Das Play-Framework und dessen Einsatz zur Entwicklung von Real-Time-Web-Anwendungen

86 Pages·2013·1.2 MB·German

by  Till Theis

Bachelorarbeit
Till Theis
Das Play-Framework und dessen Einsatz zur Entwicklung von
Real-Time-Web-Anwendungen
FakultätTechnikundInformatik FacultyofEngineeringandComputerScience
StudiendepartmentInformatik DepartmentofComputerScience
Till Theis
Das Play-Framework und dessen Einsatz zur Entwicklung von
Real-Time-Web-Anwendungen
BachelorarbeiteingereichtimRahmenderBachelorprüfung
imStudiengangBachelorofScienceAngewandteInformatik
amDepartmentInformatik
derFakultätTechnikundInformatik
derHochschulefürAngewandteWissenschaftenHamburg
BetreuenderPrüfer:Prof.Dr.FriedrichEsser
Zweitgutachter:Prof.Dr.JuliaPadberg
Eingereichtam:21.November2013
TillTheis
ThemaderArbeit
DasPlay-FrameworkunddessenEinsatzzurEntwicklungvonReal-Time-Web-Anwendungen
Stichworte
Play,Scala,Real-Time-Web,Reaktiv,FunktionaleProgrammierung,Iteratees
Kurzzusammenfassung
DieseArbeitstelltdasPlayFrameworkvorundlegtihrenSchwerpunktdabeiaufdieEntwick-
lungvonReal-Time-Web-Anwendungen.DiessindinteraktiveAnwendungen,diedemNutzer
Datenanzeigen,sobaldsiedemServerbekanntwerdenundnichterst,wennderNutzerdie
Seiteneulädt.Umdieszuerreichen,stelltPlayeineIteratee-BibliothekzurVerfügung,die
esermöglichtDatenströmereaktivundinkrementellzuverarbeiten.DieseIteratee-Streams
werdenmitsamtihrenDesignentscheidungenundAnwendungsmöglichkeitenerläutert,um
anschließendeineAnwendungaufBasisvonihnenzuentwickeln.
TillTheis
Titleofthepaper
ThePlayFrameworkanditsUseforDevelopingReal-TimeWebApplications
Keywords
Play,Scala,Real-TimeWeb,Reactive,FunctionalProgramming,Iteratees
Abstract
ThisthesisisanintroductiontothePlayframeworkandfocusesonitsfeaturesfordeveloping
real-timewebapplications. Real-timewebapplicationsareapplicationsthatpushinformation
totheuserassoonastheserverreceivestheminsteadofrequiringtheusertomanuallyreload
thepage. InordertoachievethatPlayshipswithanIterateelibrarythatmakesitpossible
toreactivelyandincrementallyprocessdatastreams. TheseIterateestreamsaswellastheir
design and application possibilities will be explained to finally develop an application that
buildsonthem.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung 1
1.1. EntwicklungdesWebs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2. Real-Time-Web . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.3. MotivationundZiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.4. Themenabgrenzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.5. Struktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2. Grundlagen 4
2.1. Architektur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2. ErstelleneinerAnwendung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.3. Verzeichnisstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.4. StarteneinerAnwendung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.5. Routing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.6. Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.7. Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.8. View . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.8.1. ViewsinPlay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.8.2. Altersstatistiken-View . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.9. SammelnderStatistiken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.9.1. FormularinderView . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.9.2. EintraginderRouten-Datei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.9.3. DynamischeStatistikenundFormularverarbeitungimController . . . 12
3. ReaktiveProgrammierung 15
3.1. Monaden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.1.1. MonadeninderKategorientheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.1.2. Kleisli-TripelinderKategorientheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.1.3. MonadeninScala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.1.4. BeispielefürMonaden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.1.5. for-Comprehensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.1.6. Gesetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.2. FuturesundPromises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.2.1. Futures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.2.2. Promises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2.3. ExecutionContexts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
iv
Inhaltsverzeichnis
3.3. Streams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.3.1. DesignvonStreams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.3.2. DesignvonInputs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.3.3. DesignvonIteratees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.3.4. DesignvonEnumerators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.3.5. DesignvonEnumeratees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.3.6. DesignvonKomposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.3.7. AnwendungvonStreams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.3.8. AnwendungvonIteratees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.3.9. AnwendungvonEnumerators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.3.10. AnwendungvonEnumeratees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.3.11. AnwendungvonKomposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.3.12. Gesetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4. Real-Time-Web 49
4.1. Web-Sockets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.1.1. Client-Seite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.1.2. Server-Seite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.1.3. Altersstatistiken-Anwendung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.2. ServerSentEvents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.2.1. Client-Seite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.2.2. Server-Seite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.2.3. Altersstatistiken-Anwendung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.3. WebSocketsvs.ServerSentEvents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5. Anwendung:TwitterNews 57
5.1. Idee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.2. Werkzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.3. Umsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.3.1. Architektur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.3.2. DasTwitter-Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.3.3. DasTwitterNews-Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.3.4. DerApplication-Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.3.5. DieClient-Seite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
6. FazitundAusblick 65
6.1. Fazit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6.2. Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
A. Vorbereitung 68
A.1. Entwicklungsumgebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
A.2. Software-Version . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
A.3. Installation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
v
Inhaltsverzeichnis
B. InhaltderbeiliegendenCD 70
Literaturverzeichnis 71
vi
Listings
2.1. Dieroutes-Datei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2. DerAgeStatistics-Typ-Alias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3. DasAgeStatistics-Hilfsobjekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.4. DerApplication-Controllermitindex-Aktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.5. EineinfachesView-Template . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.6. DasView-Template . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.7. DasView-TemplatemitFormular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.8. DieRouten-EintragfürFormulareingaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.9. FormularverarbeitungimController . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.1. DieMonaden-OperationenderKategorientheorie . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.2. DieKleisli-Tripel-OperationenderKategorientheorie . . . . . . . . . . . . . . 16
3.3. DieMonaden-OperationeninScala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.4. DieOption-Monade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.5. Monaden-Operationenmitfor-Comprehension . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.6. Futureskombinieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.7. Future-ErstellungmiteinemPromise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.8. DerInput-Datentyp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.9. DerStep-Datentyp. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.10. DerEnumerator-Datentyp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.11. DerEnumeratee-Datentyp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.12. DieSignaturvonfold . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.13. ErstellungeinesIterateesdurchVererbung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.14. ErstellungeinesIterateesdurcheineKonstruktormethode . . . . . . . . . . . 31
3.15. ErstellungeinesIterateesdurchKonstruktormethodeimCompanion-Objekt . 32
3.16. AusführungeinesIterateesdurchfolder-Funktion . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.17. ErstellungeinesEnumeratorsdurchVererbung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.18. ErstellungeinesEnumeratorsdurchdieapply-Konstruktormethode . . . . . . 35
3.19. ErstellungeinesEnumeratorsdurchdiebroadcast-Konstruktormethode . . . . 36
3.20. AnwendungeinesEnumeratorsaufeinenIteratee . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.21. ExtrahierungdesErgebnissesauseinemIteratee . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.22. AnwendungeinesEnumeratorsmitgleichzeitigerErgebnisextrahierung . . . 37
3.23. ErstellungeinesEnumerateesdurchVererbung. . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.24. DieSignaturvonEnumeratee.map . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.25. DievereinfachteSignaturvonEnumeratee.map . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
vii
Listings
3.26. ErstellungeinesEnumerateesdurchdiemap-Konstruktormethode . . . . . . . 39
3.27. EnumerateeanwendungaufIteratees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.28. DieSignaturvoncompose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.29. EnumerateeanwendungaufEnumeratees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.30. SequentielleKompositionvonIteratees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.31. SequentielleKompositionvonIterateesmitfor-Comprehension . . . . . . . . 42
3.32. DieSignaturvonEnumeratee.zip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.33. ParalleleKompositionvonIterateesmiteinerQuelleundmehrerenSenken . . 43
3.34. ParalleleKompositionvonIterateesmitmehrerenQuellenaufeineSenke . . . 44
3.35. SequentielleKompositionvonEnumerators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.36. DieSignaturvoninterleave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.37. ParalleleKompositionvonEnumerators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.38. Typ-AliasederGesetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.39. Kompositionsregel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.40. Verkettungsregel,wenneinIterateedieEingabeerkennt . . . . . . . . . . . . 46
3.41. Verkettungsregel,wenneinIterateedieEingabenichterkennt . . . . . . . . . 47
3.42. Nullelementregel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.43. Rechtsdistributivitätsregel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.44. IdempotenzeinesIteratees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.1. DasWebSocket-InterfaceinJavaScript . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.2. Web-Socketsinderroutes-DateiderAltersstatistiken-Anwendung . . . . . . . 50
4.3. Web-SocketsimControllerderAltersstatistiken-Anwendung . . . . . . . . . . 51
4.4. Web-SocketsinderViewderAltersstatistiken-Anwendung . . . . . . . . . . . 51
4.5. DasEventSource-InterfaceinJavaScript . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.6. ServerSentEventsaufServer-Seite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.7. ServerSentEventsinderinput-ActionderAltersstatistiken-Anwendung . . . 54
4.8. ServerSentEventsinderroutes-DateiderAltersstatistiken-Anwendung . . . 54
4.9. ServerSentEventsimControllerderAltersstatistiken-Anwendung . . . . . . 55
4.10. ServerSentEventsinderViewderAltersstatistiken-Anwendung . . . . . . . 55
5.1. DieTwitterNews-Klasse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.2. DieVerarbeitungeingehenderTweetsinderTwitterNews-Klasse . . . . . . . 61
5.3. DermostDiscussedEnumerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
viii
1. Einleitung
IndiesemKapitelwirderläutert,wasdasReal-Time-WebausmachtundwasmitdemPlay-
FrameworkunddieserArbeiterreichtwerdensoll.EswirdeinÜberblicküberdiebisherige
EntwicklungdesWebsgegebenunddifferenziert,womitsichdieseArbeitgenaubeschäftigt
und womit nicht. Anschließend wird beschrieben, wie die weitere Struktur dieser Arbeit
aussieht.
1.1. Entwicklung des Webs
NachTaivalsaariundMikkonen2011(S.1–3)wardasWorldWideWebder1990erJahreein
Medium,beidemeinzelneDokumenteimVordergrundstanden.DasklassischeWebderersten
HälftedesJahrzehntsbestandausDokumentenmitText,BildernundLinks.DiezweiteHälfte
machte das Hybrid Web aus. Browsertechnologien, wie Javascript und CSS, sowie Plugins
wieFlashundQuickTimewurdenentwickeltunderweitertendiestatischenDokumenteum
interaktiveElemente.
Inden2000ernverbreitetesichdasdynamischeSendenundAnfordernvonDatenunter
demNamenAjax(AsynchronousJavaScriptandXML).GegenEndedesJahrzehntswurden
dievorhandenenTechnologiengenutzt,umganzeAnwendungendamitzuschreiben,wiez.B.
FacebookoderTwitter.
1.2. Real-Time-Web
EineReal-Time-Web-AnwendungisteineWeb-Anwendung,dieautomatischneueDatenan
den Client sendet, sobald diese dem Server bekannt werden. Dies unterscheidet sich vom
klassischen Pull-Prinzip, in dem nur der Client per Anfrage eine neue Seite beim Server
anfordernkann.BeiReal-Time-Eventsistesstattdessennotwendig,dassderServermittels
Push-PrinzipneueInformationenandenClientsendet(vgl.Bozdagu.a.2007,S.1).Facebook
beispielsweisezeigtneueStatusmeldungenvonFreundenan,ohnedassmanuelldieSeiteneu
geladenwerdenmuss.
1
1. Einleitung
1.3. Motivation und Ziel
WennmandieinAbschnitt1.1beschriebeneEntwicklungdesWebsbetrachtet,knüpftdasReal-
Time-Webgenaudaranan.DerNachrichtenverkehrverläuftnichtmehrnurvomClientzum
Server,sondernauchinumgekehrterRichtungvomServerzumClient.DasPlay-Framework
wirdvonTypesafe,derFirmavonScalasBegründerMartinOdersky,unterstütztundwirbtda-
mit,diepassendenWerkzeugezurEntwicklungmodernerWeb-Anwendungenzubesitzen(vgl.
ZenexityundTypesafeInc.2013k).Kernpunkte,diePlayauszeichnen,sindstarkeTypsicherheit
durchdieNutzungvonScala,sowieeineArchitektur,diemoderneclientseitigeTechnologien
unterstützt(vgl.Hiltonu.a.2013,S.4).EsgibtzwarweitereWeb-FrameworksfürScala,diese
sindallerdingswenigerbreitaufgebaut,weshalbPlaydasPotenzialbesitzt,dasFrameworkfür
Scalazuwerden(vgl.Hiltonu.a.2013,S.8).ZieldieserArbeitistes,herauszufinden,obPlay
diesenAnforderungengerechtwirdundwiedamitReal-Time-Web-Anwendungenentwickelt
werdenkönnen.DazusollendiedafürbenötigtenKernkomponentenvorgestelltundanalysiert
werden,umdamitschließlicheineeigeneReal-Time-Web-Anwendungzuentwickeln.
1.4. Themenabgrenzung
DieseArbeitbeschäftigtsichinersterLiniemitdenTeilendesPlay-Frameworks,diebenötigt
werden, um Real-Time-Web-Anwendungen damit zu entwickeln. Zusätzlich wird benötig-
tes Hintergrundwissen, wie Architektur und Grundlagen des Frameworks zur Verfügung
gestellt.EinigeThemenbereiche,diedafürnichtelementarsind,wiez.B.Datenbanken,wer-
dennichtbehandelt.DesWeiterenwirdvorausgesetzt,dassder/dieLeserInbereitsmitden
GrundtechnologienderWeb-Entwicklung,wieHTML,CSSundJavaScriptvertrautist.Ein
JavaScript-Frameworkwirdabernichtverwendet,umkeinweiteresVorwissenvorauszusetzen.
1.5. Struktur
ImzweitenKapitelwirdgezeigt,welchegrundlegendenWerkzeugedasFrameworkfürdie
EntwicklungvonWeb-Anwendungenbesitztundwiediesezuverwendensind.Dazuwird
zunächst erklärt, wie eine statische Website erstellt wird, um diese später um Real-Time-
Komponentenzuerweitern.NachdemdieGrundtechnikenzurHandhabungdesFrameworks
aufgezeigtwordensind,wirdimdrittenKapitelindiereaktiveProgrammierungeingeführt.
Diese ist grundlegend, um Plays Stream-Bibliothek zu verstehen, die im Mittelpunkt der
EntwicklungvonReal-Time-Web-Anwendungensteht.DasvierteKapitelerklärt,wieaufder
Client-SeitemittelsJavaScriptmitdemServerkommuniziertwird.MitdiesemWissenwird
2