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Node.js

出典: フリー教科書『ウィキブックス（Wikibooks）』
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 ウィキペディアにNode.jsの記事があります。

Node.jsは、JavaScriptランタイム環境で、サーバーサイドのアプリケーション開発を行うための強力なプラットフォームです。このチュートリアルでは、Node.jsの基本から始め、プログラミング初心者にも理解しやすいように構成されています。

このチュートリアルは、理論的な概念だけでなく、各トピックにおいて実際のコード例や演習を提供することで、読者が理解を深めるのに役立ちます。最終的には、Node.jsを使用して実践的なウェブアプリケーションを構築できるようになります。初学者から経験者まで、幅広い層のプログラマにとってNode.jsの基本的な概念や実践的なスキルを身につけるための手順が含まれています。

Node.jsの基本

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Node.jsの紹介と特徴

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Node.jsは、JavaScriptランタイム環境であり、非同期イベント駆動型のサーバーサイドアプリケーション開発に特に適しています。JavaScriptをブラウザのみでなく、サーバーサイドでも実行できるようになり、統一されたプログラミング言語でクライアントとサーバーの開発が可能となりました。これにより、フロントエンドとバックエンドのシームレスな連携が可能となり、開発効率が向上しました。

Node.jsの主な特徴は非同期イベント駆動型のプログラミングモデルです。これにより、複数のイベントが同時に処理され、高い効率でスケーラビリティを実現できます。また、V8エンジンを採用しており、高速な実行が可能です。

Node.jsのインストールと環境構築

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Node.jsを使用するには、公式ウェブサイトから対応するバージョンをダウンロードしてインストールする必要があります。インストールが完了したら、コマンドラインでnode -vと入力してバージョンが表示されるか確認しましょう。これでNode.jsが正しくインストールされたことが確認できます。

nvmを使う方法
nvm（Node Version Manager）は、Node.jsのバージョン管理を担当し、プロジェクトごとに異なるバージョンを簡単に切り替えられる便利なツールです。.nvmrcのサポートやシンプルなコマンドで使いやすく、システムへの影響を最小限に抑えています。
詳細は「nvm」を参照

Node.jsの環境構築では、npm（Node Package Manager）も一緒にインストールされます。npmはパッケージの管理や依存関係の解決に利用され、Node.js開発において欠かせないツールです。npm -vと入力して正しいバージョンが表示されるか確認しましょう。

npm（Node Package Manager）の基本的な使用法

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npmはパッケージ（ライブラリやツール）のインストール、管理、公開などを行うツールです。以下は、npmの基本的な使用法です。

  • パッケージのインストール: npm install パッケージ名
  • パッケージのバージョン指定: npm install パッケージ名@バージョン
  • パッケージのグローバルインストール: npm install -g パッケージ名
  • パッケージの削除: npm uninstall パッケージ名
  • プロジェクトの初期化（package.jsonファイルの作成）: npm init

これらのコマンドを使って、プロジェクトに必要なパッケージを簡単に追加できます。また、package.jsonファイルにはプロジェクトの依存関係やスクリプトなどの情報が記述されます。npmを使うことで、プロジェクトの管理がより効率的になります。

詳細は「npm」を参照

yarn

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Yarn は、JavaScriptのパッケージ管理ツールで、Node.jsプロジェクトでの依存関係の管理を行います。Facebook、Expo、Google、Tildeが共同で開発したもので、npm（Node Package Manager）の代替として開発されました。Yarnは、パフォーマンスの向上、セキュリティ、再現性の確保などの特長があります。

以下に、Yarnの基本的な機能やコマンドを解説します。

インストール
Yarnをインストールするには、まずNode.jsがインストールされている必要があります。その後、以下のコマンドでYarnをグローバルにインストールします。
npm install -g yarn
プロジェクトの初期化

新しいプロジェクトを始める際には、まずプロジェクトディレクトリに移動し、以下のコマンドを実行して初期化します。 

yarn init
このコマンドでは、プロジェクトに関する質問がいくつか表示され、それに答えることで package.json ファイルが作成されます。
パッケージの追加と削除

新しいパッケージをプロジェクトに追加する場合は、yarn add コマンドを使用します。 

yarn add <パッケージ名>
例えば、Express.jsを追加する場合
yarn add express
パッケージを削除する場合は、yarn remove コマンドを使用します。
yarn remove <パッケージ名>
パッケージのアップグレード
パッケージを最新のバージョンにアップグレードするには、yarn upgrade コマンドを使用します。
yarn upgrade <パッケージ名>
依存関係によるインストール
package.json ファイルに記載された依存関係をインストールするには、以下のコマンドを使用します。
yarn install
ロックファイル
Yarnはパッケージのバージョン情報を保持するために yarn.lock ファイルを使用します。このファイルがあることで、再現性を持ったパッケージのインストールが行えます。

これらの基本的なコマンドを駆使することで、Yarnはプロジェクトの依存関係を効果的に管理し、一貫性のある開発環境を提供します。

フロントエンドとバックエンド
フロントエンドとバックエンドは、ウェブ開発において異なる役割を果たす2つの主要な側面です。
フロントエンド（クライアントサイド）
フロントエンドは、ユーザーが直接触れるウェブページやアプリケーションのインターフェースを構築する部分です。主な役割は以下の通りです：
ユーザーインターフェース (UI) の構築
HTML、CSS、JavaScriptを使用して、見栄えやユーザーエクスペリエンスを提供します。
ユーザーエクスペリエンス (UX) の向上
ページの読み込み速度や応答性の向上など、ユーザーが快適に操作できるように努めます。
クライアントサイドのロジックの管理
フォームのバリデーション、アニメーション、ページ遷移など、クライアントサイドの振る舞いを制御します。
APIとの通信
バックエンドから提供されるデータやサービスへのアクセスを可能にし、非同期通信を利用してデータの取得や送信を行います。
代表的なフロントエンドのフレームワークとライブラリには、React.js、Angular、Vue.jsなどがあります。
バックエンド（サーバーサイド）
バックエンドは、ウェブアプリケーションの裏側で動作し、データの処理、ストレージ、ビジネスロジックなどを担当します。主な役割は以下の通りです：
データベースとの対話
データの取得、更新、削除などをデータベースとやりとりしながら管理します。
ビジネスロジックの処理
ユーザーやクライアントからのリクエストに基づいて、ビジネスルールや処理を実行します。
サーバーサイドのロジックの管理
セッション管理、認証、セキュリティなど、クライアントサイドで実装できないサーバーサイドの機能を担当します。
APIの提供
フロントエンドや外部サービスとの通信を可能にし、データを提供します。
代表的なバックエンドのプログラミング言語とフレームワークには、Node.js (Express.js)、Python (Django、Flask)、Ruby (Ruby on Rails)、Java (Spring)などがあります。
フルスタック開発者
フルスタック開発者は、フロントエンドとバックエンドの両方に精通している開発者のことを指します。彼らはウェブアプリケーション全体の開発に携わり、クライアントサイドからサーバーサイドまで、システム全体を理解し、開発できるスキルを有しています。

Express.jsの導入

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Express.jsの概要と特徴

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Express.jsは、Node.js用の軽量で柔軟かつ高速なWebアプリケーションフレームワークです。これを使用することで、シンプルなAPIから複雑なWebアプリケーションまで、効率的で堅牢なサーバーサイドの開発が可能になります。Express.jsはミドルウェアを活用して柔軟性を提供し、開発者が簡単かつ効果的にHTTPサーバーを構築できるように設計されています。

主な特徴として、ルーティングやミドルウェアの強力なサポート、HTTPのメソッドに基づいたルーティングの容易さ、拡張性、そして大規模なアプリケーションの構築にも適していることが挙げられます。

Expressアプリケーションの基本構造

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Expressアプリケーションの基本構造は、以下のようになります。 

// 必要なモジュールのインポート
const express = require('express');
const app = express();
const port = 3000;

// ルートへのGETリクエストへの応答
app.get('/', (req, res) => {
  res.send('Hello, Express!');
});

// サーバーの起動
app.listen(port, () => {
  console.log(`Server is running on http://localhost:${port}`);
});

この基本的な構造では、Expressをインポートし、appオブジェクトを作成します。その後、app.get()メソッドを使用してルートパス('/')へのGETリクエストに対して応答を定義し、最後にapp.listen()メソッドでサーバーを指定のポートで起動します。

ルーティングとミドルウェアの使用

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ルーティング

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Express.jsでは、app.get()、app.post()、app.put()などのメソッドを使用して異なるHTTPメソッドに対するルーティングを定義できます。例えば、以下のようにして異なるエンドポイントに対してルーティングを設定できます。 

app.get('/users', (req, res) => {
  res.send('Get all users');
});

app.post('/users', (req, res) => {
  res.send('Create a new user');
});

ミドルウェア

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Node.jsにおいて、ミドルウェア（Middleware）はリクエストとレスポンスの処理の中間に位置する機能を指します。これはExpress.jsなどのウェブフレームワークで広く使用されています。ミドルウェアは、リクエストがサーバーに到達する前、またはレスポンスがクライアントに送信される前に、その処理を行う役割を果たします。

Express.jsでは、ミドルウェアがリクエストの前後に実行され、リクエストやレスポンスを変更することができます。

例えば、以下のようにしてログを出力するミドルウェアを作成できます。 

// ログを出力するミドルウェア
const logMiddleware = (req, res, next) => {
  console.log(`[${new Date()}] ${req.method} ${req.url}`);
  next();
};

// ミドルウェアの使用
app.use(logMiddleware);

// ルートの定義
app.get('/', (req, res) => {
  res.send('Hello, Express!');
});

ここでは、logMiddlewareというミドルウェアが定義され、app.use()を使ってそれを全てのリクエストに対して使用しています。ミドルウェアは順次実行され、next()を呼ぶことで次のミドルウェアやルートハンドラに処理が渡ります。

Express.jsのルーティングとミドルウェアの機能を駆使することで、柔軟で効率的なWebアプリケーションの構築が可能です。

Express.jsとRuby on Railsの類似点と相違点
Express.jsとRuby on Railsは、それぞれJavaScriptとRubyをベースにしたウェブアプリケーションフレームワークであり、いくつかの類似点と相違点があります。
類似点
MVCアーキテクチャ
両方のフレームワークは、モデル（データ処理）、ビュー（ユーザーインターフェース）、コントローラ（ロジック）のMVCアーキテクチャを採用しています。これにより、コードの分離と保守性が向上します。
コードの効率性
両者は自動的に一般的なタスクを処理するジェネレーターやコードの自動生成ツールを提供しており、開発者に対してプロジェクトの効率的な進行をサポートしています。
データベースサポート
どちらも主流なデータベースとの連携が得意であり、ORM（Object-Relational Mapping）を使用してデータベースの操作を抽象化することができます。
開発者コミュニティ
Express.jsとRuby on Railsは、豊富な開発者コミュニティを持っています。これにより、ドキュメンテーションやサポートが充実しており、問題解決が比較的容易です。
相違点:
プログラミング言語
一番の大きな違いは、Express.jsがJavaScriptを使用しているのに対し、Ruby on RailsはRubyを使用しています。これにより、選択されたプログラミング言語によって開発者の好みやプロジェクトの要件が影響を受けます。
非同期処理
Express.jsは非同期イベント駆動型のモデルを採用しており、非同期処理に強みがあります。対照的に、Ruby on Railsは同期的な処理が基本であり、非同期処理に関してはActiveJobなどの拡張機能が必要です。
構築の哲学
Express.jsは「ミニマリスティック」な設計のため、柔軟性が高く、開発者が好みのライブラリやツールを組み合わせて使用できます。対照的に、Ruby on Railsは「意見の統一」を重視し、プロジェクトの構造やライブラリの選択に関して強力な規約があります。
フレームワークのサイズ
Express.jsは小規模かつ柔軟で、必要な機能を手動で追加することが一般的です。Ruby on Railsは大規模で、開発者が手動で設定する必要が少なく、多くの機能が最初から組み込まれています。
選択はプロジェクトの要件、開発者の好み、チームのスキルセットに依存します。どちらも強力なフレームワークであり、適切に使われると迅速かつ堅牢なウェブアプリケーションを構築できます。

非同期処理の扱い

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コールバック関数の復習

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JavaScriptにおいて非同期処理は一般的であり、コールバック関数がその基本的な仕組みとなります。コールバック関数は、非同期操作が完了した際に呼び出される関数であり、例えばファイルの読み込みやHTTPリクエストの処理などに利用されます。 

// コールバック関数の例
function fetchData(callback) {
  setTimeout(() => {
    console.log('Data fetched successfully');
    callback();
  }, 1000);
}

// fetchData関数の使用
fetchData(() => {
  console.log('Callback executed');
});

Promiseとasync/awaitの使用

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コールバックヘル（Callback Hell）を避けるために、Promiseやasync/awaitが導入されました。Promiseは非同期操作を表すオブジェクトであり、処理が成功したか失敗したかに応じてコールバック関数を呼び出します。async/awaitはPromiseをより扱いやすくするための構文糖衣であり、非同期コードを同期的に書くことができます。 

// Promiseの例
function fetchData() {
  return new Promise((resolve, reject) => {
    setTimeout(() => {
      console.log('Data fetched successfully');
      resolve();
    }, 1000);
  });
}

// async/awaitの例
async function fetchDataAsync() {
  await fetchData();
  console.log('Async function executed');
}

// fetchDataAsync関数の使用
fetchDataAsync();

非同期処理のベストプラクティス

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  1. エラーハンドリング:
    • 非同期処理ではエラーが発生しやすいため、適切なエラーハンドリングが重要です。Promiseではcatchメソッドやtry-catch文を利用してエラーをキャッチしましょう。
    fetchData()
  .then(() => {
    // 成功時の処理
  })
  .catch((error) => {
    console.error('Error:', error);
  });
  2. 同時に複数の非同期処理:
    • Promise.allを使用して複数の非同期処理が全て完了するのを待つことができます。
    const promise1 = fetchData();
const promise2 = fetchData();

Promise.all([promise1, promise2])
  .then(() => {
    console.log('All promises resolved');
  })
  .catch((error) => {
    console.error('Error:', error);
  });
  3. 非同期処理の逐次実行:
    • async/awaitを使用して非同期処理を逐次実行することができます。
    async function sequentialAsyncOperations() {
  await fetchData();
  await fetchData();
  console.log('Sequential operations completed');
}

sequentialAsyncOperations();

非同期処理の適切なハンドリングと制御は、JavaScriptにおける効果的なプログラミングの一環となります。これにより、アプリケーションが予測可能で、エラーレスポンスが改善され、保守性が向上します。

ファイル操作とデバッグ

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ファイルの読み書きとディレクトリ操作

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ファイルの読み込み

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Node.jsでは、fs（ファイルシステム）モジュールを使用してファイルの読み書きが行えます。以下は、ファイルの読み込みの基本的な例です。 

const fs = require('fs');

fs.readFile('example.txt', 'utf8', (err, data) => {
  if (err) {
    console.error('Error reading the file:', err);
    return;
  }
  console.log('File content:', data);
});

ファイルの書き込み

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同様に、ファイルの書き込みもfsモジュールを使用します。 

const fs = require('fs');

const content = 'Hello, Node.js!';
fs.writeFile('example.txt', content, 'utf8', (err) => {
  if (err) {
    console.error('Error writing to the file:', err);
    return;
  }
  console.log('File written successfully');
});

ディレクトリ操作

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ディレクトリの作成や削除もfsモジュールを使用して行います。 

const fs = require('fs');

// ディレクトリの作成
fs.mkdir('example_directory', (err) => {
  if (err) {
    console.error('Error creating directory:', err);
    return;
  }
  console.log('Directory created successfully');
});

// ディレクトリの削除
fs.rmdir('example_directory', (err) => {
  if (err) {
    console.error('Error deleting directory:', err);
    return;
  }
  console.log('Directory deleted successfully');
});

デバッグツールの使用方法

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Node.jsはデバッグをサポートする豊富なツールを提供しています。

Node.js内蔵のデバッグモード

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Node.jsには--inspectオプションを使用してデバッグモードを有効にすることができます。 

node --inspect myScript.js

デフォルトではChrome DevToolsが使われ、chrome://inspectからデバッグセッションにアクセスできます。

console.logの利用

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単純ながら効果的なデバッグ手法として、console.logを使用することがあります。コードの特定の地点で変数やメッセージをログに出力して、プログラムの実行状態を把握することができます。 

const exampleVar = 'Hello, debugging!';
console.log(exampleVar);

npmモジュールのデバッグ

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npmにはデバッグ用のモジュールもあります。例えば、debugモジュールを使用することで、コードのどの部分でログを出力するかを制御できます。 

const debug = require('debug')('myApp');

const exampleVar = 'Hello, debugging!';
debug(exampleVar);

これにより、特定のモジュールや機能に焦点を当ててデバッグ情報を得ることができます。

ファイル操作やデバッグはNode.js開発において不可欠なスキルです。これらの手法をマスターすることで、プログラムの正確性やパフォーマンスを向上させることができます。

データベースの操作

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SQLやNoSQLデータベースの導入（例: SQLite、MongoDB）

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SQLデータベース（例: SQLite）

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SQLデータベースはリレーショナルデータベースで、表形式のテーブルを使用してデータを保存します。Node.jsでよく使用されるSQLデータベースの一つにSQLiteがあります。以下は、SQLiteデータベースの導入と基本的な操作の例です。 

const sqlite3 = require('sqlite3').verbose();
const db = new sqlite3.Database('example.db');

// テーブルの作成
db.run('CREATE TABLE IF NOT EXISTS users (id INT, name TEXT)');

// データの挿入
db.run('INSERT INTO users VALUES (1, "John Doe")');

// データの取得
db.each('SELECT * FROM users', (err, row) => {
  console.log(row.id, row.name);
});

// データベースのクローズ
db.close();

NoSQLデータベース（例: MongoDB）

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NoSQLデータベースは柔軟なデータ構造を持ち、ドキュメント指向データベースのMongoDBがよく利用されます。以下は、MongoDBの導入と基本的な操作の例です。 

const mongoose = require('mongoose');
mongoose.connect('mongodb://localhost/example', { useNewUrlParser: true, useUnifiedTopology: true });

// スキーマの定義
const userSchema = new mongoose.Schema({
  id: Number,
  name: String
});

// モデルの作成
const User = mongoose.model('User', userSchema);

// ドキュメントの作成と保存
const user = new User({ id: 1, name: 'John Doe' });
user.save();

// ドキュメントの検索
User.find({ id: 1 }, (err, users) => {
  console.log(users);
});

データベースへの接続と基本的なクエリ

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SQLデータベースへの接続とクエリ

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SQLデータベースへの接続にはsqlite3やmysqlなどのライブラリが使われます。以下はSQLiteデータベースへの接続と基本的なクエリの例です。 

const sqlite3 = require('sqlite3').verbose();
const db = new sqlite3.Database('example.db');

// クエリの実行
db.all('SELECT * FROM users', (err, rows) => {
  if (err) {
    console.error(err);
    return;
  }
  console.log(rows);
});

// データベースのクローズ
db.close();

NoSQLデータベースへの接続とクエリ

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NoSQLデータベースへの接続には各データベースに対応するライブラリ（例: mongoose for MongoDB）が使用されます。以下はMongoDBへの接続と基本的なクエリの例です。 

const mongoose = require('mongoose');
mongoose.connect('mongodb://localhost/example', { useNewUrlParser: true, useUnifiedTopology: true });

// クエリの実行
User.find({ id: 1 }, (err, users) => {
  console.log(users);
});

ORM（Object-Relational Mapping）の導入

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ORMはデータベースとオブジェクト指向プログラミング言語の間でデータを変換する仕組みです。Node.jsでよく使用されるORMライブラリにはSequelize（SQLデータベース向け）やMongoose（MongoDB向け）があります。

Sequelizeの導入（SQLデータベース向け）

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const Sequelize = require('sequelize');
const sequelize = new Sequelize('sqlite::memory:');

// モデルの定義
const User = sequelize.define('user', {
  id: {
    type: Sequelize.INTEGER,
    primaryKey: true
  },
  name: Sequelize.STRING
});

// 同期化とデータの操作
sequelize.sync()
  .then(() => User.create({ id: 1, name: 'John Doe' }))
  .then(() => User.findAll())
  .then(users => {
    console.log(users);
  });

Mongooseの導入（MongoDB向け）

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const mongoose = require('mongoose');
mongoose.connect('mongodb://localhost/example', { useNewUrlParser: true, useUnifiedTopology: true });

// スキーマの定義
const userSchema = new mongoose.Schema({
  id: Number,
  name: String
});

// モデルの作成
const User = mongoose.model('User', userSchema);

// データの操作
const user = new User({ id: 1, name: 'John Doe' });
user.save()
  .then(() => User.find({ id: 1 }))
  .then(users => {
    console.log(users);
  });

ORMを使用することで、データベースとのやりとりをオブジェクト指向的な形で行えます。これにより、より効率的で保守しやすいコードを記述することができます。

認証とセキュリティ

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ユーザー認証の基本

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ユーザー認証はウェブアプリケーションの重要な機能であり、正当なユーザーであることを確認し、権限を与えるプロセスです。以下は、Node.jsでの基本的なユーザー認証の手法です。

パスワード認証の例
const bcrypt = require('bcrypt');
const saltRounds = 10;

// パスワードのハッシュ化
bcrypt.hash('user_password', saltRounds, (err, hash) => {
  if (err) {
    console.error('Error hashing password:', err);
    return;
  }
  // データベースにハッシュを保存
  saveHashToDatabase(hash);
});

// パスワードの検証
bcrypt.compare('user_password', storedHashFromDatabase, (err, result) => {
  if (err) {
    console.error('Error comparing passwords:', err);
    return;
  }
  if (result) {
    console.log('Password is correct');
  } else {
    console.log('Password is incorrect');
  }
});
セッション管理とトークン認証

セッション管理

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セッション管理は、ユーザーがサイトにアクセスしている間にサーバーがユーザーの状態を記録する仕組みです。express-sessionなどのライブラリを使用してセッションを管理できます。 

const express = require('express');
const session = require('express-session');

const app = express();

app.use(session({
  secret: 'your_secret_key',
  resave: false,
  saveUninitialized: true
}));

// セッションの利用
app.get('/profile', (req, res) => {
  if (req.session.user) {
    res.send(`Welcome, ${req.session.user.name}!`);
  } else {
    res.send('Unauthorized');
  }
});

トークン認証

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トークン認証は、トークン（JWTなど）を使用してユーザーを認証する手法です。以下は、Expressとjsonwebtokenを使用したトークン認証の例です。 

const express = require('express');
const jwt = require('jsonwebtoken');

const app = express();

// トークンの生成
const generateToken = (user) => {
  return jwt.sign({ user }, 'your_secret_key', { expiresIn: '1h' });
};

// 認証のミドルウェア
const authenticateToken = (req, res, next) => {
  const token = req.headers['authorization'];
  if (!token) {
    res.sendStatus(401);
    return;
  }

  jwt.verify(token, 'your_secret_key', (err, user) => {
    if (err) {
      res.sendStatus(403);
      return;
    }
    req.user = user;
    next();
  });
};

// トークンの利用
app.get('/profile', authenticateToken, (req, res) => {
  res.send(`Welcome, ${req.user.user.name}!`);
});

セキュリティの基本（CSRF、XSS、SQLインジェクションなど）

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CSRF（Cross-Site Request Forgery）

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CSRF攻撃は、ユーザーが意図しない操作を行わせる攻撃です。対策として、リクエストにCSRFトークンを含めたり、SameSite属性を使用することがあります。 

// CSRFトークンの生成
const csrfToken = generateCsrfToken();

// フォームにトークンを埋め込む
app.get('/form', (req, res) => {
  res.send(`<form action="/submit" method="post">
              <input type="hidden" name="_csrf" value="${csrfToken}">
              <button type="submit">Submit</button>
            </form>`);
});

// CSRFトークンの検証
app.post('/submit', (req, res) => {
  const { _csrf } = req.body;
  if (_csrf !== csrfToken) {
    res.sendStatus(403);
    return;
  }
  // 正当なリクエストの処理
});

XSS（Cross-Site Scripting）

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XSS攻撃は、悪意のあるスクリプトを挿入し、ユーザーのブラウザで実行させる攻撃です。対策として、入力値のエスケープや、CORSヘッダーの設定を行うことがあります。 

// エスケープ関数の例
function escapeHtml(input) {
  return input.replace(/</g, '&lt;').replace(/>/g, '&gt;');
}

// ユーザー入力の表示
app.get('/user/:name', (req, res) => {
  const { name } = req.params;
  res.send(`Hello, ${escapeHtml(name)}!`);
});

SQLインジェクション

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SQLインジェクションは、不正なSQLクエリを挿入し、データベースを攻撃する手法です。対策として、プリペアドステートメントやORMを使用することがあります。 

const userId = req.params.id;
// 脆弱なクエリ
const sql = `SELECT * FROM users WHERE id = ${userId}`;

// プリペアドステートメントの使用
const sql = 'SELECT * FROM users WHERE id = ?';
db.query(sql, [userId], (err, result) => {
  // クエリの結果を処理
});

セキュリティの重要性を理解し、適切な手法を使用することで、ウェブアプリケーションの脆弱性を最小限に抑えることができます。各攻撃手法に対する詳細な対策は、プロジェクトの要件や使用しているライブラリによって異なります。

APIの作成と利用

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RESTful APIの基本

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RESTful APIは、Representational State Transfer（表現状態転送）の原則に基づいたAPIデザインの一手法です。以下はRESTful APIの基本的な原則です。

  1. リソース指向:
    • APIのエンドポイントはリソース（データやサービス）を表現します。例えば、/usersはユーザーリソースを表し、/postsは投稿リソースを表します。
  2. HTTPメソッドの使用:
    • CRUD操作（Create, Read, Update, Delete）に対応するHTTPメソッドを使用します。
      • GET: リソースの取得
      • POST: リソースの作成
      • PUT: リソースの更新
      • DELETE: リソースの削除
  3. ステートレス性:
    • 各リクエストは必要な情報を含み、サーバー側ではセッションなどの状態を保持しません。各リクエストは独立して処理されます。
  4. 統一的なインターフェース:
    • インターフェースは統一されているため、クライアントがどのAPIでも同様のパターンで通信できます。

Express.jsを使用したAPIエンドポイントの実装

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Express.jsはNode.js用のウェブアプリケーションフレームワークであり、APIの作成に適しています。以下はExpress.jsを使用してRESTful APIエンドポイントを作成する基本的な例です。 

const express = require('express');
const app = express();
const port = 3000;

// ミドルウェアの設定
app.use(express.json());

// ユーザーデータの一覧取得
app.get('/api/users', (req, res) => {
  // データベースからユーザーデータを取得
  const users = getAllUsersFromDatabase();
  res.json(users);
});

// ユーザーデータの取得
app.get('/api/users/:id', (req, res) => {
  const userId = req.params.id;
  // データベースから指定されたユーザーデータを取得
  const user = getUserByIdFromDatabase(userId);
  res.json(user);
});

// ユーザーデータの作成
app.post('/api/users', (req, res) => {
  const newUser = req.body;
  // データベースに新しいユーザーデータを作成
  createUserInDatabase(newUser);
  res.sendStatus(201); // Created
});

// ユーザーデータの更新
app.put('/api/users/:id', (req, res) => {
  const userId = req.params.id;
  const updatedUser = req.body;
  // データベースで指定されたユーザーデータを更新
  updateUserInDatabase(userId, updatedUser);
  res.sendStatus(204); // No Content
});

// ユーザーデータの削除
app.delete('/api/users/:id', (req, res) => {
  const userId = req.params.id;
  // データベースから指定されたユーザーデータを削除
  deleteUserFromDatabase(userId);
  res.sendStatus(204); // No Content
});

// サーバーの起動
app.listen(port, () => {
  console.log(`Server is running at http://localhost:${port}`);
});

外部APIとの連携

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外部APIとの連携は、自分のAPIが外部のサービスやデータにアクセスするための手段です。以下は、Node.jsで外部APIと連携する基本的な例です。 

const axios = require('axios');

// 外部APIからデータを取得
axios.get('https://api.example.com/data')
  .then(response => {
    console.log(response.data);
  })
  .catch(error => {
    console.error('Error:', error);
  });

// 外部APIにデータを送信
const newData = { key: 'value' };
axios.post('https://api.example.com/data', newData)
  .then(response => {
    console.log('Data sent successfully');
  })
  .catch(error => {
    console.error('Error:', error);
  });

外部APIとの連携では、APIキーの認証やトークンの使用、エラーハンドリングなどを考慮する必要があります。axiosはPromiseベースのHTTPクライアントであり、非同期の外部APIリクエストを簡単に実装できます。

WebSocketの導入

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WebSocketの基本概念

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WebSocketは、双方向でリアルタイムな通信を実現するためのプロトコルです。通常のHTTPリクエストとは異なり、WebSocketは一度の接続でデータを双方向にやり取りできます。これにより、サーバーからクライアントへのプッシュ通知や、クライアントからサーバーへのリアルタイムな情報更新が可能となります。

WebSocket通信は以下の特徴を持っています。

リアルタイム性
WebSocketは低遅延でのデータ通信を実現し、クライアントとサーバーがほぼ同時にデータを送受信できます。
双方向通信
クライアントとサーバーは同時にデータを送信でき、両者がリアルタイムに対話することができます。
効率的な通信
HTTPと比較して通信量が少なく、ヘッダーのオーバヘッドが軽減されるため、高い効率で通信が行えます。

Socket.ioを使用したリアルタイム通信

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Socket.ioはWebSocketを簡単に利用できるライブラリで、WebSocketをサポートするだけでなく、WebSocketが利用できない環境でも動作するフォールバック機能も提供しています。以下は、Socket.ioを使用した基本的なサーバーとクライアントの実装例です。

サーバー側（Node.js + Express）
const express = require('express');
const http = require('http');
const socketIo = require('socket.io');

const app = express();
const server = http.createServer(app);
const io = socketIo(server);

io.on('connection', (socket) => {
  console.log('A user connected');

  // クライアントからのメッセージ受信
  socket.on('message', (data) => {
    console.log('Message from client:', data);

    // クライアント全体にメッセージ送信
    io.emit('message', { text: 'Hello, everyone!' });
  });

  // 切断時の処理
  socket.on('disconnect', () => {
    console.log('User disconnected');
  });
});

const port = 3000;
server.listen(port, () => {
  console.log(`Server is running at http://localhost:${port}`);
});
クライアント側
<!-- クライアント側のHTMLファイル -->
<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
  <meta charset="UTF-8">
  <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0">
  <title>WebSocket Chat</title>
</head>
<body>
  <h1>WebSocket Chat</h1>
  <ul id="messages"></ul>
  <input id="messageInput" autocomplete="off" /><button onclick="sendMessage()">Send</button>

  <script src="https://cdnjs.cloudflare.com/ajax/libs/socket.io/4.0.1/socket.io.js"></script>
  <script>
    const socket = io();

    // サーバーからのメッセージ受信
    socket.on('message', (data) => {
      const messages = document.getElementById('messages');
      const li = document.createElement('li');
      li.textContent = data.text;
      messages.appendChild(li);
    });

    // メッセージ送信
    function sendMessage() {
      const input = document.getElementById('messageInput');
      const message = input.value;
      socket.emit('message', { text: message });
      input.value = '';
    }
  </script>
</body>
</html>

チャットアプリなどのサンプル実装

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上記のサーバーとクライアントの実装例は、簡単なチャットアプリの基本的な骨組みです。ユーザーがメッセージを入力すると、サーバーがそれを受け取り、全てのクライアントにそのメッセージをブロードキャストします。クライアントはブロードキャストされたメッセージを受け取り、画面に表示します。 この例を拡張して、ユーザーごとのルーム分け、特定のユーザーへのプライベートメッセージ、絵文字やファイルの送受信など、様々な機能を追加することができます。 Socket.ioの公式ドキュメントやその他のリソースを参考にして、WebSocketを活用したリアルタイムアプリケーションの構築を進めてみましょう。

テストとデプロイ

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ユニットテストと統合テストの基本

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ユニットテスト

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ユニットテストは、アプリケーションの個々の機能やモジュールが正しく動作するかを確認するためのテストです。テスト対象の関数やクラスなどの単位（ユニット）ごとにテストケースを作成し、期待される結果と実際の結果が一致するかを検証します。 

// ユニットテストの例 (使用ツール: Jest)
test('addition', () => {
  expect(1 + 2).toBe(3);
});

test('substraction', () => {
  expect(5 - 2).toBe(3);
});

統合テスト

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統合テストは、異なる部分が連携して正しく動作するかを確認するテストです。通常、モジュール単位のテストが終わった後に行われ、複数のモジュールが協調して動くことを確認します。 

// 統合テストの例 (使用ツール: Supertest + Jest)
const request = require('supertest');
const app = require('../app'); // テスト対象のExpressアプリ

test('GET /api/users', async () => {
  const response = await request(app).get('/api/users');
  expect(response.status).toBe(200);
  expect(response.body).toHaveLength(3);
});

デプロイの基本（Heroku、AWS、Vercelなど）

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Herokuを使用したデプロイ

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Herokuは簡単かつ柔軟なプラットフォームで、Node.jsアプリケーションをデプロイするのに適しています。以下はHerokuにNode.jsアプリケーションをデプロイする基本的な手順です。

  1. Herokuアカウントの作成
  2. Heroku CLIのインストール
  3. アプリケーションのディレクトリでgit initを実行し、アプリケーションをGitリポジトリに初期化
  4. Herokuにログイン (heroku login)
  5. Herokuアプリの作成 (heroku create)
  6. リモートリポジトリの追加 (git remote add heroku <HerokuアプリのURL>)
  7. アプリケーションのデプロイ (git push heroku master)

AWSを使用したデプロイ

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Amazon Web Services (AWS)は、様々なサービスを提供するクラウドプロバイダで、Node.jsアプリケーションをデプロイするためのオプションが豊富です。以下はAWS Elastic Beanstalkを使用したデプロイ手順の例です。

  1. AWSアカウントの作成
  2. AWS Elastic Beanstalkアプリケーションの作成
  3. Elastic Beanstalk環境の作成
  4. アプリケーションのデプロイ (eb deploy)

Vercelを使用したデプロイ

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Vercelは、フロントエンドやサーバーレスなバックエンドを簡単にデプロイできるプラットフォームです。以下はVercelを使用してNode.jsアプリケーションをデプロイする手順の例です。

  1. Vercelアカウントの作成
  2. Vercel CLIのインストール (npm install -g vercel)
  3. アプリケーションのディレクトリでvercelを実行
  4. デプロイの設定を行い、デプロイの確認

デプロイ時の注意事項とベストプラクティス

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注意事項
  • 環境変数の管理: 重要な情報は環境変数を使用して管理し、公開されないようにしましょう。
  • データベースの設定: デプロイ先のデータベースとローカルのデータベースが同じであることを確認しましょう。
  • セキュリティの確認: HTTPSの使用やセキュリティヘッダーの設定など、セキュリティ対策を実施しましょう。
ベストプラクティス
  • CI/CDの導入: 継続的インテグレーション（CI）および継続的デリバリー（CD）を導入して、自動化されたビルドとデプロイプロセスを確立しましょう。
  • モニタリング: アプリケーションのモニタリングツールを導入して、デプロイ後のパフォーマンスやエラーを監視しましょう。
  • バージョニング: アプリケーションやAPIに対してセマンティック バージョニングを適用し、互換性のある変更を行いましょう。
  • スケーリングの考慮: トラフィックが増えた場合のスケーリング戦略を検討し、必要に応じて自動スケーリングを導入しましょう。

デプロイはアプリケーションのライフサイクルにおいて重要なフェーズであり、注意深く行う必要があります。上記の手順やベストプラクティスを参考にして、スムーズで安全なデプロイを実現してください。

最新のNode.jsの機能

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ECMAScriptモジュールの使用

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ECMAScriptモジュール（ESM）は、Node.jsにおいてCommonJSモジュールシステムに代わる新しいモジュールシステムです。以下は、ECMAScriptモジュールの基本的な使用例です。

モジュールの作成
// math.js
export const add = (a, b) => a + b;
export const subtract = (a, b) => a - b;
モジュールの利用
// index.js
import { add, subtract } from './math.js';

console.log(add(5, 3));      // 出力: 8
console.log(subtract(8, 3)); // 出力: 5

ECMAScriptモジュールはファイル拡張子が .mjs の場合、もしくは、"type": "module" を指定した場合に使用できます。 

// package.json
{
  "type": "module"
}

WebAssemblyとの連携

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WebAssembly（Wasm）は、ブラウザ以外の環境でも実行できるバイナリ形式の低レベルな仮想マシンです。Node.jsはWebAssemblyモジュールをサポートしており、C/C++などで書かれたバイナリをNode.jsアプリケーションで使用できます。

WebAssemblyモジュールの読み込み
// wasm_example.js
const fs = require('fs');
const { readFileSync } = fs;

// WebAssembly バイナリファイルの読み込み
const wasmCode = readFileSync('example.wasm');

// WebAssembly モジュールのインスタンス化
const wasmInstance = new WebAssembly.Instance(new WebAssembly.Module(wasmCode));

// WebAssembly 関数の呼び出し
console.log(wasmInstance.exports.add(5, 3)); // 出力: 8

最新のNode.jsフレームワークやツールの紹介

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Fastify

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Fastifyは、高速で軽量なウェブフレームワークであり、Node.jsアプリケーションの開発をサポートします。以下はFastifyの基本的な例です。 

const fastify = require('fastify')();

fastify.get('/', (request, reply) => {
  reply.send({ message: 'Hello, Fastify!' });
});

fastify.listen(3000, (err, address) => {
  if (err) throw err;
  console.log(`Server listening on ${address}`);
});

Deno

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Denoは、Ryan Dahlによって作られた新しいランタイムで、Node.jsの改良版とも言えるものです。Denoはセキュリティ向上、ESMの標準サポート、ブラウザ互換性などが特徴です。 

// deno_example.ts
console.log('Hello, Deno!');

Denoのスクリプトは .ts ファイル拡張子で書かれ、TypeScriptを標準でサポートしています。

これらの新しい機能やツールを使用することで、より効率的でモダンなNode.jsアプリケーションの開発が可能になります。ただし、導入前に十分なテストと検証を行い、プロジェクトの要件に合致しているか確認することが重要です。

チートシート

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以下は、Node.jsの基本的な操作や機能に関するチートシートです。

このチートシートは要約版であり、詳細な情報や構文に関しては公式ドキュメントを参照してください。

Node.jsの基本

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Node.jsのインストール
# nvm (Node Version Manager) を使用する場合
nvm install <バージョン>

# 直接インストールする場合
# https://nodejs.org/ からバイナリやインストーラをダウンロード
バージョン確認
node -v
npmのバージョン確認
npm -v

npmの基本操作

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パッケージのインストール
npm install <パッケージ名>
グローバルにパッケージをインストール
npm install -g <パッケージ名>
パッケージのアンインストール
npm uninstall <パッケージ名>
パッケージのバージョン指定
npm install <パッケージ名>@<バージョン>

Node.jsの実行

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スクリプトの実行
node <ファイル名>
対話モードの開始
node
スクリプトの一部を対話的に実行可能。

Express.jsの基本

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Express.jsのインストール
npm install express
基本的なExpress.jsアプリケーション
const express = require('express');
const app = express();

app.get('/', (req, res) => {
  res.send('Hello, Express!');
});

const port = 3000;
app.listen(port, () => {
  console.log(`Server is running on http://localhost:${port}`);
});

モジュールの作成と使用

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モジュールの作成
// math.js
exports.add = (a, b) => a + b;
モジュールの使用
// index.js
const math = require('./math.js');
console.log(math.add(5, 3)); // 出力: 8

非同期処理

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コールバック関数
fs.readFile('file.txt', 'utf8', (err, data) => {
  if (err) throw err;
  console.log(data);
});
Promise
const readFileAsync = (file) => {
  return new Promise((resolve, reject) => {
    fs.readFile(file, 'utf8', (err, data) => {
      if (err) reject(err);
      resolve(data);
    });
  });
};

readFileAsync('file.txt')
  .then(data => console.log(data))
  .catch(err => console.error(err));
async/await
const readFileAsync = async (file) => {
  try {
    const data = await fs.promises.readFile(file, 'utf8');
    console.log(data);
  } catch (err) {
    console.error(err);
  }
};

readFileAsync('file.txt');

これは基本的なNode.js操作の要約版であり、詳細な情報や機能に関しては公式ドキュメントを参照してください。

用語集

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Node.js
JavaScriptランタイム環境で、サーバーサイドのアプリケーション開発に特化したプラットフォーム。
npm (Node Package Manager)
Node.jsのパッケージ管理ツールで、外部ライブラリやツールのインストール、依存関係の管理を行う。
Express.js
Node.js用の軽量かつ柔軟なウェブアプリケーションフレームワーク。
Callback関数
非同期処理において、処理の完了後に呼び出される関数。
Promise
非同期処理をより直感的かつ効果的に扱うためのオブジェクト。
async/await
非同期処理を同期的に書くための構文。Promiseをより扱いやすくする。
WebSocket
リアルタイムな双方向通信を可能にする通信プロトコル。
Expressミドルウェア
Express.jsアプリケーションでリクエストとレスポンスの間に挟む処理。
RESTful API
Representational State Transfer（REST）の原則に基づいたAPIデザイン。
WebAssembly (Wasm)
ブラウザ以外の環境でも実行できるバイナリ形式の仮想マシン。
ECMAScriptモジュール (ESM)
JavaScriptのモジュールシステムの新しい標準仕様。
Deno
Ryan Dahlによって作られた新しいランタイムで、Node.jsの進化版とも言えるもの。
Fastify
高速で軽量なNode.js用ウェブフレームワーク。
CORS (Cross-Origin Resource Sharing)
ウェブアプリケーションにおいて、異なるオリジン間でのリソース共有を制御する仕組み。
CI/CD (Continuous Integration/Continuous Deployment)
継続的なビルド、テスト、デプロイを自動化するプロセス。
ORM (Object-Relational Mapping)
データベースとのやり取りをオブジェクト指向の形で行う仕組み。
JWT (JSON Web Token)
ウェブトークンの一種で、ユーザー認証や情報の安全な伝送に利用される。
GraphQL
クライアントが必要なデータのみを要求できるようにするためのデータクエリ言語。
Serverless
サーバーレスアーキテクチャの一部で、サーバーの管理をクラウドプロバイダに委任する開発手法。
Microservices (マイクロサービス)
アプリケーションを小さな独立したサービスに分割し、それらを組み合わせて機能させるアーキテクチャスタイル。

脚註

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