接收方响应、接收和缓存数据比特的时间;在传输结束时,一个停止位表示该次传输信息的终止。按照惯例,空闲(没有传送数据)的线路实际携带着一个代表二进制1的信号。步传输的开始位使信号变成0,其他的比特位使信号随传输的数据信息而变化。最后,停止位使信号重新变回1,该信号一直保持到下一个开始位到达。例如在键盘上数字“1”,按照8比特位的扩展ASCII编码,将发送“00110001”,同时需要在8比特位的前面加一个起始位,后面一个停止位。

同步传输的比特分组要大得多。它不是独立地发送每个字符,每个字符都有自己的开始位和停止位,而是把它们组合起来一起发送。我们将这些组合称为数据帧,或简称为帧。

数据帧的第一部分包含一组同步字符,它是一个独特的比特组合,类似于前面提到的起始位,用于通知接收方一个帧已经到达,但它同时还能确保接收方的采样速度和比特的到达速度保持一致,使收发双方进入同步。

帧的最后一部分是一个帧结束标记。与同步字符一样,它也是一个独特的比特串,类似于前面提到的停止位,用于表示在下一帧开始之前没有别的即将到达的数据了。

同步传输通常要比异步传输快速得多。接收方不必对每个字符进行开始和停止的操作。一旦检测到帧同步字符,它就在接下来的数据到达时接收它们。另外,同步传输的开销也比较少。例如,一个典型的帧可能有500字节(即4000比特)的数据,其中可能只包含100比特的开销。这时,增加的比特位使传输的比特总数增加2.5%,这与异步传输中25 %的增值要小得多。随着数据帧中实际数据比特位的增加,开销比特所占的百分比将相应地减少。但是,数据比特位越长,缓存数据所需要的缓冲区也越大,这就限制了一个帧的大小。另外,帧越大,它占据传输媒体的连续时间也越长。在极端的情况下,这将导致其他用户等得太久。

了解了同步和异步的概念之后,大家应该对ajax为什么可以提升用户体验应该比较清晰了,它是利用异步请求方式的。打个比方,如果现在你家里所在的小区因某种情况而面临停水,现在有关部门公布了两种方案,一是完全停水8个小时,在这8个小时内完全停水,8个小时后恢复正常。二是不完全停水10 个小时,在这10个小时内水没有完全断,只是流量比原来小了很多,在10个小时后恢复正常流量,那么,如果是你你会选择哪种方式呢?显然是后者。

ajax所包含的技术

大家都知道ajax并非一种新的技术,而是几种原有技术的结合体。它由下列技术组合而成。

  1. 使用CSS和XHTML来表示。
  2. 使用DOM模型来交互和动态显示。
  3. 使用XMLHttpRequest来和服务器进行异步通信。
  4. 使用javascript来绑定和调用。

在上面几中技术中,除了XmlHttpRequest对象以外,其它所有的技术都是基于web标准并且已经得到了广泛使用的,XMLHttpRequest虽然目前还没有被W3C所采纳,但是它已经是一个事实的标准,因为目前几乎所有的主流浏览器都支持它。

ajax原理和XmlHttpRequest对象

Ajax的原理简单来说通过XmlHttpRequest对象来向服务器发异步请求,从服务器获得数据,然后用javascript来操作DOM而更新页面。这其中最关键的一步就是从服务器获得请求数据。要清楚这个过程和原理,我们必须对 XMLHttpRequest有所了解。

XMLHttpRequest是ajax的核心机制,它是在IE5中首先引入的,是一种支持异步请求的技术。简单的说,也就是javascript可以及时向服务器提出请求和处理响应,而不阻塞用户。达到无刷新的效果。

所以我们先从XMLHttpRequest讲起,来看看它的工作原理。

首先,我们先来看看XMLHttpRequest这个对象的属性。

它的属性有:

属性 描述
onreadystatechange 每次状态改变所触发事件的事件处理程序。
responseText 从服务器进程返回数据的字符串形式。
responseXML 从服务器进程返回的DOM兼容的文档数据对象。
status 从服务器返回的数字代码,比如常见的404(未找到)和200(已就绪)
status Text 伴随状态码的字符串信息
readyState 对象状态值

对象状态值:

readyState 含义
0 (未初始化) 对象已建立,但是尚未初始化(尚未调用open方法)
1 (初始化) 对象已建立,尚未调用send方法
2 (发送数据) send方法已调用,但是当前的状态及http头未知
3 (数据传送中) 已接收部分数据,因为响应及http头不全,这时通过responseBody和responseText获取部分数据会出现错误
4 (完成) 数据接收完毕,此时可以通过通过responseXml和responseText获取完整的回应数据

但是,由于各浏览器之间存在差异,所以创建一个XMLHttpRequest对象可能需要不同的方法。这个差异主要体现在IE和其它浏览器之间。下面是一个比较标准的创建XMLHttpRequest对象的方法。

function CreateXmlHttp()
   {
   //非IE浏览器创建XmlHttpRequest对象
    if(window.XmlHttpRequest)
    {
     xmlhttp=new XmlHttpRequest();
    }
    //IE浏览器创建XmlHttpRequest对象
     if(window.ActiveXObject)
    {
    try
    {
     xmlhttp=new ActiveXObject("Microsoft.XMLHTTP");    
    }
    catch(e)
    {
    try{
     xmlhttp=new ActiveXObject("msxml2.XMLHTTP");
     }
     catch(ex){}
    }
    }
   }

function Ustbwuyi()
   {
    var data=document.getElementById("username").value;  
        CreateXmlHttp();
        if(!xmlhttp)
        {
         alert("创建xmlhttp对象异常!");
         return false;
        }      
        xmlhttp.open("POST",url,false);
        xmlhttp.onreadystatechange=function()
        {  
         if(xmlhttp.readyState==4)
           {
           document.getElementById("user1").innerHTML="数据正在加载...";
             if(xmlhttp.status==200)
             {
              document.write(xmlhttp.responseText);
             }     
           }
         }
        xmlhttp.send();
   }  

如上所示,函数首先检查XMLHttpRequest的整体状态并且保证它已经完成(readyStatus=4),即数据已经发送完毕。然后根据服务器的设定询问请求状态,如果一切已经就绪(status=200),那么就执行下面需要的操作。

对于XmlHttpRequest的两个方法,open和send,其中open方法指定了:

  1. 向服务器提交数据的类型,即post还是get。
  2. 请求的url地址和传递的参数。
  3. 传输方式,false为同步,true为异步。默认为true。如果是异步通信方式(true),客户机就不等待服务器的响应;如果是同步方式(false),客户机就要等到服务器返回消息后才去执行其他操作。我们需要根据实际需要来指定同步方式,在某些页面中,可能会发出多个请求,甚至是有组织有计划有队形大规模的高强度的request,而后一个是会覆盖前一个的,这个时候当然要指定同步方式。

Send方法用来发送请求。

知道了XMLHttpRequest的工作流程,我们可以看出,XMLHttpRequest是完全用来向服务器发出一个请求的,它的作用也局限于此,但它的作用是整个ajax实现的关键,因为ajax无非是两个过程,发出请求和响应请求。并且它完全是一种客户端的技术。而XMLHttpRequest正是处理了服务器端和客户端通信的问题所以才会如此的重要。

现在,我们对ajax的原理大概可以有一个了解了。我们可以把服务器端看成一个数据接口,它返回的是一个纯文本流,当然,这个文本流可以是XML格式,可以是Html,可以是Javascript代码,也可以只是一个字符串。这时候,XMLHttpRequest向服务器端请求这个页面,服务器端将文本的结果写入页面,这和普通的web开发流程是一样的,不同的是,客户端在异步获取这个结果后,不是直接显示在页面,而是先由javascript来处理,然后再显示在页面。至于现在流行的很多ajax控件,比如magicajax等,可以返回DataSet等其它数据类型,只是将这个过程封装了的结果,本质上他们并没有什么太大的区别。

ajax的优点

Ajax的给我们带来的好处大家基本上都深有体会,在这里我只简单的讲几点:

  1. 最大的一点是页面无刷新,在页面内与服务器通信,给用户的体验非常好。
  2. 使用异步方式与服务器通信,不需要打断用户的操作,具有更加迅速的响应能力。
  3. 可以把以前一些服务器负担的工作转嫁到客户端,利用客户端闲置的能力来处理,减轻服务器和带宽的负担,节约空间和宽带租用成本。并且减轻服务器的负担,ajax的原则是“按需取数据”,可以最大程度的减少冗余请求,和响应对服务器造成的负担。
  4. 基于标准化的并被广泛支持的技术,不需要下载插件或者小程序。

ajax的缺点

下面我着重讲一讲ajax的缺陷,因为平时我们大多注意的都是ajax给我们所带来的好处诸如用户体验的提升。而对ajax所带来的缺陷有所忽视。

下面所阐述的ajax的缺陷都是它先天所产生的。

  1. ajax干掉了back按钮
  2. ajax干掉了back按钮,即对浏览器后退机制的破坏。后退按钮是一个标准的web站点的重要功能,但是它没法和js进行很好的合作。这是ajax所带来的一个比较严重的问题,因为用户往往是希望能够通过后退来取消前一次操作的。那么对于这个问题有没有办法?答案是肯定的,用过Gmail的知道,Gmail下面采用的ajax技术解决了这个问题,在Gmail下面是可以后退的,但是,它也并不能改变ajax的机制,它只是采用的一个比较笨但是有效的办法,即用户单击后退按钮访问历史记录时,通过创建或使用一个隐藏的IFRAME来重现页面上的变更。(例如,当用户在Google Maps中单击后退时,它在一个隐藏的IFRAME中进行搜索,然后将搜索结果反映到Ajax元素上,以便将应用程序状态恢复到当时的状态。) 但是,虽然说这个问题是可以解决的,但是它所带来的开发成本是非常高的,和ajax框架所要求的快速开发是相背离的。这是ajax所带来的一个非常严重的问题。

  3. 安全问题
  4. 技术同时也对IT企业带来了新的安全威胁,ajax技术就如同对企业数据建立了一个直接通道。这使得开发者在不经意间会暴露比以前更多的数据和服务器逻辑。ajax的逻辑可以对客户端的安全扫描技术隐藏起来,允许黑客从远端服务器上建立新的攻击。还有ajax也难以避免一些已知的安全弱点,诸如跨站点脚步攻击、SQL注入攻击和基于credentials的安全漏洞等。

  5. 对搜索引擎的支持比较弱
  6. 破坏了程序的异常机制
  7. 至少从目前看来,像ajax.dll,ajaxpro.dll这些ajax框架是会破坏程序的异常机制的。关于这个问题,我曾经在开发过程中遇到过,但是查了一下网上几乎没有相关的介绍。后来我自己做了一次试验,分别采用ajax和传统的form提交的模式来删除一条数据……给我们的调试带来了很大的困难。

  8. 其他方面的一些问题
  9. 另外,像其他方面的一些问题,比如说违背了url和资源定位的初衷。例如,我给你一个url地址,如果采用了ajax技术,也许你在该url地址下面看到的和我在这个url地址下看到的内容是不同的。这个和资源定位的初衷是相背离的。

  10. 一些手持设备(如手机、PDA等)现在还不能很好的支持ajax
  11. 一些手持设备(如手机、PDA等)现在还不能很好的支持ajax,比如说我们在手机的浏览器上打开采用ajax技术的网站时,它目前是不支持的,当然,这个问题和我们没太多关系。

ajax的几种框架

目前我们采用的比较多的ajax框架主要有ajax.dll,ajaxpro.dll,magicajax.dll 以及微软的atlas框架。Ajax.dll和Ajaxpro.dll这两个框架差别不大,而magicajax.dll只是封装得更厉害一些,比如说它可以直接返回DataSet数据集,前面我们已经说过,ajax返回的都是字符串,magicajax只是对它进行了封装而已。但是它的这个特点可以给我们带来很大的方便,比如说我们的页面有一个列表,而列表的数据是不断变化的,那么我们可以采用magicajax来处理,操作很简单,添加magicajax之后,将要更新的列表控件放在magicajax的控件之内,然后在pageload里面定义更新间隔的时间就ok了,atlas的原理和magicajax差不多。但是,需要注意的一个问题是,这几种框架都只支持IE,没有进行浏览器兼容方面的处理,用反编译工具察看他们的代码就可以知道。

除了这几种框架之外,我们平时用到的比较多的方式是自己创建xmlHttpRequest对象,这种方式和前面的几种框架相比更具有灵活性。另外,在这里还提一下aspnet2.0自带的异步回调接口,它和ajax一样也可以实现局部的无刷新,但它的实现实际上也是基于xmlhttprequest对象的,另外也是只支持IE,当然这是微软的一个竞争策略。

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