Учебно-методические материалы для студентов кафедры АСОИУ

Учебные программы » Веб-программирование » Конспект лекций

Расширяемый язык разметки XML. Технологии на основе XML

Что такое XML?

XML (англ. eXtensible Markup Language — расширяемый язык разметки) — рекомендованный W3C универсальный язык разметки, предназначенный для описания структурированных данных, обмена информацией между программами и создания специализированных языков разметки (XML-словарей). Целью создания XML было обеспечение совместимости при передаче структурированных данных между разными системами обработки информации, особенно при передаче таких данных через Интернет.

Словари, основанные на XML (например, RDF, RSS, MathML, XHTML, SVG), сами по себе формально описаны на том же XML, что позволяет программно изменять и проверять документы на основе этих словарей, не зная их семантики, то есть не зная смыслового значения элементов. Важной особенностью XML также является применение так называемых пространств имён (англ. namespace).

Годом рождения XML можно считать 1996 год, в конце которого появился черновой вариант спецификации языка, или 1998 года, когда эта спецификация была утверждена. А началось всё с появления в 1986 году языка SGML (англ. Standard Generalized Markup Language — стандартный обобщённый язык разметки) - гибкого и всеохватывающего мета-языка для создания языков разметки. Этот язык настолько универсален, что включает такие возможности, которые крайне редко используются. Ценой универсальности является сложность и, как следствие, дороговизна применения языка в практических разработках. В итоге большинство возможностей SGML попросту невостребованны.

Однако SGML нашел свое применение в качестве основы для создания других языков разметки, в частности HTML - не в пример более простого и легкого в освоении языка. Но, по мере роста количества и изменения качества документов в Сети, росли и предъявляемые к ним требования, и простота HTML превратилась в его главный недостаток. Ограниченность количества тегов и полное безразличие к структуре документа побудили разработчиков в лице консорциума W3C к созданию такого языка разметки, который был бы не столь сложен, как SGML, и не настолько примитивен, как HTML. В результате на свет появился язык XML, сочетающий в себе простоту HTML, логику SGML и удовлетворяющий требованиям Интернета.

  • Правильно построенный (Well-formed). Правильно построенный документ соответствует всем общим правилам синтаксиса XML, применимым к любому XML-документу. И если, например, начальный тег не имеет соответствующего ему конечного тега, то это неправильно построенный документ XML. Документ, который неправильно построен, не может считаться документом XML; XML-процессор (парсер) не должен обрабатывать его обычным образом и обязан классифицировать ситуацию как фатальная ошибка.
  • Действительный (Valid). Действительный документ дополнительно соответствует некоторым семантическим правилам. Это более строгая дополнительная проверка корректности документа на соответствие заранее определённым, но уже внешним правилам, в целях минимизации количества ошибок, например, структуры и состава данного, конкретного документа или семейства документов. Эти правила могут быть разработаны как самим пользователем, так и сторонними разработчиками, например, разработчиками словарей или стандартов обмена данными. Обычно такие правила хранятся в специальных файлах — схемах, где самым подробным образом описана структура документа, все допустимые названия элементов, атрибутов и многое другое. И если документ, например, содержит не определённое заранее в схемах название элемента, то XML-документ считается недействительным; проверяющий XML-процессор (валидатор) при проверке на соответствие правилам и схемам обязан (по выбору пользователя) сообщить об ошибке.

XML (eXtensible Markup Language) — это упрощенный диалект языка SGML, предназначенный для описания иерархических структур данных в World Wide Web. Он разрабатывается рабочей группой W3C с 1996 г.; в настоящее время принятой рекомендацией является вторая редакция языка XML 1.0 (октябрь 2000 г.), на которую и ориентируется дальнейшее изложение.

XML, несомненно, входит в обойму наиболее перспективных технологий WWW, чем объясняется интерес, который уделяется ему и корпорациями-разработчиками, и широкой публикой. Прежде чем перейти к его описанию, представляется уместным обсудить причины его появления и последующего бурного развития. Попытаемся для этого взглянуть на те проблемы WWW, которые должны быть решены средствами нового поколения Веб-технологий.

Чего не хватает HTML?

HTML не выражает смысла документов.
Язык HTML был создан для описания структуры документов (название, заголовки, списки, абзацы и т. п.) и, в некоторой степени, правил их отображения (полужирный шрифт, курсивный шрифт и т. п.). Он ни в коей мере не предназначен для описания смысла написанных на нем документов, а во многих случаях именно данные составляют существо документа, будь-то биржевая сводка или научная публикация. Поэтому появилась необходимость в языке описания данных, причем данных, организованных в иерархические структуры.
HTML громоздок и негибок.
За последние годы HTML превратился в нагромождение тегов, которые часто дублируют друг друга и отнюдь не вносят ясности в текст документа. Если добавить сюда еще и нестандартные расширения HTML, которыми грешат все разработчики обозревателей, то создание мало-мальски сложных HTML-документов становится серьезной задачей. С другой стороны, раз и навсегда зафиксированный набор тегов часто оказывается недостаточно гибким для выражения нужного нам содержания.
Концепция Веб-обозревателя слишком ограничена.
С появлением Java-аплетов, сценарных языков и элементов ActiveX Веб-обозреватели перестали быть простыми "отображателями" HTML-документов; сегодня скорее они выглядят как программы, запускающие конкретные приложения. Тем не менее, сама концепция обозревателя накладывает излишние ограничения на пользователя; во многих случаях нам нужны Веб-ориентированные приложения, т. е. программы, способные читать специализированную информацию с Веб-узлов и выдавать нам ее в привычном виде, например, в виде электронных таблиц.
Поиск документов возвращает слишком много ссылок.
Все мы постоянно пользуемся поисковыми системами и постоянно клянем их за неудобство работы. Допустим, что мне нужны все тексты книг Сергея Довлатова, имеющиеся в Сети. Попытка поиска по имени автора приведет к тому, что я получу список всех ссылок с этим именем, включая воспоминания о Довлатове, рецензии на его книги и т. д. Намного удобнее было бы воспользоваться специальным тегом <AUTHOR>, чтобы указать, что именно я ищу.
Невозможно найти взаимосвязанные ресурсы.
Допустим теперь, что я все же нашел несколько рассказов Довлатова, которые явно составляют единый сборник. Хорошо, если они содержат ссылку на оглавление, но часто это не так. Поэтому необходим способ указания того, что данная группа страниц составляет единый ресурс и должна обрабатываться соответственно. Для этого необходима стандартизованная и развитая система метаописателей Веб-страниц.

Что предлагает XML?

XML — это попытка решить перечисленные проблемы путем создания простого языка разметки, описывающего произвольные структурированные данные. Точнее говоря, это метаязык, на котором пишутся специализированные языки, описывающие данные определенной структуры. Такие языки называются XML-словарями. В отличие от HTML, XML не содержит никаких указаний на то, как описанные в XML-документе данные должны отображаться. Способ отображения данных для различных устройств задается языком описания стилей XSL, который играет для XML примерно ту же роль, что CSS дл HTML. Другое принципиальное его отличие от HTML состоит в том, что XML может содержать любые теги, которые сочтут нужным использовать создатели XML-словаря. Приведем список лишь нескольких специализированных языков на базе XML, которые сегодня находятся в разных стадиях разработки рабочими группами W3C:

  • MathML — язык математических формул;
  • SMIL — язык интеграции и синхронизации мультимедийных средств;
  • SVG — язык двумерной векторной графики;
  • RDF — язык метаописаний ресурсов;
  • XHTML — переформулировка HTML в терминах XML.

Процесс обработки XML-документа состоит в следующем. Его текст анализируется специальной программой, которая называется XML-процессором. XML-процессор ничего не знает о семантике данных в документе; он только производит синтаксический разбор (parsing) текста документа и проверяет его правильность с точки зрени правил XML. Если документ правильно оформлен (well-formed), то результаты разбора текста передаются XML-процессором прикладной программе, которая выполняет их содержательную обработку; если же документ оформлен неверно, т.е. содержит синтаксические ошибки, то XML-процессор должен сообщить о них пользователю.

Применения XML

Возникает вопрос: а какой смысл в использовании "пустого языка", лишенного собственного содержания? Дело в том, что, несмотря на внешнюю простоту, XML обладает достаточно изощренными механизмами контроля правильности данных, позволяет производить проверку иерархических отношений внутри документа, и, самое главное, устанавливает единый стандарт для документов, хранящих данные, какова бы ни была природа этих данных. Остановимся подробнее на некоторых сферах применения языка XML.

Традиционная обработка данных
Перечисленные выше возможности позволяют рассматривать XML как платформо-независимый стандарт хранения и представления информации, который в сочетании с другими современными технологиями (в частности, с технологиями Java) способен стать основой для создания любых машинно-независимых приложений, в т. ч. для обмена данными между сервером и клиентом. Кроме того, активно разрабатываемые сегодня языки запросов на базе XML могут составить серьезную конкуренцию языку SQL.
Программирование, управляемое документом
XML-документы могут служить контейнерами для построения приложений из существующих интерфейсов и компонентов. В этом случае документ состоит из ссылок на компоненты пользовательского интерфейса и модули обработки данных, которые связываются в процессе отображения страницы на экране.
Архивирование компонентов
Современное программирование базируется на использовании компонентов, которые в идеале должны легко собираться в единое целое с помощью несложного дополнительного кодирования. Основой для этого служит архивирование компонентов, которое, в свою очередь, требует единообразного подхода к их хранению и последующему использованию. Есть все основания полагать, что в ближайшем будущем XML-документы окажутся альтернативой распространенному сегодня хранению компонентов в виде двоичных модулей.
Внедрение данных
После того, как определена структура данных XML, принципиально несложно написать генератор кода, обрабатывающего эти данные. По мере развития подобных программных средств вся рутинная обработка данных (включая проверку их правильности, представление в нужном формате и т. п.) может быть автоматизирована, позволяя разработчикам сосредоточиться на нестандартных частях создаваемого продукта.

Структура XML-документа

XML-документ состоит из деклараций, элементов, комментариев, специальных символов и директив. Все эти составляющие документа описаны в данной главе.

Элементы и атрибуты

XML — это теговый язык разметки документов. Иными словами, любой документ на языке XML представляет собой набор элементов, причем начало и конец каждого элемента обозначается специальными пометками, называемыми тегами.

Элемент состоит из трех частей: начального тега, содержимого и конечного тега. Тег — это текст, заключенный в угловые скобки "<" и ">". Конечный тег имеет то же имя, что начальный тег, но начинается с косой черты "/". Пример XML-элемента:

<author>Сергей Довлатов</author>

Имена элементов зависят от регистра, т. е. <author>, <Author> и <AUTHOR> — это имена различных элементов. Наличие закрывающего тега всегда обязательно. Если тег является пустым, т. е. не имеет содержимого и закрывающего тега, то он имеет специальную форму:

<элемент/>

Любой элемент может иметь атрибуты, содержащие дополнительную информацию об элементе. Атрибуты всегда включаются в начальный тег элемента и имеют вид:

имя_атрибута="значение_атрибута"

Аттрибут обязан иметь значение, которое всегда должно быть заключено в одинарные или двойные кавычки. Имена атрибутов также зависят от регистра. Пример элемента, имеющего атрибут:

<author country="USA">Сергей Довлатов</author>

Элементы должны либо следовать друг за другом, либо быть вложены один в другой:

<books>
<book isbn="5887821192">
<title>Часть речи</title>
<author>Бродский, Иосиф</author>

<present/>
</book>
<book isbn="0345374827">
<title>Марш одиноких</title>
<author>Довлатов, Сергей</author>
<present/>
</book>

</books>

Здесь элемент books (книги) содержит два вложенных элемента book (книга), которые, в свою очередь, имеют атрибут isbn и содержат три последовательных элемента: title (название), author (автор) и present (есть в наличии), причем последний пуст, т. к. в данном случае соответствует логическому флажку.

Из приведенного описания видно, что синтаксис XML напоминает синтаксис HTML (что естественно, т. к. оба они являются диалектами одного языка SGML), но требования к оформлению правильных XML-документов выше. Еще одним очень важным отличием XML от HTML является то, что содержимое элементов, т. е. все, что содержится между начальным и конечным тегами, считается данными. Это означает, что XML не игнорирует символы пробела и разрыва строк, как это делает HTML.

Пролог и директивы

Любой XML-документ состоит из пролога и корневого элемента, например:

<?xml version="1.0"?>
<books>
<book isbn="0345374827">
<title>Марш одиноких</title>
<author>Довлатов, Сергей</author>
<present/> </book>

</books>

В этом примере пролог сводится к единственной директиве (первая строка документа), указывающей версию XML. За ней следует XML-элемент с уникальным именем, который содержит в себе все остальные элементы и называется корневым. Директива (processing instruction) — это выражение, заключенное в специальные теги "<?" и "?>", которое содержит указания программе, обрабатывающей XML-документ.

Стандарт XML резервирует только одну директиву <?xml version="1.0"?>, указывающую на версию языка XML, которой соответствует данный документ (второй версии XML пока нет). В действительности, эта директива несколько богаче и в самом общем виде выглядит так:

<?xml version="1.0" encoding="ISO-8859-1" standalone="yes"?>

Здесь атрибут encoding задает кодировку символов документа. По умолчанию считается, что XML-документы должны создаваться в формате UTF-8 или UTF-16. Если же используется какая-либо другая кодировка символов, то ее название согласно Таблицы П7.1 должно быть указано в данном атрибуте, как показано в примере. Атрибут standalone говорит о том, содержит ли данный документ внешние разделы. Значение yes означает, что таких разделов нет, значение no — что они есть.

В общем случае, пролог может содержать также декларации типа документа.

Комментарии

XML-документы могут содержать комментарии, которые игнорируются приложением, обрабатывающим документ. Комментарии строятся по тем же правилам, что и в HTML:

  • начинайте комментарий с символов "<!--",
  • завершайте комментарий символами "-->",
  • не используйте внутри комментария символов "--".

Пример комментариев:

<!-- это комментарий -->
<!-- а вот еще комментарий,   занимающий более одной строки -->

Имена и данные

Все имена элементов, атрибутов и разделов должны начинаться с буквы Unicode и состоять из букв, цифр, символов точки (.), подчеркивания (_) и дефиса (-). Единственное ограничение состоит в том, что они не должны начинаться с комбинации букв xml в любом регистре; подобные имена зарезервированы для будущих расширений языка. Существенно, что стандарт допускает использование в именах не только английских букв, но и любых других, хотя существующие XML-процессоры часто ограничены теми системами кодировок, которые в них заложены создателями. Поэтому мы в своих примерах пишем имена по-английски.

Данные, т. е. содержимое элементов и значения атрибутов, могут состоять из любых символов, кроме перечисленных в следующем разделе.

Специальные символы

Ряд символов в языке XML зарезервирован и должен представляться специальным образом:

левая угловая скобка ("<") &lt;
правая угловая скобка (">") &gt;
амперсант ("&") &amp;
двойная кавычка (") в значениях атрибутов &quot;
одинарная кавычка (') в значениях атрибутов &apos;

При желании можно пользоваться числовой кодировкой символов в стандарте Unicode. При этом символ может быть задан своим десятичным кодом (&#код;) или шестнадцатеричным кодом (&#xкод;). Например &#169; представляет символ авторского права ©, а &#x410; – русскую букву А. Как мы увидим в дальнейшем, XML гораздо богаче, чем HTML, в использовании подобных конструкций, поскольку позволяет осуществлять подстановку в текст документов любых символьных выражений.

Секции CDATA

Еще одним способом включения в содержимое XML-элементов недопустимых символов является использование т. н. секций CDATA (сокр. от Character DATA, т. е. символьные данные). Допустим, что мы хотим сделать содержимым элемента layout фрагмент HTML-текста, например:


<layout>
<H1>Заголовок</H1>
</layout>

Подобная конструкция неверна, т. к. HTML-тег H1 будет в данном случае воспринят как тег XML. Для того, чтобы все содержимое элемента layout воспринималось как данные, мы должны заключить его в секцию CDATA:

<layout>
<![CDATA[<H1>Заголовок</H1>]]>
</layout>

Как мы видим из этого примера, секция CDATA заключается в ограничители <![CDATA[ и ]]>. Все внутри этой секции считается символьными данными; в частности, секции CDATA не могут вкладываться друг в друга.

Разделы и их декларации

Разделы XML-документа

Физически XML-документ может состоять из несколько разделов (entities). При этом корневой элемент документа также является разделом, который называется разделом документа, хотя он никак специально не оформлен. Все разделы имеют содержимое; все они, кроме раздела документа и внешней DTD, имеют имя.

С точки зрения синтаксического разбора документа разделы подразделяются на анализируемые и неанализируемые. Неанализируемый раздел (unparsed entity) — это ресурс, содержимое которого XML-процессор воспринимает как внешние данные без их синтаксического анализа (например, текст, не являющийся XML-документом). Неанализируемые разделы всегда имеют нотацию, указывающую на их формат. Анализируемые разделы (parsed entities) предназначены для текстовой подстановки: всякий раз, когда XML-процессор встречает в документе имя такого раздела, он заменяет его на содержимое этого раздела.

Внутренние разделы

Декларации разделов подразделяются на внутренние и внешние. Декларация внутреннего раздела выглядит так:

<!ENTITY имя значение>

Она включает в себя содержимое объекта (параметр значение) и используется для подстановки этого значения вместо имени раздела. Мы можем, например, ввести в пример с книгами атрибут жанр и использовать для задания жанра внутренние разделы:

<!DOCTYPE spec [ <!ENTITY pr "проза"> <!ENTITY po "поэзия">]>
<books>

<book genre="&po;">
<title>Часть речи</title>
<author>Бродский, Иосиф</author>
</book> <book genre="&pr;">

<title>Марш одиноких</title>
<author>Довлатов, Сергей</author>
</book>
</books>

Из этого примера видно, что ссылка на раздел (entity reference) выглядит точно так же, как ссылка на специальный символ, т. е. имеет вид &имя;. На самом деле, специальные символы — это точно такие же ссылки, но соответствующие разделы заданы неявно во внутренней декларации языка XML. Подобные текстовые подстановки удобны для задания сокращений, позволяющих уменьшить объем документа, и для введения обозначений для часто изменяемых полей документа. Так, например, мы можем вынести во внутренний раздел дату очередной ревизии публикации и затем изменять только значение этого раздела.

Внешние разделы

Существуют два варианта деклараций внешнего раздела:

<!ENTITY имя SYSTEM URI [NDATA нотация]?>

<!ENTITY имя PUBLIC строка? URI [NDATA нотация]?>

Первый вариант называется системным разделом, второй — публичным разделом. Они оба связывают имя раздела с внешним ресурсом, заданным своим URI, который должен иметь кодированную форму и не содержать закладок. URI внешнего ресурса называется системным идентификатором раздела. Использование внешнего ресурса зависит от нескольких факторов:

  • Если декларация содержит параметр NDATA, задающий нотацию раздела, то раздел является неанализируемым.
  • Если параметр NDATA не задан, то раздел анализируемый, и соответствующий ресурс должен быть XML-документом. Это означает, что вместо ссылки на раздел в текст документа будет включаться текст соответствующего ресурса.
  • Публичный раздел может содержать строку, задающую публичный идентификатор раздела. XML-процессор может использовать этот идентификатор для генерации альтернативного URI данного раздела. Если ему это не удалось, то он должен использовать системный идентификатор для загрузки содержимого раздела.

Примеры деклараций внешних ресурсов:

<!-- неанализируемый ресурс: GIF-образ -->
<!ENTITY photo SYSTEM "images/photo.gif" NDATA gif>
<!-- системный анализируемый ресурс -->
<!ENTITY hatch SYSTEM "http://www.textuality.com/boilerplate/hatch.xml">
<!-- публичный анализируемый ресурс -->
<!ENTITY hatch PUBLIC "-//Textuality//TEXT Standard hatch boilerplate//EN"
	"http://www.textuality.com/boilerplate/hatch.xml">

Внешний анализируемый раздел должен начинаться с директивы <?xml …?>, которая может не содержать номера версии, но обязана содержать кодировку символов. Эта директива не входит в состав подставляемого текста.

8.1.5. Декларация типа документа

Декларация типа XML-документа (document type declaration) содержит определение типа документа (document type definition, DTD) или указывает на него. DTD — это специальная грамматика, описывающая синтаксис определенного класса документов; правила создания DTD стандартизованы, но использование DTD не рекомендовано W3C, т.к. разработана альтернатива - XSLT. Здесь приводится только описание деклараций, которые обеспечивают доступ к DTD. Декларация типа документа, как и декларация раздела, может быть внутренней или внешней. Внутренняя декларация имеет вид:

<!DOCTYPE имя [ тело ]>

а внешняя — те же два варианта, что и внешние разделы:

<!DOCTYPE имя SYSTEM URI [ тело ]>
<!DOCTYPE имя PUBLIC строка? URI [ тело ]>

Таким образом, отличие декларации типа документа от декларации раздела состоит только в том, что:

  • она начинается с ключевого слова !DOCTYPE, а не !ENTITY;
  • она может иметь тело, заключенное в квадратные скобки.

Имя такой декларации должно совпадать с именем корневого элемента, который она описывает, а тело должно соответствовать правилам построения DTD. Примеры внешних деклараций:

<!DOCTYPE spec SYSTEM "xml/1998/06/xmlspec-v20.dtd">
<!DOCTYPE spec PUBLIC "-//W3C//DTD Specification V2.0//EN"
	"/XML/1998/06/xmlspec-v20.dtd">

Отметим, что внешняя декларация типа документа может содержать и ссылку на DTD, которая называется внешним подмножеством DTD, и тело, которое описывает дополнения к внешней DTD (оно называется внутренним подмножеством DTD).

Пример XML-документа

Чтобы собрать все описанные выше понятия в единое целое, приведем пример законченного XML-документа, содержащего прейскурант книжного магазина.

<?xml version='1.0' encoding="windows-1251" standalone="yes"?>
<!DOCTYPE bookstore [
	<!ENTITY po "поэзия">
	<!ENTITY pr "проза">
	<!ENTITY dr "драматургия"> ]>

<!-- Этот файл содержит фрагмент базы данных книжного магазина -->
<bookstore>
<book genre="&pr;">
<title>Марш обреченных</title>
<author>
<first-name>Сергей</first-name>
<last-name>Довлатов</last-name>
</author>
<price>60.00</price>
</book>

<book genre="&po;">
<title>Часть речи</title>
<author>
<first-name>Иосиф</first-name>
<last-name>Бродский</last-name>
</author>
<price>55.00</price>
</book>

<book genre="&dr;">
<title>Антигона</title>
<author>
<name>Софокл</name>
</author>
<price>103.50</price>

</book>
</bookstore>

Примеры использования XML

Генерация карты сайта (SiteMap)

<?php
$map = "";

if (($files = glob("$_SERVER[DOCUMENT_ROOT]/data/*.xml")) != false) {

	$server = "http://".$_SERVER["SERVER_NAME"];

	foreach ($files as $f) {
		if (($page = simplexml_load_file($f)) != false) {
			if (($bn = basename($f,".xml")) != "index") $url = "$server/$bn.html"; 
			else $url = $server;
			
			$loc  = "\n\t<loc>".$url."</loc>\n";
			$loc .= "\t<lastmod>".date('Y-m-d', filemtime($f))."</lastmod>\n";
	
			$map .= "<url>$loc</url>\n";
			}
		}
	
	header("Content-type: text/xml");
	}
else {
	err404();
	exit;
	}
///////////////////////////////////////////////

function err404() {
	header("HTTP/1.0 404 Not Found");
	header("HTTP/1.1 404 Not Found");
	header("Status: 404 Not Found");

	include ("$_SERVER[DOCUMENT_ROOT]/404.php");

	exit();
	}
?>
<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<urlset xmlns="http://www.sitemaps.org/schemas/sitemap/0.9">

<?php echo $map; ?>

</urlset>

Анатольев А.Г., 13.05.2014

Постоянный адрес этой страницы:

↑ В начало страницы