摘要：三中間件實(shí)現(xiàn)原理首先需要明確是中間件并不是中的概念，它只是和框架衍生的概念。中間件的執(zhí)行流程主要由與函數(shù)決定依次取出中間件終止條件路由匹配規(guī)則函數(shù)中使用閉包函數(shù)來檢測是否與當(dāng)前路由相匹配，匹配則執(zhí)行該上的中間件函數(shù)，否則繼續(xù)檢查下一個。

Koa作為下一代Web開發(fā)框架，不僅讓我們體驗(yàn)到了async/await語法帶來同步方式書寫異步代碼的酸爽，而且本身簡潔的特點(diǎn)，更加利于開發(fā)者結(jié)合業(yè)務(wù)本身進(jìn)行擴(kuò)展。

??本文從以下幾個方面解讀Koa源碼：

封裝創(chuàng)建應(yīng)用程序函數(shù)

擴(kuò)展res和req

中間件實(shí)現(xiàn)原理

異常處理

??利用NodeJS可以很容易編寫一個簡單的應(yīng)用程序：

const http = require("http")

const server = http.createServer((req, res) => {
  // 每一次請求處理的方法
  console.log(req.url)
  res.writeHead(200, { "Content-Type": "text/plain" })
  res.end("Hello NodeJS")
})

server.listen(8080)

注意：當(dāng)瀏覽器發(fā)送請求時，會附帶請求/favicon.ico。

??而Koa在封裝創(chuàng)建應(yīng)用程序的方法中主要執(zhí)行了以下流程：

組織中間件（監(jiān)聽請求之前）

生成context上下文對象

執(zhí)行中間件

執(zhí)行默認(rèn)響應(yīng)方法或者異常處理方法

// application.js
listen(...args) {
  const server = http.createServer(this.callback());
  return server.listen(...args);
}

callback() {
  // 組織中間件
  const fn = compose(this.middleware);

  // 未監(jiān)聽異常處理，則采用默認(rèn)的異常處理方法
  if (!this.listenerCount("error")) this.on("error", this.onerror);

  const handleRequest = (req, res) => {
    // 生成context上下文對象
    const ctx = this.createContext(req, res);
    return this.handleRequest(ctx, fn);
  };

  return handleRequest;
}

handleRequest(ctx, fnMiddleware) {
  const res = ctx.res;
  // 默認(rèn)狀態(tài)碼為404
  res.statusCode = 404;
  // 中間件執(zhí)行完畢之后 采用默認(rèn)的 錯誤 與 成功 的處理方式
  const onerror = err => ctx.onerror(err);
  const handleResponse = () => respond(ctx);
  onFinished(res, onerror);
  return fnMiddleware(ctx).then(handleResponse).catch(onerror);
}

??首先我們要知道NodeJS中的res和req是http.IncomingMessage和http.ServerResponse的實(shí)例，那么就可以在NodeJS中這樣擴(kuò)展req和res:

Object.defineProperties(http.IncomingMessage.prototype, {
  query: {
    get () {
      return querystring.parse(url.parse(this.url).query)
    }
  }
})

Object.defineProperties(http.ServerResponse.prototype, {
  json: {
    value: function (obj) {
      if (typeof obj === "object") {
        obj = JSON.stringify(obj)
      }
      this.end(obj)
    }
  }
})

??而Koa中則是自定義request和response對象，然后保持對res和req的引用，最后通過getter和setter方法實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展。

// application.js
createContext(req, res) {
  const context = Object.create(this.context);
    const request = context.request = Object.create(this.request);
    const response = context.response = Object.create(this.response);
    context.app = request.app = response.app = this;
    context.req = request.req = response.req = req; // 保存原生req對象
    context.res = request.res = response.res = res; // 保存原生res對象
    request.ctx = response.ctx = context;
    request.response = response;
    response.request = request;
    context.originalUrl = request.originalUrl = req.url;
    context.state = {};
    // 最終返回完整的context上下文對象
    return context;
}

??所以在Koa中要區(qū)別這兩組對象:

request、response: Koa擴(kuò)展的對象

res、req: NodeJS原生對象

// request.js
get header() {
  return this.req.headers;
},
set header(val) {
  this.req.headers = val;
},

??此時已經(jīng)可以采用這樣的方式訪問header屬性：

  ctx.request.header

??但是為了方便開發(fā)者調(diào)用這些屬性和方法，Koa將response和request中的屬性和方法代理到context上。

??通過Object.defineProperty可以輕松的實(shí)現(xiàn)屬性的代理：

function access (proto, target, name) {
  Object.defineProperty(proto, name, {
    get () {
      return target[name]
    },
    set (value) {
      target[name] = value
    }
  })
}

access(context, request, "header")

??而對于方法的代理，則需要注意this的指向：

function method (proto, target, name) {
  proto[name] = function () {
    return target[name].apply(target, arguments)
  }
}

??上述就是屬性代理和方法代理的核心代碼，這基本算是一個常用的套路。

??代理這部分詳細(xì)的源碼，可以查看node-delegates, 不過這個包時間久遠(yuǎn)，有一些老方法已經(jīng)廢除。

?? 在上述過程的源碼中涉及到很多JavaScript的基礎(chǔ)知識，例如：原型繼承、this的指向。對于基礎(chǔ)薄弱的同學(xué)，還需要先弄懂這些基礎(chǔ)知識。

?? 首先需要明確是：中間件并不是NodeJS中的概念，它只是connect、express和koa框架衍生的概念。

1、connect中間件的設(shè)計

??在connect中，開發(fā)者可以通過use方法注冊中間件：

 function use(route, fn) {
  var handle = fn;
  var path = route;

  // 不傳入route則默認(rèn)為"/"，這種基本是框架處理參數(shù)的一種套路
  if (typeof route !== "string") {
    handle = route;
    path = "/";
  }

  ...
  // 存儲中間件
  this.stack.push({ route: path, handle: handle });
  
  // 以便鏈?zhǔn)秸{(diào)用
  return this;
}

??use方法內(nèi)部獲取到中間件的路由信息（默認(rèn)為"/"）和中間件的處理函數(shù)之后，構(gòu)建成layer對象，然后將其存儲在一個隊(duì)列當(dāng)中，也就是上述代碼中的stack。

??connect中間件的執(zhí)行流程主要由handle與call函數(shù)決定：

function handle(req, res, out) {
  var index = 0;
  var stack = this.stack;
  ...
  function next(err) {
    ...
    // 依次取出中間件
    var layer = stack[index++]

    // 終止條件
    if (!layer) {
      defer(done, err);
      return;
    }

    var path = parseUrl(req).pathname || "/";
    var route = layer.route;

    // 路由匹配規(guī)則
    if (path.toLowerCase().substr(0, route.length) !== route.toLowerCase()) {
      return next(err);
    }
    ...
    call(layer.handle, route, err, req, res, next);
  }

  next();
}

??handle函數(shù)中使用閉包函數(shù)next來檢測layer是否與當(dāng)前路由相匹配，匹配則執(zhí)行該layer上的中間件函數(shù)，否則繼續(xù)檢查下一個layer。

??這里需要注意next中檢查路由的方式可能與想象中的不太一樣，所以默認(rèn)路由為"/"的中間件會在每一次請求處理中都執(zhí)行。

function call(handle, route, err, req, res, next) {
  var arity = handle.length;
  var error = err;
  var hasError = Boolean(err);

  try {
    if (hasError && arity === 4) {
      // 錯誤處理中間件
      handle(err, req, res, next);
      return;
    } else if (!hasError && arity < 4) {
      // 請求處理中間件
      handle(req, res, next);
      return;
    }
  } catch (e) {
    // 記錄錯誤
    error = e;
  }

  // 將錯誤傳遞下去
  next(error);
}

??在通過call方法執(zhí)行中間件方法的時候，采用try/catch捕獲錯誤，這里有一個特別需要注意的地方是，call內(nèi)部會根據(jù)是否存在錯誤以及中間件函數(shù)的參數(shù)決定是否執(zhí)行錯誤處理中間件。并且一旦捕獲到錯誤，next方法會將錯誤傳遞下去，所以接下來普通的請求處理中間件即使通過了next中的路由匹配，仍然會被call方法給過濾掉。

??下面是layer的處理流程圖:

??上述就是connect中間件設(shè)計的核心要點(diǎn)，總結(jié)起來有如下幾點(diǎn)：

通過use方法注冊中間件；

中間件的順序執(zhí)行是通過next方法銜接的并且需要手動調(diào)用，在next中會進(jìn)行路由匹配，從而過濾掉部分中間件；

當(dāng)中間件的執(zhí)行過程中發(fā)生異常，則next會攜帶異常過濾掉非錯誤處理中間件，也是為什么錯誤中間件會比其他中間件多一個error參數(shù)；

在請求處理的周期中，需要手動調(diào)用res.end()來結(jié)束響應(yīng)；

2、Koa中間件的設(shè)計

??Koa中間件與connect中間件的設(shè)計有很大的差異：

Koa中間件的執(zhí)行并不需要匹配路由，所以注冊的中間件每一次請求都會執(zhí)行。（當(dāng)然還是需要手動調(diào)用next）；

Koa中通過繼承event，暴露error事件讓開發(fā)者自定義異常處理；

Koa中res.end由中間件執(zhí)行完成之后自動調(diào)用，這樣避免在connect忘記調(diào)用res.end導(dǎo)致用戶得不到任何反饋。

Koa中采用了async/await語法讓開發(fā)者利用同步的方式編寫異步代碼。

??當(dāng)然，Koa中也是采用use方法注冊中間件，相比較connect省去路由匹配的處理，就顯得很簡潔：

use(fn) {
  this.middleware.push(fn);
  return this;
}

??并且use支持鏈?zhǔn)秸{(diào)用。

??Koa中間件的執(zhí)行流程主要通過koa-compose中的compose函數(shù)完成：

function compose (middleware) {
  if (!Array.isArray(middleware)) throw new TypeError("Middleware stack must be an array!")
  for (const fn of middleware) {
    if (typeof fn !== "function") throw new TypeError("Middleware must be composed of functions!")
  }

  /**
   * @param {Object} context
   * @return {Promise}
   * @api public
   */

  return function (context, next) {
    let index = -1
    return dispatch(0)
    function dispatch (i) {
      if (i <= index) return Promise.reject(new Error("next() called multiple times"))
      index = i
      let fn = middleware[i]
      if (i === middleware.length) fn = next
      if (!fn) return Promise.resolve()
      try {
        // 遞歸調(diào)用下一個中間件
        return Promise.resolve(fn(context, dispatch.bind(null, i + 1))); 
      } catch (err) {
        return Promise.reject(err)
      }
    }
  }
}

??看到這里本質(zhì)上connect與koa實(shí)現(xiàn)中間件的思想都是遞歸，不難看出koa相比較connect實(shí)現(xiàn)得更加簡潔，主要原因在于：

connect中提供路由匹配的功能，而Koa中則是相當(dāng)于connect中默認(rèn)的"/"路徑。

connect在捕獲中間件的異常時，通過next攜帶error一個個中間件驗(yàn)證，直到錯誤處理中間件，而Koa中則是用Promise包裝中間件，一旦中間件發(fā)生異常，那么會直接觸發(fā)reject狀態(tài)，直接在Promise的catch中處理就行。

??上述就是connect中間件與Koa中間件的實(shí)現(xiàn)原理，現(xiàn)在在再看Koa中間件的這張執(zhí)行流程圖，應(yīng)該沒有什么疑問了吧？!

??對于同步代碼，通過try/catch可以輕松的捕獲異常，在connect中間件的異常捕獲則是通過try/catch完成。

??對于異步代碼，try/catch則無法捕獲，這時候一般可以構(gòu)造Promise鏈，在最后的catch方法中捕獲錯誤，Koa就是這樣處理，并且在catch方法中發(fā)送error事件，以便開發(fā)者自定義異常處理邏輯。

  this.app.emit("error", err, this);

??前面也談到Koa利用async/await語法帶來同步方式書寫異步代碼的酸爽，另外也讓錯誤處理更加自然：

// 也可以這樣自定義錯誤處理
app.use(async (ctx, next) => {
  try {
    await next();
  } catch (err) {
    ctx.status = err.status || 500
    ctx.body = err
  }
})

??相信看到這里，再回憶一下之前遇到的那些問題，你應(yīng)該會有新的理解，并且再次使用Koa時會更加得心應(yīng)手，這也是分析Koa源碼的目的之一。