Express 原理 - 手把手写一个

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Ayden
    阅读 8 分钟
    4

    序：

    因为公司 Node 方面业务都是基于一个小型框架写的，这个框架是公司之前的一位同事根据 Express 的中间件思想写的一个小型 Socket 框架，阅读其源码之后，对 Express 的中间件思想有了更深入的了解，接下来就手写一个 Express 框架 ，以作为学习的产出 。

    在阅读了同事的代码与 Express 源码之后，发现其实 Express 的核心就是中间件的思想，其次是封装了更丰富的 API 供我们使用，废话不多说，让我们来一步一步实现一个可用的 Express。

    本文的目的在于验证学习的收获，大概细致划分如下：

    • 服务器监听的原理
    • 路由的解析与匹配
    • 中间件的定义与使用
    • 核心 next() 方法
    • 错误处理中间件定义与使用
    • 内置 API 的封装

    正文：

    在手写框架之前，我们有必要去回顾一下 Express 的简单使用，从而对照它给我们提供的 API 去实现其相应的功能：

    新建一个 app.js 文件，添加如下代码：

    // app.js

let express = require('express');

let app = express();

app.listen(3000, function () {
  console.log('listen 3000 port ...')
})

    现在，在命令行中执行：

    node app.js

    clipboard.png

    可以看到，程序已经在我们的后台跑起来了。

    当我们为其添加一个路由：

    let express = require('Express');

let app = express();

app.get('/hello', function (req, res) {
  res.setHeader('Content-Type', 'text/html; charset=utf-8')

  res.end('我是新添加的路由，只有 get 方法才可以访问到我 ~')
})

app.listen(3000, function () {
  console.log('listen 3000 port ...')
})

    再次重启：在命令行中执行启动命令：（每次修改代码都需要重新执行脚本）并访问浏览器本地 3000 端口：

    clipboard.png

    这里的乱码是因为：服务器不知道你要怎样去解析输出，所以我们需要指定响应头：

    let express = require('Express');

let app = express();

app.get('/hello', function (req, res) {
  res.setHeader('Content-Type', 'text/html; charset=utf-8') // 指定 utf-8 
  res.end('我是新添加的路由，只有 get 方法才可以访问到我 ~')
})
app.post('/hi', function (req, res) {
  res.end('我是新添加的路由，只有 post 方法才可以访问到我 ~')
})

app.listen(3000, function () {
  console.log('listen 3000 port ...')
})

    clipboard.png

    我们先来实现上面的功能：

    1. 服务器监听的原理

    新建一个 MyExpress.js，定义一个入口函数：

    let http = require('http');

function createApplication () {
  // 定义入口函数，初始化操作
  let app = function (req, res) {

  }
  // 定义监听方法
  app.listen = function () {
    // 通过 http 模块创建一个服务器实例，该实例的参数是一个函数，该函数有两个参数，分别是 req 请求对象和 res 响应对象
    let server = http.createServer(app); 
    // 将参数列表传入，为实例监听配置项
    server.listen(...arguments); 
  }
  // 返回该函数
  return app
}

module.exports = createApplication;

    现在，我们代码中的 app.listen() 其实就已经实现了，可以将引入的 express
    替换为我们写的 MyExpress 做验证：

    let express = require('Express');
// 替换为
let express = require('./MyExpress');

    2. 路由的解析与匹配：

    接下来，

    我们先看看 routes 中的原理图

    clipboard.png

    根据上图，路由数组中存在多个 layer 层，每个 layer 中包含了三个属性， method、path、handler 分别对应请求的方式、请求的路径、执行的回调函数，代码如下：

    
const http = require('http')

function createApp () {
  let app = function (req, res) {

  };

  app.routes = []; // 定义路由数组

  let methods = http.METHODS; // 获取所有请求方法，比如常见的 GET/POST/DELETE/PUT ...
  methods.forEach(method => {
    method = method.toLocaleLowerCase() // 小写转换
    app[method] = function (path, handler) {
      let layer = {
        method,
        path,
        handler,
      }
      // 将每一个请求保存到路由数组中
      app.routes.push(layer)
    }
  })

  // 定义监听的方法
  app.listen = function () {
    let server = http.createServer(app);
    server.listen(...arguments)
  }

  return app;
}

module.exports = createApp

    到这里，仔细思考下，当脚本启动时，我们把所有的路由都保存到了 routes，打印 routes ，可以看到：

    clipboard.png

    是不是和我们上面图中的一模一样 ~

    此时，我们访问对应的路径，发现浏览器一直转圈圈，这是因为我们只是完成了存的操作，把所有的 layer 层存到了 routes 中。

    那么我们该如何才可以做的当访问的时候，调用对应的 handle 函数呢？

    思路：当我们访问路径时，也就是获取到请求对象 req 时，我们需要遍历所存入的 layer 与访问的 method 、path 进行匹配，匹配成功，则执行对应的 handler 函数

    代码如下：

    const url = require('url')
......
let app = function (req, res) {
  let reqMethod = req.method.toLocaleLowerCase() // 获取请求方法
  let pathName = url.parse(req.url, true).pathname // 获取请求路径
  console.log(app.routes);
  app.routes.forEach(layer => {
    let { method, path, handler } = layer;
    if (method === reqMethod && path === pathName) {
      handler(req, res)
    }
  });
};
......

    至此，路由的定义与解析也基本完成。

    3. 中间件的定义与使用

    接下来，就是重点了，中间件思想。

    中间件的定义其实与路由的定义差不多，也是存在 routes 中，但是，必须放到所有路由的 layer 之前，原理如下图：

    clipboard.png

    其中，middle1、middle2、middle3 都是中间件，middle3 放在最后面，一般作为错误处理中间件，并且，每次访问服务器的时候，所有的请求先要经过 middle1、middle2 做处理。

    在中间件中，有一个 next 方法，其实 next 方法就是使 layer 的 index 标志向后移一位，并进行匹配，匹配成功执行回调，匹配失败则继续向后匹配，有点像 回调队列。

    核心 next() 方法

    接下来我们实现一个 next 方法：

    因为只有中间件的回调中才具有 next 方法，但是我们的中间件和路由的 layer 层都是存在 routes 中的，所以首先要判断 layer 中的 method 是否为 middle 初次之外，还要判断，中间件的路由是否相匹配，因为有些中间件是针对某个路由的。

    let reqMethod = req.method.toLocaleLowerCase()
let pathName = url.parse(req.url, true).pathname
let index = 0;
function next () {
  // 中间件处理
  if (method === 'middle') {
    // 检测 path 是否匹配
    if (path === '/' || pathName === path || pathName.startsWith(path + '/')) {
      handler(req, res, next) // 执行中间件回调
    } else {
      next()
    }
    // 路由处理
  } else {
    // 检测 method 与 path 是否匹配
    if (method === reqMethod && path === pathName) {
      handler(req, res) // 执行路由回调
    } else {
      next()
    }
  }
}

next() // 这里必须要调用一次 next ，意义在于初始化的时候，取到第一个 layer，

    如果遍历完 routes，都没有匹配的 layer，该怎么办呢？所以要在 next 方法最先判断是否边已经遍历完：

    function next () {
  // 判断是否遍历完
  if (app.routes.length === index) {
    return res.end(`Cannot ${reqMethod} ${pathName}`)
  }
  let { method, path, handler } = app.routes[index++];
  // 中间件处理
  if (method === 'middle') {
    if (path === '/' || pathName === path || pathName.startsWith(path + '/')) {
      handler(req, res, next)
    } else {
      next()
    }
  } else {
    // 路由处理
    if (method === reqMethod && path === pathName) {
      handler(req, res)
    } else {
      next()
    }
  }
}
next()

    这样，一个 next 方法功能基本完成了。

    4. 错误处理中间件定义与使用

    如上面图中所示，错误处理中间件放在最后，就像一个流水线工厂，错误处理就是最后一道工序，但并不是所有的产品都需要跑最后一道工序，就像：只有不合格的产品，才会进入最后一道工序，并被贴上不合格的标签，以及不合格的原因。

    我们先看看 Express 中的错误是怎么被处理的：

    // 中间件1
app.use(function (req, res, next) {
  res.setHeader('Content-Type', 'text/html; charset=utf-8')
  console.log('middle1')
  next('这是错误')
})
// 中间件2
app.use(function (req, res, next) {
  console.log('middle2')
  next()
})
// 中间件3（错误处理）
app.use(function (err, req, res, next) {
  if (err) {
    res.end(err)
  }
  next()
})

    如上图所示：有三个中间件，当 next 方法中抛出错误时，会把错误当做参数传入 next 方法，然后，next 指向的下一个方法就是错误处理的回调函数，也就是说：next 方法中的参被当做了错误处理中间件的 handler 函数的参数传入。代码如下：

    function next (err) {
  // 判断是否遍历完成
  if (app.routes.length === index) {
    return res.end(`Cannot ${reqMethod} ${pathName}`)
  }
  let { method, path, handler } = app.routes[index++];
  if (err) {
    console.log(handler.length)
    // 判断是否有 4 个参数：因为错误中间件与普通中间件最直观的区别就是参数数量不同
    if (handler.length === 4) {
      // 错误处理回调
      handler(err, req, res, next)
    } else {
      // 一直向下传递
      next(err)
    }
  } else {
      // 中间件处理
      if (method === 'middle') {
        if (path === '/' || pathName === path || pathName.startsWith(path + '/')) {
          handler(req, res, next)
        } else {
          next()
        }
      } else {
        // 路由处理
        if (method === reqMethod && path === pathName) {
          handler(req, res)
        } else {
          next()
        }
      }
  }
}

    麻雀虽小五脏俱全，至此，一个简单的 Express 就完成了。你可以根据自己的兴趣来封装自己的 API 了 ...

    总结：

    1. 中间件的核心是 next 方法。
    2. next 方法只负责维护 routes 数组和取出 layer，根据条件去决定是否执行回调。

    附完整代码：

    const http = require('http')
const url = require('url')


function createApp () {

  let app = function (req, res) {

    let reqMethod = req.method.toLocaleLowerCase()
    let pathName = url.parse(req.url, true).pathname
    let index = 0;
    
    function next (err) {

      if (app.routes.length === index) {
        return res.end(`Cannot ${reqMethod} ${pathName}`)
      }

      let { method, path, handler } = app.routes[index++];
      if (err) {
        console.log(handler.length)
        if (handler.length === 4) {
          console.log(1)
          handler(err, req, res, next)
        } else {
          next(err)
        }
      } else {
          if (method === 'middle') {
            if (path === '/' || pathName === path || pathName.startsWith(path + '/')) {
              handler(req, res, next)
            } else {
              next()
            }
          } else {
            if (method === reqMethod && path === pathName) {
              handler(req, res)
            } else {
              next()
            }
          }
      }
    }

    next()

  };

  let methods = http.METHODS;
  app.routes = [];
  methods.forEach(method => {
    method = method.toLocaleLowerCase()
    app[method] = function (path, handler) {
      let layer = {
        method,
        path,
        handler,
      }
      app.routes.push(layer)
    }
  })

  app.use = function (path, handler) {
    if (typeof path === 'function') {
      handler = path;
      path = '/';
    }
    let layer = {
      method: 'middle',
      handler,
      path
    }
    app.routes.push(layer)
  }

  app.listen = function () {
    let server = http.createServer(app);
    server.listen(...arguments)
  }

  return app;

}

module.exports = createApp
    expressnode.jsjavascript
    Ayden
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    I'd rather be undefined than null.

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