Wie sich Client und Server JavaScript

Schwerpunktthema 
Ein Ritt auf dem Nashorn
Wie sich Client und
Server JavaScript-Code
teilen können
Lukasz Plotnicki, Manuel Pütz
Mit Java 8 hat die JavaScript-Engine Rhino den Nachfolger Nashorn
erhalten. Der Artikel beschreibt einen Anwendungsfall, der im ersten
Moment ungewöhnlich erscheint: Das Ausführen in JavaScript implementierter Datenmigrationen in einer Java-Server-Anwendung.
Einleitung und Motivation
Zunächst beschreiben wir kurz das Szenario, in dem wir
diesen Anwendungsfall gefunden haben. Unsere Anwendung wird zum Erstellen von Dokumenten verwendet und
muss auch ohne zuverlässige Internet-Anbindung nutzbar
sein. Selbst wenn mehrere Tage oder Wochen lang keine Internet-Verbindung besteht, soll das die Funktionalität nicht beeinträchtigen. Der Client ist eine Webapplikation (Single-Page
App), die auf AngularJS basiert und Daten in einer IndexedDB
speichert.
Der Server ist mit Java 8 und Spring MVC umgesetzt und
speichert die Daten in einer MongoDB. Dabei wird die Struktur eines Dokuments im Client definiert und das Backend wird
lediglich zur Synchronisierung zwischen verschiedenen Clients
beziehungsweise als Backup verwendet. Damit ist die ClientAnwendung weitgehend unabhängig und dank Application
Cache, IndexedDB und anderen HTML5-Programmierschnittstellen beziehungsweise Web-Storage-Technologien auch offline
vollständig funktionsfähig. Sobald der Client eine Verbindung
zum Backend aufgebaut hat, synchronisiert er die Dokumente.
In diesem Szenario haben wir zwei NoSQL-Datenbanken
und folglich kein klassisches Datenbankschema. Es gibt aber
ein implizites Schema (siehe auch [MART]), das im JavaScriptCode im Client lebt. Das Backend dagegen weiß wenig über die
Struktur der Daten. Es muss lediglich einige Metadaten zur Erkennung von Konflikten beim Synchronisieren verwalten. Der
große Vorteil ist, dass bei Änderungen an der Datenstruktur nur
der Client, nicht aber das Backend angepasst werden muss.
Es stellt sich allerdings die Frage, wie wir mit Datenmigrationen umgehen. Bei dieser Architektur müssen jederzeit
Client-Datenbanken in unterschiedlichen Versionen mit der
E
Datenbank im zentralen Backend zusammenarbeiten können.
Diese Versionsheterogenität ergibt sich aus den unterschiedlich
langen Offline-Perioden einzelner Clients und der Anzahl an
Releases, die in der Zwischenzeit veröffentlicht worden sind.
Obwohl das Backend nur über eine grobe Kenntnis der Datenstruktur verfügt, wäre die Erstellung akkurater Berichte und
jegliche Fehleranalyse erheblich schwerer, wenn die Daten
nicht auch serverseitig migriert würden.
Hier kommt Nashorn ins Spiel, das es uns ermöglicht, die in
JavaScript geschriebenen Client-Migrationen auch im Backend
zu verwenden.
Nashorn
Nashorn ist eine mit JDK8 ausgelieferte JavaScript-Engine, die
Heine erheblich bessere Performance im Vergleich zum Vorgänger Rhino aufweist,
Hmit dem ECMAScript 5.1-Standard kompatibel ist und
Heine einfache Ausführung von JavaScript-Code auf der JVM
ermöglicht.
Die dynamische Natur von JavaScript wird somit mit dem reichen Java-Ökosystem verbunden und bietet eine sehr gute Alternative bei der Lösung vieler Problemstellungen: Skript-Erstellung, serverseitige Benutzung der JavaScript-Tools (z. B.
Templating-Engines) oder Wiederverwendung des ClientCodes, die Einsatzmöglichkeiten sind breit. Der Einstieg ist
einfach, da Nashorn mittels jjs [ORAC] eine interaktive REPL anbietet und gleichzeitig eine leichte Erstellung ausführbarer Skripte ermöglicht.
#!/usr/bin/jjs
var time = Packages.java.time;
var timeFormat = time.format.DateTimeFormatter.ofPattern('hh:mm');
var dateFormat = time.format.DateTimeFormatter.ofPattern('dd.MM.yyyy');
var currentTime = time.LocalTime.now().format(timeFormat);
var currentDate = time.LocalDate.now().format(dateFormat);
print('Hello Lukasz');
print("Aktuelle Zeit: ${currentTime} & Datum: ${currentDate}");
Listing 1: Shebang-Skript mit JavaScript und Java
Abb. 1: Überblick
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Listing 1 zeigt den Aufruf von Java-Klassen aus JavaScript.
Sollte die JDK-Programmierschnittstelle nicht ausreichen, kann
der Classpath um weitere Java-Bibliotheken ergänzt werden:
#!/usr/bin/jjs -cp ./lib/commons-lang3-3.4.jar.
JavaSPEKTRUM 4/2015

Schwerpunktthema
Alles, was zum Ausführen des JavaScript-Codes aus Java nötig
ist, kann in dem javax.script-Package gefunden werden. Listing
2 zeigt das Erzeugen einer Nashorn-Engine und wie mit dieser
beliebige JavaScript-Dateien geladen und darin definierte Funktionen aufgerufen werden. Hierbei ist zu beachten, dass dabei
keinerlei Überprüfung stattfinden kann, ob die genannte Funktion existiert oder nicht. Dementsprechend kann bei einem Fehler
zur Laufzeit die java.lang.NoSuchMethodException ausgelöst werden.
import javax.script.Invocable;
import javax.script.ScriptEngine;
import javax.script.ScriptEngineManager;
import javax.script.ScriptException;
// (..)
ScriptEngine nashorn =
new ScriptEngineManager().getEngineByName("nashorn");
nashorn.eval(new FileReader("calculator.js"));
Double added =
(Double) ((Invocable) nashorn).invokeFunction("add", 1, 2);
Double multiplied =
(Double) ((Invocable) nashorn).invokeFunction("multiply", added, 2);
Listing 2: JavaScript-Ausführung mittels Nashorn-Engine
function
return
}
function
return
}
add(one, two) {
one + two;
multiply(one, two) {
one * two;
Listing 3: calculator.js
Die hier geladenen Dateien werden automatisch beim Erstellen einer neuer Version der Anwendung aus dem ClientRepository mittels eines Gradle-Tasks kopiert, sodass der ausgeführte Code auf beiden Seiten der gleiche ist. Listing 5 zeigt
die Funktion an der Schnittstelle zum JavaScript-Code für das
Migrieren eines einzelnen Datenobjekts aus Java.
function migrate(collectionName, data, targetVersion) {
return JSON.stringify(Migrations.execute(collectionName,
JSON.parse(data), targetVersion));
}
Listing 5: Schnittstelle zwischen Java und Migrationscode
Für das Backend sind die in der MongoDB gespeicherten Daten nur Datencontainer, die als Maps<> repräsentiert werden.
Daher ist es naheliegend, JSON als Austauschformat zwischen
Java und JavaScript zu wählen. Dies bedeutet, dass jedes aus
der MongoDB ausgelesene Objekt entsprechend in eine JSONRepräsentation umgewandelt werden muss, um nach einer
erfolgreichen Migration wieder aus JSON deserialisiert zu
werden. Für das JSON-Parsing in Java kommt Googles GSONBibliothek zum Einsatz.
Listing 6 zeigt die Schritte zum Migrieren aller Daten einer
einzelnen Datenbank-Collection.
// 1: Erstelle einen Datenbank-Cursor,
// um die zu migrierenden Daten zu finden
DBCursor objects = collection.find(query);
while (objects.hasNext()) {
DBObject oldData = objects.next();
// 2: Wandele jedes einzelne Datenobjekt in seine JSON-Darstellung um
String oldDataJson = gson.toJson(oldData.toMap());
Nashorn bietet auch eine ganze Reihe an JavaScript-SyntaxErweiterungen und speziellen Funktionen [NASH] an. Ein
Beispiel ist load(), mit der man zur Laufzeit weitere JavaScriptDateien laden und evaluieren kann. Diese Erweiterungen
werden jedoch oft nur von Nashorn unterstützt und deren
Benutzung führt dazu, dass der JavaScript-Code von anderen
Engines nicht korrekt ausgeführt wird.
// 3: Verwende den JavaScript-Code zum Migrieren des Datenobjekts
String migratedJson = (String) scriptEngine.invokeFunction(
"migrate", collection.getName(), oldDataJson, targetSchemaVersion);
// 4: Parse das JSON-Ergebnis für das Update der mongoDB
Type typeOfMap = new TypeToken<Map<String, Object>>() {}.getType();
Map<String, Object> migratedData =
gson.fromJson(migratedJson, typeOfMap);
migratedData.remove("_id");
collection.update(oldData, new BasicDBObject(migratedData));
Vorstellung unserer Lösung
}
Aus dem zuvor beschriebenen Szenario ergibt sich, dass für
den Migrationscode der größte gemeinsame Nenner zwischen
den beiden JavaScript-Engines V8 (Client wird ausschließlich in
Chrome verwendet) und Nashorn gefunden werden muss. Demnach kann beispielsweise die komplette Nashorn-Java-Programmierschnittstelle nicht verwendet werden. Auch für andere Nashorn-spezifische Funktionen wie load() zum Laden und Ausführen von Script-Dateien müssen Alternativen gefunden werden.
Wir versuchen, Abhängigkeiten zu JavaScript-Bibliotheken
weitestgehend zu vermeiden. Auf lodash wollten wir dann aber
doch nicht verzichten. Denn gerade beim Manipulieren großer
verschachtelter Collections im Rahmen einer Migration erweisen sich lodashs Collection-Funktionen als sehr hilfreich. Die
Alternative zu load() im JavaScript-Code wird im Java-Code
wie in Listing 4 umgesetzt.
ScriptEngine engine =
new ScriptEngineManager().getEngineByName("nashorn");
engine.eval(new InputStreamReader(
this.getClass().getResourceAsStream("/lodash.min.js")));
engine.eval(new InputStreamReader(
this.getClass().getResourceAsStream("/migrations.js")))
Listing 4: Initialisieren der Script-Engine
www.javaspektrum.de
Listing 6: Migration einer Collection aus Java
Fehlerbehandlung und -Logging
Es stellt sich die Frage, wie bei solch kritischem Code mit Fehlern umgegangen werden soll. Da die eigentliche Migration
in JavaScript immer nur mit genau einem Dokument aufgerufen wird, wird im Falle eines Fehlers dieses Dokument unverändert zurückgegeben und die Migration läuft weiter. Dazu
werden die einzelnen Migrationen mit einer Kopie der Daten
durchgeführt, damit, falls nötig, zum ursprünglichen Zustand
zurückgerollt werden kann, siehe Listing 7 (Listing 8 zeigt die
Funktion migrateOneVersion, die den Migrationscode aufruft). Da
jedes Dokument auch seine Datenschemaversion enthält, sind
bei der anschließenden Fehleranalyse alle nicht migrierten Dokumente leicht zu finden.
migrations.execute =
function (collectionName, data, targetVersion, logService) {
var migratedData = _.cloneDeep(data);
var currentVersion = parseInt(data.schemaVersion) || 1;
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Schwerpunktthema 
function migrateOneVersion(migrationVersion) {
var migrationVersionString = migrationVersion.toString();
var migration = migrations[collectionName][migrationVersionString];
if (migration) {
try {
migration(migratedData);
} catch (e) {
var cause = 'Could not migrate data: ' + JSON.stringify(data) +
', to version:' + targetVersion;
logService.logError(e, cause);
throw {name: 'MIGRATION_FAILED', message: cause};
}
} else {
logService.logInfo('No migration present for version: ' +
migrationVersionString);
}
}
try {
for (var migrationVersion = currentVersion + 1;
migrationVersion <= targetVersion; migrationVersion++) {
migrateOneVersion(migrationVersion);
}
} catch (e) {
logService.logInfo('Rolling back to version ' + currentVersion);
migratedData = data;
}
return migratedData;
};
Listing 7: Fehlerbehandlung
Solides Logging ist hier unabdingbar. Aber wie vermittelt
man vom JavaScript-Logger zum Java-Logger? Läuft die Migration im Client, dann ist ein logService als Angular-Service
definiert, der alle Fehlerinformationen inklusive einer ClientID an das Backend sendet, wo sie in Log-Dateien geschrieben
werden.
Läuft die Migration im Backend, übernimmt ein anderer logService, der deutlich vereinfacht werden kann. Das Versenden
eines Fehlerevents ist nicht nötig und Ausgaben auf System.
out werden schon in Log-Dateien umgeleitet. Hier bietet es
sich an, eine der zusätzlichen Nashorn-Funktionen zu verwenden: print() benutzt intern java.lang.System.out.println(). Listing
8 zeigt den vereinfachten logService für das Backend und der
Migrationscode verwendet die gemeinsame Schnittstelle.
Map<> und JSON zu JavaScript-Objekten nehmen wir gerne
in Kauf, denn der Umgang mit den erstellten Dokumenten ist
dank der dynamischen Natur von JavaScript in dieser Sprache
deutlich einfacher.
Wie man auch erkennt, wird unsere Migrationslogik einmalig ausgeführt (Big Bang Migration), indem alle Dokumente geladen und migriert werden, die der gewünschten Version nicht
entsprechen. Reporting und Suchfunktionalität sind deutlich
einfacher zu entwickeln und zu warten, wenn die gesamte
Datenbasis im Backend die gleiche Datenstruktur aufweist.
Dadurch dauert es bei einem Deployment gegebenenfalls
deutlich länger, bis die Migration abgeschlossen ist und das gesamte System bereitsteht. Wer diesen Nachteil vermeiden will,
könnte den gleichen Ansatz aber auch für Rolling Migrations
verwenden. Sobald ein Objekt gelesen wird, findet eine Überprüfung bezüglich der Version statt und falls nötig wird die
Migrationslogik via Nashorn angestoßen.
Wir haben die Möglichkeit des Code Sharing zwischen Client und Server in diesem Szenario sehr zu schätzen gelernt
und überlegen, es auch in anderen Bereichen einzusetzen.
Eine wichtige Funktion unserer Anwendung ist die Generierung von PDF-Dokumenten. Damit das auch ohne Verbindung
zum Backend jederzeit möglich ist, haben wir die Logik mit
JavaScript im Client implementiert. Nun wäre es denkbar, dass
für Reports auch im Backend PDF-Dokumente erzeugt werden
sollen. Mit Nashorn könnte auch dieser JavaScript-Code im
Backend verwendet werden, sodass für alle zu erzeugenden
PDFs eine gemeinsame Code-Basis verwendet werden kann.
Links
[MART] Schemaless – Implict schema,
//http://martinfowler.com/articles/schemaless/#implicit-schema
[NASH] Nashorn extensions,
https://wiki.openjdk.java.net/display/Nashorn/Nashorn+extensions
[ORAC] jjs,
http://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/tools/unix/jjs.html
Lukasz Plotnicki (Dipl.-Inform. Med.) ist ConlogService = logService || {
logError: print,
logInfo: print
};
Listing 8: Nashorn-Implementierung des JavaScript logService
Diskussion
Mit dem hier beschriebenen Ansatz ist es möglich, den Code
für Datenmigrationen sowohl im Client als auch im Backend
zu nutzen. So fällt der Entwicklungsaufwand nur einmal an.
Der zusätzliche Aufwand, um JavaScript-Code in Java zu nutzen, ist gering. Den Umweg von MongoDB-Objekten über
20
sultant und Softwareentwickler bei ThoughtWorks in
Hamburg. Er ist begeistert von neuen Technologien insbesondere HTML5 und funktionalen Programmiersprachen. Er arbeitet seit 2009 an Webapplikationen
und sieht mit Freude, wie Web-Technologien reifer
und professioneller werden.
E-Mail: [email protected]com
Manuel Pütz, B.Sc. Informatik, ist Softwareentwickler bei ThoughtWorks in Hamburg und interessiert sich
besonders für offline-first Webapplikationen.
E-Mail: [email protected]
JavaSPEKTRUM 4/2015