GraphQL 从入门到实践

本文首先介绍了 GraphQL，再通过 MongoDB + graphql + graph-pack 的组合实战应用 GraphQL，详细阐述如何使用 GraphQL 来进行增删改查和数据订阅推送，并附有使用示例，边用边学印象深刻~

如果希望将 GraphQL 应用到前后端分离的生产环境，请期待后续文章。

本文实例代码：Github

0. 什么是 GraphQL

GraphQL 是一种面向数据的 API 查询风格。

传统的 API 拿到的是前后端约定好的数据格式，GraphQL 对 API 中的数据提供了一套易于理解的完整描述，客户端能够准确地获得它需要的数据，没有任何冗余，也让 API 更容易地随着时间推移而演进，还能用于构建强大的开发者工具。

1. 概述

前端的开发随着 SPA 框架全面普及，组件化开发也随之成为大势所趋，各个组件分别管理着各自的状态，组件化给前端仔带来便利的同时也带来了一些烦恼。比如，组件需要负责把异步请求的状态分发给子组件或通知给父组件，这个过程中，由组件间通信带来的结构复杂度、来源不明的数据源、不知从何订阅的数据响应会使得数据流变得杂乱无章，也使得代码可读性变差，以及可维护性的降低，为以后项目的迭代带来极大困难。

试想一下你都开发完了，产品告诉你要大改一番，从接口到组件结构都得改，后端也骂骂咧咧不愿配合让你从好几个 API 里取数据自己组合，这酸爽 😅

在一些产品链复杂的场景，后端需要提供对应 WebApp、WebPC、APP、小程序、快应用等各端 API，此时 API 的粒度大小就显得格外重要，粗粒度会导致移动端不必要的流量损耗，细粒度则会造成函数爆炸 (Function Explosion)；在此情景下 Facebook 的工程师于 2015 年开源了 GraphQL 规范，让前端自己描述自己希望的数据形式，服务端则返回前端所描述的数据结构。

简单使用可以参照下面这个图：

比如前端希望返回一个 ID 为 233 的用户的名称和性别，并查找这个用户的前十个雇员的名字和 Email，再找到这个人父亲的电话，和这个父亲的狗的名字（别问我为什么有这么奇怪的查找 🤪），那么我们可以通过 GraphQL 的一次 query 拿到全部信息，无需从好几个异步 API 里面来回找：

query {
  user (id : "233") {
    name
    gender
    employee (first: 10) {
      name
      email
    }
    father {
      telephone
      dog {
          name
      }
    }
  }
}

返回的数据格式则刚好是前端提供的数据格式，不多不少，是不是心动了 😏

2. 几个重要概念

这里先介绍几个对理解 GraphQL 比较重要的概念，其他类似于指令、联合类型、内联片段等更复杂的用法，参考 GraphQL 官网文档 ~

2.1 操作类型 Operation Type

GraphQL 的操作类型可以是 query、mutation 或 subscription，描述客户端希望进行什么样的操作

1. query 查询：获取数据，比如查找，CRUD 中的 R
2. mutation 变更：对数据进行变更，比如增加、删除、修改，CRUD 中的 CUD
3. substription 订阅：当数据发生更改，进行消息推送

这些操作类型都将在后文实际用到，比如这里进行一个查询操作

query {
  user { id }
}

2.2 对象类型和标量类型 Object Type & Scalar Type

如果一个 GraphQL 服务接受到了一个 query，那么这个 query 将从 Root Query 开始查找，找到对象类型（Object Type）时则使用它的解析函数 Resolver 来获取内容，如果返回的是对象类型则继续使用解析函数获取内容，如果返回的是标量类型（Scalar Type）则结束获取，直到找到最后一个标量类型。

1. 对象类型：用户在 schema 中定义的 type
2. 标量类型：GraphQL 中内置有一些标量类型 String、Int、Float、Boolean、ID，用户也可以定义自己的标量类型

比如在 Schema 中声明

type User {
  name: String!
  age: Int
}

这个 User 对象类型有两个字段，name 字段是一个为 String 的非空标量，age 字段为一个 Int 的可空标量。

2.3 模式 Schema

如果你用过 MongoOSE，那你应该对 Schema 这个概念很熟悉，翻译过来是『模式』。

它定义了字段的类型、数据的结构，描述了接口数据请求的规则，当我们进行一些错误的查询的时候 GraphQL 引擎会负责告诉我们哪里有问题，和详细的错误信息，对开发调试十分友好。

Schema 使用一个简单的强类型模式语法，称为模式描述语言（Schema Definition Language, SDL），我们可以用一个真实的例子来展示一下一个真实的 Schema 文件是怎么用 SDL 编写的：

# src/schema.graphql

# Query 入口
type Query {
    hello: String
    users: [User]!
    user(id: String): [User]!
}

# Mutation 入口
type Mutation {
    createUser(id: ID!, name: String!, email: String!, age: Int,gender: Gender): User!
    updateUser(id: ID!, name: String, email: String, age: Int, gender: Gender): User!
    deleteUser(id: ID!): User
}

# Subscription 入口
type Subscription {
    subsUser(id: ID!): User
}

type User implements UserInterface {
    id: ID!
    name: String!
    age: Int
    gender: Gender
    email: String!
}

# 枚举类型
enum Gender {
    MAN
    WOMAN
}

# 接口类型
interface UserInterface {
    id: ID!
    name: String!
    age: Int
    gender: Gender
}

这个简单的 Schema 文件从 Query、Mutation、Subscription 入口开始定义了各个对象类型或标量类型，这些字段的类型也可能是其他的对象类型或标量类型，组成一个树形的结构，而用户在向服务端发送请求的时候，沿着这个树选择一个或多个分支就可以获取多组信息。

注意：在 Query 查询字段时，是并行执行的，而在 Mutation 变更的时候，是线性执行，一个接着一个，防止同时变更带来的竞态问题，比如说我们在一个请求中发送了两个 Mutation，那么前一个将始终在后一个之前执行。

2.4 解析函数 Resolver

前端请求信息到达后端之后，需要由解析函数 Resolver 来提供数据，比如这样一个 Query：

query {
  hello
}

那么同名的解析函数应该是这样的

Query: {
  hello (parent, args, context, info) {
    return ...
  }
}

解析函数接受四个参数，分别为

1. parent：当前上一个解析函数的返回值
2. args：查询中传入的参数
3. context：提供给所有解析器的上下文信息
4. info：一个保存与当前查询相关的字段特定信息以及 schema 详细信息的值

解析函数的返回值可以是一个具体的值，也可以是 Promise 或 Promise 数组。

一些常用的解决方案如 Apollo 可以帮省略一些简单的解析函数，比如一个字段没有提供对应的解析函数时，会从上层返回对象中读取和返回与这个字段同名的属性。

2.5 请求格式

GraphQL 最常见的是通过 HTTP 来发送请求，那么如何通过 HTTP 来进行 GraphQL 通信呢

举个栗子，如何通过 Get/Post 方式来执行下面的 GraphQL 查询呢

query {
  me {
    name
  }
}

Get 是将请求内容放在 URL 中，Post 是在 content-type: application/json 情况下，将 JSON 格式的内容放在请求体里

# Get 方式
http://myapi/graphql?query={me{name}}

# Post 方式的请求体
{
  "query": "...",
  "operationName": "...",
  "variables": { "myVariable": "someValue", ... }
}

返回的格式一般也是 JSON 体

# 正确返回
{
  "data": { ... }
}

# 执行时发生错误
{
  "errors": [ ... ]
}

如果执行时发生错误，则 errors 数组里有详细的错误信息，比如错误信息、错误位置、抛错现场的调用堆栈等信息，方便进行定位。

3. 实战

这里使用 MongoDB + graph-pack 进行一下简单的实战，并在实战中一起学习一下，详细代码参见 Github ~

MongoDB 是一个使用的比较多的 NoSQL，可以方便的在社区找到很多现成的解决方案，报错了也容易找到解决方法。

graph-pack 是集成了 Webpack + Express + Prisma + Babel + Apollo-server + Websocket 的支持热更新的零配置 GraphQL 服务环境，这里将其用来演示 GraphQL 的使用。

3.1 环境部署

首先我们把 MongoDB 启起来，这个过程就不赘述了，网上很多教程；

搭一下 graph-pack 的环境

npm i -S graphpack

在 package.json 的 scripts 字段加上：

"scripts": {
    "dev": "graphpack",
    "build": "graphpack build"
}

创建文件结构：

.
├── src
│   ├── db					// 数据库操作相关
│   │   ├── connect.js		// 数据库操作封装
│   │   ├── index.js		// DAO 层
│   │   └── setting.js		// 配置
│   ├── resolvers			// resolvers
│   │   └── index.js
│   └── schema.graphql		// schema
└── package.json

这里的 schema.graphql 是 2.3 节的示例代码，其他实现参见 Github，主要关注 src/db 、src/resolvers、src/schema.graphql 这三个地方

1. src/db：数据库操作层，包括 DAO 层和 Service 层（如果对分层不太了解可以看一下最后一章）
2. src/resolvers：Resolver 解析函数层，给 GraphQL 的 Query、Mutation、Subscription 请求提供 resolver 解析函数
3. src/schema.graphql：Schema 层

然后 npm run dev ，浏览器打开 http://localhost:4000/ 就可以使用 GraphQL Playground 开始调试了，左边是请求信息栏，左下是请求参数栏和请求头设置栏，右边是返回参数栏，详细用法可以参考 Prisma 文档

3.2 Query

首先我们来试试 hello world，我们在 schema.graphql 中写上 Query 的一个入口 hello，它接受 String 类型的返回值

# src/schema.graphql

# Query 入口
type Query {
    hello: String
}

在 src/resolvers/index.js 中补充对应的 Resolver，这个 Resolver 比较简单，直接返回的 String

// src/resolvers/index.js

export default {
    Query: {
        hello: () => 'Hello world!'
    }
}

我们在 Playground 中进行 Query

# 请求
query {
  hello
}

# 返回值
{
  "data": {
    "hello": "Hello world!"
  }
}

Hello world 总是如此愉快，下面我们来进行稍微复杂一点的查询

查询入口 users 查找所有用户列表，返回一个不可空但长度可以为 0 的数组，数组中如果有元素，则必须为 User 类型；另一个查询入口 user 接受一个字符串，查找 ID 为这个字符串的用户，并返回一个 User 类型的可空字段

# src/schema.graphql

# Query 入口
type Query {
    user(id: String): User
    users: [User]!
}

type User {
    id: ID!
    name: String!
    age: Int
    email: String!
}

增加对应的 Resolver

// src/resolvers/index.js

import Db from '../db'

export default {
    Query: {
        user: (parent, { id }) => Db.user({ id }),
        users: (parent, args) => Db.users({})
    }
}

这里的两个方法 Db.user、Db.users 分别是查找对应数据的函数，返回的是 Promise，如果这个 Promise 被 resolve，那么传给 resolve 的数据将被作为结果返回。

然后进行一次查询就可以查找我们所希望的所有信息

# 请求
query {
  user(id: "2") {
    id
    name
    email
    age
  }
  users {
    id
    name
  }
}

# 返回值
{
  "data": {
    "user": {
      "id": "2",
      "name": "李四",
      "email": "mmmmm@qq.com",
      "age": 18
    },
    "users": [{
        "id": "1",
        "name": "张三"
      },{
        "id": "2",
        "name": "李四"
      }]
  }
}

注意这里，返回的数组只希望拿到 id、name 这两个字段，因此 GraphQL 并没有返回多余的数据，怎么样，是不是很贴心呢

3.3 Mutation

知道如何查询数据，还得了解增加、删除、修改，毕竟这是 CRUD 工程师必备的几板斧，不过这里只介绍比较复杂的修改，另外两个方法可以看一下 Github 上。

# src/schema.graphql

# Mutation 入口
type Mutation {
    updateUser(id: ID!, name: String, email: String, age: Int): User!
}

type User {
    id: ID!
    name: String!
    age: Int
    email: String!
}

同理，Mutation 也需要 Resolver 来处理请求

// src/resolvers/index.js

import Db from '../db'

export default {
    Mutation: {
        updateUser: (parent, { id, name, email, age }) => Db.user({ id })
            .then(existUser => {
                if (!existUser)
                    throw new Error('没有这个id的人')
                return existUser
            })
            .then(() => Db.updateUser({ id, name, email, age }))
    }
}

Mutation 入口 updateUser 拿到参数之后首先进行一次用户查询，如果没找到则抛错，这个错将作为 error 信息返回给用户，Db.updateUser 这个函数返回的也是 Promise，不过是将改变之后的信息返回

# 请求
mutation UpdataUser ($id: ID!, $name: String!, $email: String!, $age: Int) {
  updateUser(id: $id, name: $name, email: $email, age: $age) {
    id
    name
    age
  }
}

# 参数
{"id": "2", "name": "王五", "email": "xxxx@qq.com", "age": 19}

# 返回值
{
  "data": {
    "updateUser": {
      "id": "2",
      "name": "王五",
      "age": 19
    }
  }
}

这样完成了对数据的更改，且拿到了更改后的数据，并给定希望的字段。

3.4 Subscription

GraphQL 还有一个有意思的地方就是它可以进行数据订阅，当前端发起订阅请求之后，如果后端发现数据改变，可以给前端推送实时信息，我们用一下看看。

照例，在 Schema 中定义 Subscription 的入口

# src/schema.graphql

# Subscription 入口
type Subscription {
    subsUser(id: ID!): User
}

type User {
    id: ID!
    name: String!
    age: Int
    email: String!
}

补充上它的 Resolver

// src/resolvers/index.js

import Db from '../db'

const { PubSub, withFilter } = require('apollo-server')
const pubsub = new PubSub()
const USER_UPDATE_CHANNEL = 'USER_UPDATE'

export default {
    Mutation: {
        updateUser: (parent, { id, name, email, age }) => Db.user({ id })
            .then(existUser => {
                if (!existUser)
                    throw new Error('没有这个id的人')
                return existUser
            })
            .then(() => Db.updateUser({ id, name, email, age }))
            .then(user => {
                pubsub.publish(USER_UPDATE_CHANNEL, { subsUser: user })
                return user
            })
    },
    Subscription: {
        subsUser: {
            subscribe: withFilter(
                (parent, { id }) => pubsub.asyncIterator(USER_UPDATE_CHANNEL),
                (payload, variables) => payload.subsUser.id === variables.id
            ),
            resolve: (payload, variables) => {
                console.log(' 接收到数据： ', payload)
            }
        }
    }
}

这里的 pubsub 是 apollo-server 里负责订阅和发布的类，它在接受订阅时提供一个异步迭代器，在后端觉得需要发布订阅的时候向前端发布 payload。withFilter 的作用是过滤掉不需要的订阅消息，详细用法参照订阅过滤器。

首先我们发布一个订阅请求

# 请求
subscription subsUser($id: ID!) {
  subsUser(id: $id) {
    id
    name
    age
    email
  }
}

# 参数
{ "id": "2" }

我们用刚刚的数据更新操作来进行一次数据的更改，然后我们将获取到并打印出 pubsub.publish 发布的 payload，这样就完成了数据订阅。

在 graph-pack 中数据推送是基于 websocket 来实现的，可以在通信的时候打开 Chrome DevTools 看一下。

4. 总结

目前前后端的结构大概如下图。后端通过 DAO 层与数据库连接实现数据持久化，服务于处理业务逻辑的 Service 层，Controller 层接受 API 请求调用 Service 层处理并返回；前端通过浏览器 URL 进行路由命中获取目标视图状态，而页面视图是由组件嵌套组成，每个组件维护着各自的组件级状态，一些稍微复杂的应用还会使用集中式状态管理的工具，比如 Vuex、Redux、Mobx 等。前后端只通过 API 来交流，这也是现在前后端分离开发的基础。

如果使用 GraphQL，那么后端将不再产出 API，而是将 Controller 层维护为 Resolver，和前端约定一套 Schema，这个 Schema 将用来生成接口文档，前端直接通过 Schema 或生成的接口文档来进行自己期望的请求。

经过几年一线开发者的填坑，已经有一些不错的工具链可以使用于开发与生产，很多语言也提供了对 GraphQL 的支持，比如 JavaScript/Nodejs、Java、PHP、Ruby、Python、Go、C# 等。

一些比较有名的公司比如 Twitter、IBM、Coursera、Airbnb、Facebook、Github、携程等，内部或外部 API 从 RESTful 转为了 GraphQL 风格，特别是 Github，它的 v4 版外部 API 只使用 GraphQL。据一位在 Twitter 工作的大佬说硅谷不少一线二线的公司都在想办法转到 GraphQL 上，但是同时也说了 GraphQL 还需要时间发展，因为将它使用到生产环境需要前后端大量的重构，这无疑需要高层的推动和决心。

正如尤雨溪所说，为什么 GraphQL 两三年前没有广泛使用起来呢，可能有下面两个原因：

1. GraphQL 的 field resolve 如果按照 naive 的方式来写，每一个 field 都对数据库直接跑一个 query，会产生大量冗余 query，虽然网络层面的请求数被优化了，但数据库查询可能会成为性能瓶颈，这里面有很大的优化空间，但并不是那么容易做。FB 本身没有这个问题，因为他们内部数据库这一层也是抽象掉的，写 GraphQL 接口的人不需要顾虑 query 优化的问题。
2. GraphQL 的利好主要是在于前端的开发效率，但落地却需要服务端的全力配合。如果是小公司或者整个公司都是全栈，那可能可以做，但在很多前后端分工比较明确的团队里，要推动 GraphQL 还是会遇到各种协作上的阻力。

大约可以概括为性能瓶颈和团队分工的原因，希望随着社区的发展，基础设施的完善，会渐渐有完善的解决方案提出，让广大前后端开发者们可以早日用上此利器。

网上的帖子大多深浅不一，甚至有些前后矛盾，在下的文章都是学习过程中的总结，如果发现错误，欢迎留言指出~

参考：

1. GraphQL | 一种为你的 API 而生的查询语言
2. JSON-RPC 2.0 规范 - wiki . leozvc
3. GraphQL 为何没有火起来? - 尤雨溪的回答 - 知乎
4. GraphQL什么鬼 | kazaff’s blog

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