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網路基礎-網址篇

講義

什麼是URL ?
早期的程式語言如C或C++，寫網路程式是一件相當麻煩的事，如今用Swift寫網路程式，相對來說容易多了，幾乎就跟使用瀏覽器一樣簡單。
我們曾經在第13課提到下圖的概念：
右下角的使用者透過手機的瀏覽器或App連到網路上的主機(Host, 或稱為 Server 伺服器），這樣的基本架構稱為「Client-Server 模式」，Client 是指使用者（或稱客戶端）的App，Server 是指主機端的軟體。
Client-Server 模式的連線方式有好幾種，其中最基本的一種可簡化為兩個步驟：
(1) 由Client 主動發出請求(Request)訊息給Server，表明需要什麼資源或內容
(2) Server 根據請求去搜尋資料庫或檔案，然後回應(Response)內容給 Client
這樣的過程可稱為請求-反應(Request-Response)。可別小看這兩個簡單步驟，這是模擬低等動物（像水螅）的神經反應，也就是刺激-反應(Stimulus-Response)，雖然簡單，但應用在電腦網路卻很有威力，是現在所有網站的主流方式。
Swift網路程式也採用請求-反應(Request-Response)，先從App 發出一個「網路請求(Request)」到遠端伺服器（網站主機），伺服器根據請求回覆結果，內容統稱為「網路回應(Response)」，圖示如下：
App想要發出「網路請求(Request)」，有一個很關鍵的資訊稱為 "URL"，原文是 Universal Resource Locator，字面上可譯為「通用資源定位器」，其實就是所謂的「網址」，網址並不只有伺服器位址，還包括其他部分，以"2021TaiwanBirds.json" 所分享的網址為例，可分成4個部分，圖解如下
第①部分是網路資源的種類，術語稱為 Scheme （格式、規格、規劃、方案...很多含義），原先這部分稱為網路協定(Network Protocol)，最常見是 HTTP 或 HTTPS，HTTP 的連線過程沒有加密，比較節省CPU資源，HTTPS 則會加密，比較安全。
Scheme除了 HTTP/HTTPS 之外，還有 ftp, file, mailto, sms 等等3百多種，幾乎涵蓋目前網路能提供的服務或資源類別。
其中file 是用來存取本機（而非網路上的）檔案，這是為什麼2-7課讀取JSON檔案時，物件的方法（函式）稱為 url()的原因：
```
let 檔案 = Bundle.main.url(forResource: 檔名, withExtension: "json") 
```
還有在疫情期間的實聯制，用手機掃描QR Code之後，會轉到傳送簡訊畫面，其實就是利用 sms (簡訊)的URL網址。
可見 URL 雖然稱為「網址」，但未必都是在瀏覽器中使用，別的地方也會用到，的確可稱為通用(Universal)。
第②部分是主機(Host)位置，術語稱為Domain Name（主機的網域名稱），是代表網路上提供資源的主機地址。
這部分根據不同的資源類型(Scheme)，會有不同的語法，例如簡訊 sms:1922，主機位址寫的是電話號碼。或是電子郵件 mailto:heman@sancode.org.tw 寫的是 email address。
第①、②部分的字母是不區分大小寫的，用大寫或小寫字母都代表同樣意思，但是都不允許空格或某些標點符號。
第③部分是或程式的路徑(Path)，路徑（子目錄）的分隔用斜線 "/"。在此例路徑最後的 view （檢視）是查詢資料庫的程式或指令。
第④部分是給網頁檔案名稱。
第③、④部分的大小寫是有區別的，不可混淆。
除此之外，在Swift程式語言中，對於網址分別對應的URL物件還有提供 scheme, host, path, query 等4個屬性。
以下第1個範例程式就先練習取用 Swift 的 URL 物件，只需導入 Foundation 物件庫。
操作步驟如下:
- 選取畫面左方的「+」號新增電子書頁面。
- 將新增的電子書面頁命名為「(17)網路程式基礎-1網址篇」。
- 在「Main」模組中撰寫程式:
```
// 3-1a URL
// Created by Philip, Heman, Jean 2021/09/04
// Revised by Jean 2024/11/01
import Foundation

let 網址 = "https://joc.url.tw/Swift36/2021TaiwanBirds.json"
let myURL = URL(string: 網址)!

print("myURL:", myURL, "\n----")
print("scheme:", myURL.scheme)
print("host:", myURL.host)
print("path:", myURL.path)
print("query:", myURL.query)
```
- 程式執行結果，如下圖。
什麼是 URLSession 網路連線?
前一節提到了Swift網路程式採用 Client-Server模式，連線過程分為請求-反應(Request-Response) 兩步驟，完成這兩步驟，也就是完成一次連線過程，在 Swift 中稱為一個「工作(Task)」，而一個或多個工作合起來稱為工作階段或任務(Session)。
Swift 負責網路連線的物件稱為 URLSession (連線任務)，每個 URLSession 可產生一個或多個連線工作(Task)，每個連線工作(Task)都會進行請求(Request)跟反應(Response)兩個步驟，兩步驟都完成，這個Task才算成功，而所有Task完成，URLSession才算完成。
URLSession基本的用法如以下範例3-1b，這個範例可以正常執行，但是URLSession 任務不會完成，所以請特別注意執行所輸出到主控台的結果。
3-1b URLSession (NG)
- 在「Main」模組中撰寫程式:
```
// 3-1b URLSession (NG)
// Created by Philip, Heman, Jean 2021/09/04
// Revised by Jean 2024/11/01
import Foundation

let 網址 = "https://joc.url.tw/Swift36/2021TaiwanBirds.json"
let myURL = URL(string: 網址)!
URLSession.shared.dataTask(with: myURL) { data, response, error in
   print(data)
   print(response)
   print(error)
}.resume()

print("Done")
```
- 程式執行結果，如下圖。
程式中有4個print()輸出指令，但只出現第④個輸出結果，而且沒有任何錯誤訊息，也就是說，語法是正確的，網址也確認沒錯，然而①到③ print()根本沒有執行，為什麼會這樣？
這是因為網路連線程式與前面兩單元所教程式的運作方式很不一樣，什麼地方不一樣呢？我們先看 URLSession 的基本語法：
```
URLSession.shared.dataTask(with: myURL) { data, response, error in
   <匿名函式>
}.resume()
```
這裡用到匿名函式，還記得在第2單元2-6課說明過匿名函式，使用匿名函式的物件（如2-6課的父視圖）會負責傳遞參數給匿名函式。在本範例中，由URLSession.shared.dataTask() 負責傳遞參數給匿名函式，傳遞的參數共有3個，名稱可以隨便取，但是用途是固定的，依次分別是：
data -- Response 回傳的資料內容
response -- Response 的回應表頭Headers （或稱為回應碼）
error -- 如果任務中斷，或是伺服器發生錯誤，會傳回錯誤碼
回應(Response)拆成兩部分，即資料內容(data)與回應碼(response)。如果Response回傳成功，error 參數會是 nil；如果沒收到 Response，error 會包含錯誤代碼，而 data 與 response 則是 nil。
我們想要看看 data, response, error 的內容，因此在匿名函式中，分別用 print() 列印出來。如果print()參數是nil (未初始化)，執行時會產生錯誤訊息而立刻退出，如果是空字串，至少會換行（空白行），但是都沒有，表示根本沒有執行。
為了解釋這個現象，我們需要進一步了解URLSession 的執行過程，圖解如下：
⑴首先，URLSession 物件有個「類別屬性」(type property)，稱為 shared （共享）的物件實例，URLSession.shared 語法類似 Color.red，我們在第2單元2-5課說明過「類別屬性」。
URLSession.shared 物件實例有何用途呢？這是指作業系統的一個共享空間（在記憶體中），可以存放所有App提出的網路連線任務，因為所有的網路連線，實際上都是由作業系統統籌管理與執行的。所以 shared 就是使用共享連線任務空間的一個物件實例。
如果不想用共享的網路連線任務，可以用 URLSession(configuration: .default) 產出一個連線任務實例，作業系統會單獨分配一個專屬的記憶體空間給程式使用，在傳輸較大檔案時會較有效率。如果需要，程式碼可以改為：
```
URLSession(configuration: .default).dataTask(with: myURL) { data, response, error in
   <匿名函式>
}.resume()
```
如此一來，雖然還是要交給作業系統負責實際連線，但不會和其他App共用任務空間。但就本範例來說，兩者效果是一樣的，所以我們用 URLSession.shared 即可。
⑵有了 URLSession.shared 任務實例之後，就可以呼叫產生「請求工作」的函式，目前共有5個方法可以產生不同的網路請求：
1. dataTask() -- 一般較短暫的資料下載
2. downloadTask() -- 較長時間的檔案下載
3. uploadTask() -- 上傳資料
4. streamTask() -- 音樂、語音或影片的串流資料下載
5. webSocketTask() -- 雙向（上傳、下載）資料交換
這5個方法都需用URL當作參數，也都會產出一個代表請求工作的物件實例（即請求-反應Request-Response過程的步驟一），但這時候還沒有真正連線。
⑶等到呼叫這個工作物件實例的 resume()，作業系統才會開始進行網路連線。
所以執行上述⑴⑵⑶之後，才算完成網路連線的第一個步驟(Request)：
```
URLSession.shared.dataTask(with: myURL) { 匿名函式 }.resume()
```
⑷那麼中間的{ 匿名函式 } 做什麼用呢？最特別的地方就在這裡，這個匿名函式並不會馬上執行，要等到第二個步驟 Response 成功回傳之後，才會帶著3個參數進入匿名函式開始執行。
所以這個匿名函式術語稱為 "completion handler"，主要目的就是在請求-反應(Request-Response)兩步驟都完成後，處理回傳資料，至於如何處理回傳資料，當然就是程式設計師的責任啦。
因此，dataTask() 執行網路連線的兩個步驟 Request-Response，可以圖解如下：
URLSession網路連線和其他指令不一樣的地方，就是執行過程的⑶、⑷之間（也就是Request-Response之間）並不連續，不是做完⑶馬上就執行⑷，因為在發出Request之後，什麼時候會得到Response並不知道，有可能很快，也可能永遠回不來（伺服器當機或網路中斷）。
所以當做完⑶，也就是呼叫resume()之後，程式會先執行 resume() 後面的程式碼，也就是：
```
print("Done")
```
等作業系統通知傳回 Response 之後，才回過頭執行匿名函式，這樣的運作方式稱為「非同步」(asynchronous)。
但問題是 print("Done") 之後已經到程式末尾，整個程式結束了，沒機會等到回應(Response)了，所以匿名函式裡面的3個 print() 根本就沒有機會執行。
怎麼辦？下一節會提出解決辦法。
本節的範例程式雖然不成功，但是帶出的觀念卻非常重要，尤其是非同步(asynchronous)，是整個第3單元的核心觀念！所以請務必充分理解本節內容，包括以下註解。
【註解】
1. Session 是從頭到尾完成一項任務的意思，任務中間可能分成若干工作或步驟，任務或工作不拘大小，可簡單可複雜。生活上，立法院的一個會期，或是學校的一學期課程，也可稱為一個 Session。
2. Task 是較短的工作或差事，一個 Session 通常可分解為一到多個 Task。
3. 因此URLSession 執行過程要先產出一個 URLSession() 任務實例，再產出一個或多個 dataTask()/downloadTask()/uploadTask() 工作實例。
4. URLSession.shared 是一個作業系統預先產出的任務實例，在任何App或程式任何地方使用 URLSession.shared，都指向同一個任務實例，所以稱為 shared (共享)。
5. resume 字面上是（暫停後）繼續、恢復、重新開始的意思，注意s發/z/音。當作名詞時（法文發音），是履歷、簡歷之意。
6. synchronous 字面意思是在同一時間出現或以相同速度前進，中文稱「同步的」，而asynchronous則是相反，稱為「非同步」，特別指時間上無法協調或預期的事件。舉例來說，兩個人用手機通話，或是看直播影片，對人來說，這是「同步」的，因為必須在同一時間發生；而用 LINE 或 e-mail 溝通則是非同步的，因為對方什麼時候會讀取或回覆是無法預期的。
7. 非同步事件(asynchronous event)是很重要的概念，可理解為「在某個無法預期的時間點會發生的事情」，對Client App來說，網路回應(Response)就是個非同步事件，而對Server來說，網路請求(Request)才是非同步事件。
URLSession 正確用法
在前一節我們第一次使用 URLSession 進行網路連線，雖然語法正確，但是卻沒收到回傳資料，因為 URLSession網路連線是「非同步」的運作模式，發出請求(Request)之後，並不會在原地等待，而是往下繼續執行，太早結束來不及收到回傳資料。
所以如果想要等到回傳資料，直覺上的解決辦法，就是在 resume()後面設法等待。在第1單元1-10課曾經學過用 Date() 計算時間差，正好適合用來打發時間。
3-1c URLSession (Good)
以下範例程式加了一個迴圈等待，最後成功收到回傳資料！
- 在「Main」模組中撰寫程式:
```
// 3-1c URLSession (Good)
// Created by Philip, Heman, Jean 2021/09/04
// Revised by Jean 2024/11/02
import Foundation

let 網址 = "https://joc.url.tw/Swift36/2021TaiwanBirds.json"
var 回傳資料: Data?
let 計時開始 = Date()
var 時間差 = Date().timeIntervalSince(計時開始)
if let myURL = URL(string: 網址) {
   print("送出訊息...")
   URLSession.shared.dataTask(with: myURL) { data, response, error in
       print("回傳資料:", data ?? "No data")
       print("回應代碼:", response ?? "No response")
       print("錯誤代碼:", error ?? "No error")
       回傳資料 = data
   }.resume()
}
while 回傳資料 == nil && 時間差 < 5.0 {
   時間差 = Date().timeIntervalSince(計時開始)
}
print("花費時間(秒):", 時間差)
```
程式執行結果，如下圖。
網路連線前後花費約0.167秒。
這次我們在 resume() 後面加上一段while迴圈，因此在 URLSession.shared.dataTask().resume()發出請求之後，就會進入這個迴圈：
```
while 回傳資料 == nil && 時間差 < 5.0 {
   時間差 = Date().timeIntervalSince(計時開始)
}
```
若是還未收到「回傳資料」而且「時間差」小於5.0秒，則一直反覆計算時間差，用來打發時間。5秒鐘是我們設定的逾時(timeout)門檻，如果超過5秒還未收到資料就脫離迴圈放棄等待，正常情況下，1秒鐘左右就會收到資料。
在執行迴圈的某一時刻，作業系統會通知程式已收到回傳資料，這時候會立刻「暫停」迴圈，回頭執行 URLSession.shared.dataTask()的匿名函式，匿名函式結束後再從迴圈暫停的地方繼續執行，但這時迴圈的條件「回傳資料 == nil」已不成立，因此便會脫離迴圈。
這樣的方法有點笨，因為要一直去反覆確認「回傳資料 == nil」，相當於詢問「回傳資料收到沒」？還好電腦不會煩，只是比較浪費CPU資源。
這次我們在使用 URL 物件時，不像之前用驚嘆號 ! 強制取用：
```
let myURL = URL(string: 網址)!
```
而是加上一個 if 條件句，如果 URL() 物件初始化成功，才進入 { } 內繼續執行，這樣的寫法比較安全，即使網址有中文字或特殊符號，無法轉換成 URL 物件，也不會讓程式發生錯誤而閃退。
```
if let myURL = URL(string: 網址) {
   ....
}
```
要注意 if 條件句的 { } 段落，若是在裡面定義新的變數或常數，其有效範圍(scope)是侷限在 { } 內的，不能拿到 { } 外面使用，與 for-in 迴圈變數的有效範圍類似。
同樣，在 URLSession.shared.dataTask() 匿名函式的3個參數 data, response, error，也無法帶出匿名函式之外，但是在後面我們又需要判斷資料收到沒，所以我們用一個全域變數「回傳資料」，將 data 指定給「回傳資料」，這樣就可間接將 data 帶出來。
```
URLSession.shared.dataTask(with: myURL) { data, response, error in
       print("回傳資料:", data ?? "No data")
       print("回應代碼:", response ?? "No response")
       print("錯誤代碼:", error ?? "No error")
       回傳資料 = data
   }.resume()
```
另外，注意這次 print() 內的用法，對於 data, response, error 這三個都是 Optional 資料類型的變數，最便捷的使用方式就是用 ?? 二選一，像這樣：
```
data ?? "No data"
```
語法上這相當於「如果 data 是 nil，就用 "No data" 字串，否則就取用 data 內容」：
```
data == nil ? "No data" : data!
```
兩相比較，使用 ?? 不需加驚嘆號強制取用（強制取用如果失敗會造成閃退），比較安全又方便。
最後執行結果顯示在主控台的內容如下：
```
送出訊息...
回傳資料: 73631 bytes
回應代碼: <nshttpurlresponse: 0x7fd17b62e0b0=""> { URL: https://joc.url.tw/Swift36/2021TaiwanBirds.json } { Status Code: 200, Headers {
   "Alt-Svc" =     (
       "h3=\":443\"; ma=2592000,h3-29=\":443\"; ma=2592000,h3-T051=\":443\"; ma=2592000,h3-Q050=\":443\"; ma=2592000,h3-Q046=\":443\"; ma=2592000,h3-Q043=\":443\"; ma=2592000,quic=\":443\"; ma=2592000; v=\"46,43\""
   );
   "Cache-Control" =     (
       "no-cache, no-store, max-age=0, must-revalidate"
   );
   "Content-Encoding" =     (
       gzip
   );
   "Content-Type" =     (
       "text/html; charset=utf-8"
   );
   ....<省略>
} }
錯誤代碼: No error
花費時間(秒): 0.1671760082244873
```
「回傳資料」的資料類型是 Data?（Data 加問號 ? 變成 Optional類型），Data 是沒有結構化的原始資料，所以 print() 出來時，「回傳資料」只能顯示 "7766 bytes"，而不會告訴你是什麼內容。
回應代碼(response)則是結構化的資料類型，所以有一連串的 key-value 組合(參考第2單元2-8課末key path註解)，各有其意義，在此我們不必理會，只要確認有內容即可。
最後的錯誤代碼(error)回傳 nil，表示連線正常。
【註解】
Data是一個通用資料類型，我們在第12課傑森解碼器曾經用過，從本地檔案讀取或網路傳回的資料，不管是文字、文件、圖片、JSON格式....等，在解碼或分解結構之前，都可一律塞在 Data 裡面，其實就是一連串的0與1，所以又稱為原始資料(raw data)，英文 raw 是生的，沒有處理過的意思。

網路基礎-網址篇

什麼是URL ?

什麼是 URLSession 網路連線?

3-1b URLSession (NG)

URLSession 正確用法

3-1c URLSession (Good)