api-design

# API 设计模式（API Design Patterns）

用于设计一致且开发者友好的 REST API 的约定与最佳实践。

## 何时激活（When to Activate）

- 设计新的 API 端点（Endpoint）
- 审查现有的 API 合约
- 添加分页、过滤或排序功能
- 为 API 实现错误处理
- 规划 API 版本化策略
- 构建公开或面向合作伙伴的 API

## 资源设计（Resource Design）

### URL 结构

```
# 资源应为名词、复数、小写、短横线命名法（kebab-case）
GET    /api/v1/users
GET    /api/v1/users/:id
POST   /api/v1/users
PUT    /api/v1/users/:id
PATCH  /api/v1/users/:id
DELETE /api/v1/users/:id

# 关系的子资源
GET    /api/v1/users/:id/orders
POST   /api/v1/users/:id/orders

# 不符合 CRUD 的操作（谨慎使用动词）
POST   /api/v1/orders/:id/cancel
POST   /api/v1/auth/login
POST   /api/v1/auth/refresh
```

### 命名规则

```
# 推荐（GOOD）
/api/v1/team-members          # 多词资源使用短横线命名法（kebab-case）
/api/v1/orders?status=active  # 使用查询参数进行过滤
/api/v1/users/123/orders      # 嵌套资源表示归属关系

# 错误（BAD）
/api/v1/getUsers              # URL 中包含动词
/api/v1/user                  # 使用单数（应使用复数）
/api/v1/team_members          # URL 中使用蛇形命名法（snake_case）
/api/v1/users/123/getOrders   # 嵌套资源中包含动词
```

## HTTP 方法与状态码（HTTP Methods and Status Codes）

### 方法语义

| 方法 | 幂等性（Idempotent） | 安全性（Safe） | 用途 |
|--------|-----------|------|---------|
| GET | 是 | 是 | 获取资源 |
| POST | 否 | 否 | 创建资源，触发操作 |
| PUT | 是 | 否 | 完整替换资源 |
| PATCH | 否* | 否 | 部分更新资源 |
| DELETE | 是 | 否 | 删除资源 |

*通过正确的实现，PATCH 也可以设计为幂等。

### 状态码参考

```
# 成功（Success）
200 OK                    — GET, PUT, PATCH（包含响应体）
201 Created               — POST（需包含 Location 响应头）
204 No Content            — DELETE, PUT（不含响应体）

# 客户端错误（Client Errors）
400 Bad Request           — 校验失败，JSON 格式错误
401 Unauthorized          — 缺失或无效的身份验证
403 Forbidden             — 已验证身份但未获得授权
404 Not Found             — 资源不存在
409 Conflict              — 重复条目，状态冲突
422 Unprocessable Entity  — 语义错误（JSON 正确但数据非法）
429 Too Many Requests     — 超出速率限制

# 服务端错误（Server Errors）
500 Internal Server Error — 意外错误（绝不要暴露详细堆栈）
502 Bad Gateway           — 上游服务失败
503 Service Unavailable   — 暂时性过载，需包含 Retry-After
```

### 常见错误

```
# 错误：所有响应都返回 200
{ "status": 200, "success": false, "error": "Not found" }

# 推荐：语义化地使用 HTTP 状态码
HTTP/1.1 404 Not Found
{ "error": { "code": "not_found", "message": "User not found" } }

# 错误：校验错误返回 500
# 推荐：返回 400 或 422 并提供字段级详情

# 错误：创建资源返回 200
# 推荐：返回 201 并附带 Location 响应头
HTTP/1.1 201 Created
Location: /api/v1/users/abc-123
```

## 响应格式（Response Format）

### 成功响应

```json
{
  "data": {
    "id": "abc-123",
    "email": "alice@example.com",
    "name": "Alice",
    "created_at": "2025-01-15T10:30:00Z"
  }
}
```

### 集合响应（含分页）

```json
{
  "data": [
    { "id": "abc-123", "name": "Alice" },
    { "id": "def-456", "name": "Bob" }
  ],
  "meta": {
    "total": 142,
    "page": 1,
    "per_page": 20,
    "total_pages": 8
  },
  "links": {
    "self": "/api/v1/users?page=1&per_page=20",
    "next": "/api/v1/users?page=2&per_page=20",
    "last": "/api/v1/users?page=8&per_page=20"
  }
}
```

### 错误响应

```json
{
  "error": {
    "code": "validation_error",
    "message": "Request validation failed",
    "details": [
      {
        "field": "email",
        "message": "Must be a valid email address",
        "code": "invalid_format"
      },
      {
        "field": "age",
        "message": "Must be between 0 and 150",
        "code": "out_of_range"
      }
    ]
  }
}
```

### 响应封装变体

```typescript
// 方案 A：包含 data 包装器的信封模式（推荐用于公开 API）
interface ApiResponse<T> {
  data: T;
  meta?: PaginationMeta;
  links?: PaginationLinks;
}

interface ApiError {
  error: {
    code: string;
    message: string;
    details?: FieldError[];
  };
}

// 方案 B：扁平化响应（更简单，常用于内部 API）
// 成功：直接返回资源对象
// 失败：返回错误对象
// 通过 HTTP 状态码进行区分
```

## 分页（Pagination）

### 基于偏移量（Offset-Based，简单）

```
GET /api/v1/users?page=2&per_page=20

# 实现
SELECT * FROM users
ORDER BY created_at DESC
LIMIT 20 OFFSET 20;
```

**优点：** 易于实现，支持“跳转到第 N 页”。
**缺点：** 在大偏移量时速度慢（OFFSET 100000），且在并发插入时可能出现数据重复或遗漏。

### 基于游标（Cursor-Based，可扩展）

```
GET /api/v1/users?cursor=eyJpZCI6MTIzfQ&limit=20

# 实现
SELECT * FROM users
WHERE id > :cursor_id
ORDER BY id ASC
LIMIT 21;  -- 多获取一个以确定是否有下一页（has_next）
```

```json
{
  "data": [...],
  "meta": {
    "has_next": true,
    "next_cursor": "eyJpZCI6MTQzfQ"
  }
}
```

**优点：** 无论在什么位置性能都保持一致，在并发插入时保持稳定。
**缺点：** 无法跳转到任意页，游标是不透明的（不可读）。

### 选型建议

| 使用场景 | 分页类型 |
|----------|----------------|
| 管理后台、小型数据集 (<10K) | 偏移量（Offset） |
| 无限滚动、Feed 流、大型数据集 | 游标（Cursor） |
| 公开 API | 默认游标，可选支持偏移量 |
| 搜索结果 | 偏移量（用户通常期望看到页码） |

## 过滤、排序与搜索（Filtering, Sorting, and Search）

### 过滤

```
# 简单相等
GET /api/v1/orders?status=active&customer_id=abc-123

# 比较操作符（使用括号标记法）
GET /api/v1/products?price[gte]=10&price[lte]=100
GET /api/v1/orders?created_at[after]=2025-01-01

# 多个值（逗号分隔）
GET /api/v1/products?category=electronics,clothing

# 嵌套字段（点标记法）
GET /api/v1/orders?customer.country=US
```

### 排序

```
# 单字段（前缀 - 表示降序）
GET /api/v1/products?sort=-created_at

# 多字段（逗号分隔）
GET /api/v1/products?sort=-featured,price,-created_at
```

### 全文搜索

```
# 搜索查询参数
GET /api/v1/products?q=wireless+headphones

# 字段特定搜索
GET /api/v1/users?email=alice
```

### 稀疏字段集（Sparse Fieldsets）

```
# 仅返回指定字段（减小负载）
GET /api/v1/users?fields=id,name,email
GET /api/v1/orders?fields=id,total,status&include=customer.name
```

## 身份验证与授权（Authentication and Authorization）

### 基于令牌的认证

```
# Authorization 标头中的 Bearer 令牌
GET /api/v1/users
Authorization: Bearer eyJhbGciOiJIUzI1NiIs...

# API 密钥（用于服务间调用）
GET /api/v1/data
X-API-Key: sk_live_abc123
```

### 授权模式

```typescript
// 资源级：检查所有权
app.get("/api/v1/orders/:id", async (req, res) => {
  const order = await Order.findById(req.params.id);
  if (!order) return res.status(404).json({ error: { code: "not_found" } });
  if (order.userId !== req.user.id) return res.status(403).json({ error: { code: "forbidden" } });
  return res.json({ data: order });
});

// 基于角色：检查权限
app.delete("/api/v1/users/:id", requireRole("admin"), async (req, res) => {
  await User.delete(req.params.id);
  return res.status(204).send();
});
```

## 速率限制（Rate Limiting）

### 响应头

```
HTTP/1.1 200 OK
X-RateLimit-Limit: 100
X-RateLimit-Remaining: 95
X-RateLimit-Reset: 1640000000

# 超过限制时
HTTP/1.1 429 Too Many Requests
Retry-After: 60
{
  "error": {
    "code": "rate_limit_exceeded",
    "message": "Rate limit exceeded. Try again in 60 seconds."
  }
}
```

### 速率限制分层

| 层级 | 限制 | 窗口（Window） | 使用场景 |
|------|-------|--------|----------|
| 匿名用户 | 30/min | 按 IP | 公开端点 |
| 已验证用户 | 100/min | 按用户 | 标准 API 访问 |
| 高级用户 | 1000/min | 按 API 密钥 | 付费 API 套餐 |
| 内部调用 | 10000/min | 按服务 | 服务间通信 |

## 版本控制（Versioning）

### URL 路径版本化（推荐）

```
/api/v1/users
/api/v2/users
```

**优点：** 显式、易于路由、可缓存。
**缺点：** 版本间 URL 发生变化。

### Header 版本化

```
GET /api/users
Accept: application/vnd.myapp.v2+json
```

**优点：** URL 保持整洁。
**缺点：** 难以测试，容易遗忘。

### 版本化策略

```
1. 从 /api/v1/ 开始 —— 在确实需要前不要进行版本化
2. 最多维护 2 个活跃版本（当前版本 + 上一版本）
3. 弃用时间表：
   - 宣布弃用（对公开 API 提前 6 个月通知）
   - 添加 Sunset 标头：Sunset: Sat, 01 Jan 2026 00:00:00 GMT
   - 在 Sunset 日期后返回 410 Gone
4. 非破坏性变更不需要新版本：
   - 在响应中添加新字段
   - 添加新的可选查询参数
   - 添加新的端点
5. 破坏性变更需要新版本：
   - 移除或重命名字段
   - 更改字段类型
   - 更改 URL 结构
   - 更改身份验证方式
```

## 实现模式（Implementation Patterns）

### TypeScript (Next.js API 路由)

```typescript
import { z } from "zod";
import { NextRequest, NextResponse } from "next/server";

const createUserSchema = z.object({
  email: z.string().email(),
  name: z.string().min(1).max(100),
});

export async function POST(req: NextRequest) {
  const body = await req.json();
  const parsed = createUserSchema.safeParse(body);

  if (!parsed.success) {
    return NextResponse.json({
      error: {
        code: "validation_error",
        message: "Request validation failed",
        details: parsed.error.issues.map(i => ({
          field: i.path.join("."),
          message: i.message,
          code: i.code,
        })),
      },
    }, { status: 422 });
  }

  const user = await createUser(parsed.data);

  return NextResponse.json(
    { data: user },
    {
      status: 201,
      headers: { Location: `/api/v1/users/${user.id}` },
    },
  );
}
```

### Python (Django REST Framework)

```python
from rest_framework import serializers, viewsets, status
from rest_framework.response import Response

class CreateUserSerializer(serializers.Serializer):
    email = serializers.EmailField()
    name = serializers.CharField(max_length=100)

class UserSerializer(serializers.ModelSerializer):
    class Meta:
        model = User
        fields = ["id", "email", "name", "created_at"]

class UserViewSet(viewsets.ModelViewSet):
    serializer_class = UserSerializer
    permission_classes = [IsAuthenticated]

    def get_serializer_class(self):
        if self.action == "create":
            return CreateUserSerializer
        return UserSerializer

    def create(self, request):
        serializer = CreateUserSerializer(data=request.data)
        serializer.is_valid(raise_exception=True)
        user = UserService.create(**serializer.validated_data)
        return Response(
            {"data": UserSerializer(user).data},
            status=status.HTTP_201_CREATED,
            headers={"Location": f"/api/v1/users/{user.id}"},
        )
```

### Go (net/http)

```go
func (h *UserHandler) CreateUser(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
    var req CreateUserRequest
    if err := json.NewDecoder(r.Body).Decode(&req); err != nil {
        writeError(w, http.StatusBadRequest, "invalid_json", "Invalid request body")
        return
    }

    if err := req.Validate(); err != nil {
        writeError(w, http.StatusUnprocessableEntity, "validation_error", err.Error())
        return
    }

    user, err := h.service.Create(r.Context(), req)
    if err != nil {
        switch {
        case errors.Is(err, domain.ErrEmailTaken):
            writeError(w, http.StatusConflict, "email_taken", "Email already registered")
        default:
            writeError(w, http.StatusInternalServerError, "internal_error", "Internal error")
        }
        return
    }

    w.Header().Set("Location", fmt.Sprintf("/api/v1/users/%s", user.ID))
    writeJSON(w, http.StatusCreated, map[string]any{"data": user})
}
```

## API 设计自检表（API Design Checklist）

在发布新端点之前：

- [ ] 资源 URL 遵循命名约定（复数、短横线命名法、无动词）
- [ ] 使用了正确的 HTTP 方法（读取用 GET，创建用 POST 等）
- [ ] 返回了适当的状态码（不要所有响应都返回 200）
- [ ] 使用模式校验输入数据（如 Zod, Pydantic, Bean Validation）
- [ ] 错误响应遵循标准格式，包含代码（Code）和消息（Message）
- [ ] 为列表端点实现了分页（游标或偏移量）
- [ ] 要求身份验证（或显式标记为公开）
- [ ] 已检查授权（用户只能访问其自身的资源）
- [ ] 配置了速率限制
- [ ] 响应不会泄露内部详情（如堆栈追踪、SQL 错误）
- [ ] 与现有端点的命名保持一致（小驼峰 camelCase vs 蛇形 snake_case）
- [ ] 已编写文档（更新了 OpenAPI/Swagger 规范）