Haskell(wai) による Webアプリケーション開発の実際(DB編)

この記事は、スタートトゥデイ工務店 Advent Calendar 14日目の記事です。

wai(Haskell製のWebアプリケーション規格)に準拠し、warp(wai準拠のHaskell製Webサーバ)上で動作するWebアプリケーションの開発について紹介する。基本性能を際立たせるため、便利なフレームワークはあえて使用しない。

以前に非常に単純なサンプルを紹介した記事の続編となる。
今回は、本格的なWebアプリケーションに欠かせない、データベースとの連携を試してみた。
バックエンドにはMySQLを使用した。

ソースコードは https://github.com/mitsuji/wai-example-mysql にある。

1. サンプルアプリケーションの概要

下記のようなデータを扱うJSON-APIを実装した。
1件のコーディネートに対して、ジャンルが1つ、タグが複数(0..N)紐づくものとする。

オブジェクト図は下記のようになるだろう。

また、MySQLのCREATE文は下記のようになる。

CREATE TABLE genre (
        genre_id INT NOT NULL AUTO_INCREMENT
       ,genre_title nvarchar(31) NOT NULL
       ,PRIMARY KEY (genre_id)
);


CREATE TABLE tag (
        tag_id INT NOT NULL AUTO_INCREMENT
       ,tag_title nvarchar(31) NOT NULL
       ,PRIMARY KEY (tag_id)
);


CREATE TABLE look (
        look_id INT NOT NULL AUTO_INCREMENT
       ,look_create_dt DATETIME NOT NULL
       ,look_update_dt DATETIME NOT NULL
       ,look_title nvarchar(31) NOT NULL
       ,look_description nvarchar(400) NOT NULL
       ,look_genre_id INT NOT NULL
       ,PRIMARY KEY (look_id)
       ,FOREIGN KEY (look_genre_id) REFERENCES genre (genre_id)
);

CREATE TABLE look_has_tag (
        lht_look_id INT NOT NULL
       ,lht_tag_id INT NOT NULL
       ,PRIMARY KEY (lht_look_id,lht_tag_id)
       ,FOREIGN KEY (lht_look_id) REFERENCES look (look_id)
       ,FOREIGN KEY (lht_tag_id) REFERENCES tag (tag_id)
);

Haskellのデータ定義は下記のようになった。

data Genre = Genre GenreId Title [Look]
           deriving (Eq)

data Tag = Tag TagId Title [Look]
         deriving (Eq)

data Look = Look { lookId :: LookId
                 , lookCreateDt :: CreateDT
                 , lookUpdateDt :: UpdateDT
                 , lookTitle :: Title
                 , lookDescription :: Description
                 , lookGenre :: Genre'
                 , lookTags :: [Tag']
                 }
          deriving (Eq)


newtype Genre' = Genre' Genre
               deriving (Eq)
                        
newtype Tag' = Tag' Tag
               deriving (Eq)

2. 実装の方針

下記の方針で実装した。
* mysql-simpleを使用してMySQLのデータをHaskellのデータに変換する。
* aesonを使用してHaskellのデータをJSONに変換する。
* waiを使用してWebのインターフェースを提供する。

また、実用的なサンプルとするため、下記を盛りこんだ。
* トランザクション処理
* コネクションプール
* N対Nのリレーション

3. MySQLのデータをHaskellのデータに変換する。

mysql-simple では QueryResult という型クラスが用意されており、
任意のデータ型をこの型クラスのインスタンスにすることで、
MySQLに投げたクエリの結果をHaskellのデータに変換することができる。
下記のように convertResults を実装すればよい。

instance QueryResults Genre' where
  convertResults [fa,fb] [va,vb] = Genre' $ Genre a b []
        where !a = convert fa va
              !b = convert fb vb
  convertResults fs vs  = convertError fs vs 2

上記を定義すると、下記のようにクエリを投げることができる。
結果は、関数の型からも分かるように Genre’ のリストとして取り出すことができる。

select_genre :: Connection -> IO [Genre']
select_genre conn =
  query_ conn [r|
    SELECT
       genre_id
      ,genre_title
    FROM genre
    ORDER BY genre_id
  |]

4. HaskellのデータをJSONに変換する。

aeson では ToJSON という型クラスが用意されており、
任意のデータ型をこの型クラスのインスタンスにすることで、
JSONへの変換を定義することができる。
下記のように toJSON を実装すればよい。

instance ToJSON Tag where
  toJSON (Tag id t ls) =
    object ["id" .= id
           ,"title" .= t
           ,"looks" .= ls
           ]

ソースコードのプロジェクトにREPLで入ると、
下記のようにaesonの動作を試すことができる。

*Main Data JSON MySQL> AE.encode $ Tag 100 "タグ100" []
"{\"looks\":[],\"id\":100,\"title\":\"\227\130\191\227\130\176\&100\"}"

5. コネクションプール

コネクションプールはresouce-poolというライブラリを使用して実装した。
このライブラリを使うと、DBの接続に限らず任意のリソースのプールを簡単に実装することができるようだ。

アプリケーション起動時に createPool でプールを作っておく。
createPool にはプールにリソースが確保されるときの処理、プールからリソースが開放されるときの処理と、プールのチューニングに関するいくつかのパラメータを設定する。

main :: IO ()
main = do
  host:port:_ <- getArgs
  cp <- createPool connect close 10 10 10
  Warp.runSettings (
    Warp.setHost (fromString host) $
    Warp.setPort (read port) $
    Warp.defaultSettings
    ) $ routerApp cp
  where
    connect :: IO MySQL.Connection
    connect = MySQL.connect MySQL.defaultConnectInfo {
       MySQL.connectHost = "localhost"
      ,MySQL.connectUser = "wai_exam_admin"
      ,MySQL.connectPassword = "abcd1234"
      ,MySQL.connectDatabase = "wai_exam"
      }
    close = MySQL.close

リソースプールの変数を引き渡しておけば、アプリケーションの任意の箇所で
withResource を使用して、プール内のリソースを使うことができる。
関数の呼び出しが深くなる場合は、リソースプールの共有に
Readerモナドなどを使うとよいだろう。

  -- GET /v1/genre
  (Right M.GET, [_,_]) -> do
    bs <- AE.encode <$> (withResource cp $ \conn -> select_genre conn)
    respond $ response200 bs

6. トランザクション処理

トランザクション処理は下記のように withTransaction を使うだけで実現されるようだ。

delete_look :: Connection -> LookId -> IO ()
delete_look conn id =
  withTransaction conn $ do
    execute conn
      "DELETE FROM look_has_tag WHERE lht_look_id = ?" (Only id)
    execute conn
      "DELETE FROM look WHERE look_id = ?" (Only id)
    return ()

7. ルーティング

URLのパスやHTTPメソッドの種類と、評価される関数をどのように紐づけるか。
wai が Text型のリストとしてURLのパスを提供してくれているので、
下記のようにパターンマッチを使ってルーティングを定義することができた。
フレームワークを使った場合ほどではないが、比較的簡潔にできた。

routerApp :: Pool MySQL.Connection -> Wai.Application
routerApp cp req respond = case Wai.pathInfo req of
  "v1" : _ -> (v1App cp req respond) `catch` onException -- /v1{var}
  _ -> staticApp req respond -- static html/js/css files
  where
    onException :: SomeException -> IO Wai.ResponseReceived
    onException (SomeException e) = respond $ responseNG 5000 "unknown error"
--    onException (SomeException e) = respond $ responseNG 5000 $ displayException e


v1App :: Pool MySQL.Connection -> Wai.Application
v1App cp req respond = case Wai.pathInfo req of
  _ : "genre"  : _ -> genreApp cp req respond -- /v1/genre{var}
  _ : "tag"    : _ -> tagApp cp req respond   -- /v1/tag{var}
  _ : "look"   : _ -> lookApp cp req respond  -- /v1/look{var}
  _ -> staticApp req respond -- static html/js/css files

HTTPメソッドも合わせてパターンマッチすれば、RESTっぽいことも簡単にできる。

genreApp :: Pool MySQL.Connection -> Wai.Application
genreApp cp req respond = case (M.parseMethod (Wai.requestMethod req), Wai.pathInfo req) of
  
  -- POST /v1/genre
  (Right M.POST, [_,_]) -> do
    ps <- parseForm req
    case lookupParam "title" ps of
      Nothing -> respond $ responseNG 5101 "invalid title"
      Just t -> do
        bs <- AE.encode <$> (withResource cp $ \conn -> create_genre conn t)
        respond $ response200 bs
             
  -- DELETE /v1/genre/{id}
  (Right M.DELETE, [_,_,id]) ->
    case readMaybe (T.unpack id) of
      Nothing -> respond $ responseNG 5102 "invalid id"
      Just id -> do
        withResource cp $ \conn -> delete_genre conn id
        respond responseOK
    

8. SQLインジェクション防止機能

mysql-simple では SQLインジェクションを防止するため、query や query_ には
文字列のリテラルでSQL文を渡さなければならないようにしてあるようだ。

文字列結合を使ってSQL文を組み立てることができないため、
条件を任意で指定するSELECT文が少し作りにくかったが、
下記のようにすることで対応できた。

-- [TODO] sanitize param of LIKE phrase 
select_look :: Connection -> Maybe Title -> Maybe Description -> Maybe GenreId -> Maybe TagId -> IO [Look]
select_look conn mt md mgid mtid = do

  (ft,t) <- case mt of
    Nothing -> return (1::Int,"%")
    Just t ->  return (0::Int,t)
    
  (fd,d) <- case md of
    Nothing -> return (1::Int,"%")
    Just d ->  return (0::Int,d)

  (fgid,gid) <- case mgid of
    Nothing ->  return (1::Int,0)
    Just gid -> return (0::Int,gid)

  (ftid,tid) <- case mtid of
    Nothing ->  return (1::Int,0)
    Just tid -> return (0::Int,tid)

  ls <- query conn [r|
    SELECT
       look_id
      ,look_create_dt
      ,look_update_dt
      ,look_title
      ,look_description
      ,genre_id
      ,genre_title
    FROM look
      LEFT OUTER JOIN genre ON look_genre_id = genre_id
    WHERE 1 = 1
      AND (1=? OR look_title LIKE ?)
      AND (1=? OR look_description LIKE ?)
      AND (1=? OR look_genre_id = ?)
      AND (1=? OR look_id IN
                  (SELECT lht_look_id FROM look_has_tag WHERE lht_tag_id =?))
    ORDER BY look_id
  |](ft,t,fd,d,fgid,gid,ftid,tid)

  tags <- select_tag_for_looks conn ls
  return $ merge_tags tags ls

9. まとめ

  • mysql-simple などのライブラリを使えば DBのデータとHaskellのデータのマッピングは簡単。
  • aeson を使えば Haskellのデータを JSON化するのは簡単。
  • resource-pool を使えばコネクションプールの導入は簡単。
  • mysql-simple のトランザクション処理は簡単確実。
  • Webアプリケーションのパス/メソッドルーティングは単純なパターンマッチでもある程度可能。
  • mysql-simple を使えば SQLインジェクションの危険性が低下。

10. 今後の課題

  • mysql-simple 以外のDBライブラリもいろいろ試してみたい。
  • 入力のバリデーションをもっとちゃんと実装してみたい。
  • ファイルのアップロードも試してみたい。
  • フロントエンドを実装して、実際に使ってみたい。

Haskell(wai) による Webアプリケーション開発の実際

2016年12月追記: この記事のDB(MySQL)編はこちら

wai(Haskell製のWebアプリケーション規格)に準拠し、warp(wai準拠のHaskell製Webサーバ)上で動作するWebアプリケーションの開発手順をまとめる。基本性能を際立たせるため、便利なフレームワークはあえて使用しない。

1. サンプルアプリケーションの概要

サーバの現在時刻をクライアント側で装飾して表示するWebアプリケーション。動作サンプルは下記を参照。

http://mitsuji.org:9997/

このアプリケーションは、下記のエンドポイントからなる。

  • /posixtime — GETでサーバの現在のUNIX時間(ミリ秒単位)を返す。
  • /main.html — 画面のHTML。クライアント側のエントリポイント。
  • /main.js — main.html で読み込まれる JavaScript。posixtime をGETして装飾してから画面に表示する。

2. 開発環境(stack) の準備

下記から stack をダウンロードしてインストールする。解凍してPATHを通すだけでよい。

http://docs.haskellstack.org/en/stable/README.html

下記のようにバージョンが表示できれば準備完了。

$ stack --version
Version 1.0.2, Git revision fa09a980d8bb3df88b2a9193cd9bf84cc6c419b3 (3084 commits) x86_64

3. サンプルアプリケーションのコードの取得

コードは下記に置いてある。

https://github.com/mitsuji/wai-example

ソースコードを clone して、

$ git clone https://github.com/mitsuji/wai-example.git
Cloning into 'wai-example'...
remote: Counting objects: 12, done.
remote: Compressing objects: 100% (10/10), done.
remote: Total 12 (delta 0), reused 12 (delta 0), pack-reused 0
Unpacking objects: 100% (12/12), done.
Checking connectivity... done.

ディレクトリに cd してから、

$ cd wai-example/

下記のコマンドを叩くとghc(Haskellのコンパイラ)などの環境が自動的に準備される。いろいろとダウンロードされるため、初めての時は少し時間がかかるかもしれない。

$ stack setup

ディレクトリ内のファイルのうち、開発に直接関係があるのは下記の三つだけである。

  • app/Main.hs — Webアプリケーション本体のソースコード。
  • static/main.html — Webアプリケーション動作時にアクセス可能となる main.html そのもの。
  • static/main.js — Webアプリケーション動作時にアクセス可能となる main.js そのもの。

4. REPL(ghci) を使用した動作確認

下記のコマンドでHaskell の REPL である ghci に入ることが出来る。

$ stack ghci
The following GHC options are incompatible with GHCi and have not been passed to it: -threaded
Using main module: 1. Package `wai-example' component exe:wai-example-exe with main-is file: /home/mitsuji/Downloads/hoge/wai-example/app/Main.hs
Configuring GHCi with the following packages: wai-example
GHCi, version 7.10.2: http://www.haskell.org/ghc/  😕 for help
[1 of 1] Compiling Main             ( /home/mitsuji/Downloads/hoge/wai-example/app/Main.hs, interpreted )
Ok, modules loaded: Main.
*Main>

REPLを使用すると、ソースコード内の関数を直接評価することが出来る。例えば、Main.hs内のこの関数は

getPOSIXTime' :: IO Int
getPOSIXTime' = do
  pt_seconds <- getPOSIXTime
  return $ truncate $ pt_seconds * 1000

このようにして直接評価してみることが出来る。

*Main> getPOSIXTime'
1455622245689

ソースコードを書き換えたときは、下記のようにしてリロードすれば変更が反映される。

*Main> :l app/Main.hs
[1 of 1] Compiling Main             ( app/Main.hs, interpreted )
Ok, modules loaded: Main.

また、下記のようにしてコマンドラインパラメータ付きでmain関数を評価することもできる。この場合はWebサーバが実際に起動する。

*Main> :main 0.0.0.0 9999

ここで、Main.hs 内の関数を見てみよう。

main は Haskell のプログラムのエントリポイントとなる関数であり、プロセス起動時に最初に評価される。ここでは、コマンドラインパラメータからWebサーバの待ち受けIPアドレスとポート番号を取得して、warp を起動している。HTTPリクエスト発生時に評価される関数には routerApp が指定されている。

main :: IO ()
main = do
  host:port:_ <- getArgs
  Warp.runSettings (
    Warp.setHost (fromString host) $
    Warp.setPort (read port) $
    Warp.defaultSettings
    ) $ routerApp

routerApp ではリクエストされたURLを元に評価する関数を振り分けている。/posixtime がリクエストされれば dateAppが、それ以外がリクエストされれば staticApp が評価される。

routerApp :: Wai.Application
routerApp req respond
  | (["posixtime"] == path) = dateApp   req respond
  | otherwise               = staticApp req respond -- static html/js/css files
  where
    path = Wai.pathInfo req

dateApp は リクエスト毎にその時点でのサーバーの時刻をレスポンスとして返している。Int型で得られるUNIX時間をレスポンスとして返すため、Int => String => Text => ByteString(strict) => ByteString(lazy) の変換が行われている。

dateApp :: Wai.Application
dateApp req respond = do
  pt_milliseconds <- getPOSIXTime'
  let pt_lbs = LBS.fromStrict $ encodeUtf8 $ T.pack $ show $ pt_milliseconds
  respond $ Wai.responseLBS H.status200 [("Content-Type","text/plain")] pt_lbs

staticApp は main.html や main.js を レスポンスとして返すための、通常のWebファイルサーバである。ここでは、staticディレクトリ以下のファイルを処理対象としている。

staticApp :: Wai.Application
staticApp = Static.staticApp $ settings { Static.ssIndices = indices }
  where
    settings = Static.defaultWebAppSettings "static"
    indices = fromJust $ toPieces ["main.html"] -- default content

通常のWebファイルサーバであるため、Webアプリケーション動作中はコンパイルや再起動を行わなくても main.html や main.js を編集すれば次回リクエスト時に変更が反映される。

5. runghc を使用した動作確認

REPLに入らずに動作確認したいときは、下記のようにしてmain関数を評価することもできる。Haskellでは、スクリプト的な使い方も可能となっているのである。

$ stack runghc app/Main.hs 0.0.0.0 9999

6. ghc を使用した実行形式バイナリのビルド

下記のコマンドで実行形式バイナリがビルド(コンパイル)され、

$ stack build

下記のコマンドでインストールされ

$ stack install

~/.local/bin/wai-example-exe が生成される。実行形式バイナリの動作確認は下記のようにして行うことができるだろう。

 $ ~/.local/bin/wai-example-exe 0.0.0.0 9999

wai(Webアプリケーションライブラリ)やwarp(Webサーバ)を含むすべてのライブラリがwai-example-exeに静的にリンクされるため、wai-example-exe と staticディレクトリ を ビルド環境と同一アーキテクチャ、同一OSのマシンにコピーすればそのまま動作する。

この時、カレントディレクトリ配下の static ディレクトリ内のファイルが静的Webコンテンツとして参照されるが、ビルド時に settings を下記のように書き換えると、staticディレクトリ内のファイルを実行形式バイナリにすべて埋め込むことができる。静的Webコンテンツも含め、Webアプリケーションを一つのファイルにまとめることができるので、場合によってはとても便利である。

staticApp :: Wai.Application
staticApp = Static.staticApp $ settings { Static.ssIndices = indices }
  where
    settings = Static.embeddedSettings $(embedDir "static")
    indices = fromJust $ toPieces ["main.html"] -- default content

7. まとめ

  • Haskell の 環境構築は stack を使えば超簡単。
  • 一つのソースコードをまったく書き換えることなく REPL、スクリプト、実行形式バイナリの三態から利用可能。
  • WebアプリケーションとWebサーバが一体のため、実行形式バイナリをフロントエンドエンジニア や Webデザイナー に渡せばそのまま開発環境として使ってもらえる。
  • 実行形式バイナリでデプロイすれば、本番に必要な依存環境を最小化できるため、Vagrant や Docker などの環境構築ツールに頼らなくてよい。
  • 静的Webコンテンツを実行形式バイナリに埋め込めば、より安全確実なバージョン管理とデプロイが可能に。

8. おまけ

筆者の利用実績はないが、IDE とか欲しい人向けの情報。

  • Leksah -- Haskell で作られた Haskell用 IDE。
  • Haskell for Mac -- Mac向け。本格的な開発ができるかは不明だけど楽しそう。
  • haskell-idea-plugin -- IntelliJ用 のプラグイン。