前端Node.js面试题

一、Node基础概念

1.1 Node是什么

Node.js 是一个开源与跨平台的 JavaScript 运行时环境。在浏览器外运行 V8 JavaScript 引擎（Google Chrome 的内核），利用事件驱动、非阻塞和异步输入输出模型等技术提高性能。我们可以理解为：Node.js 就是一个服务器端的、非阻塞式I/O的、事件驱动的JavaScript运行环境。

理解Node，有几个基础的概念：非阻塞异步和事件驱动。

• 非阻塞异步： Nodejs采用了非阻塞型I/O机制，在做I/O操作的时候不会造成任何的阻塞，当完成之后，以时间的形式通知执行操作。例如，在执行了访问数据库的代码之后，将立即转而执行其后面的代码，把数据库返回结果的处理代码放在回调函数中，从而提高了程序的执行效率。
• 事件驱动： 事件驱动就是当进来一个新的请求的时，请求将会被压入一个事件队列中，然后通过一个循环来检测队列中的事件状态变化，如果检测到有状态变化的事件，那么就执行该事件对应的处理代码，一般都是回调函数。比如，读取一个文件，文件读取完毕后，就会触发对应的状态，然后通过对应的回调函数来进行处理。

1.2 Node的应用场景及存在的缺点

1.2.1 优缺点

Node.js适合用于I/O密集型应用，值的是应用在运行极限时，CPU占用率仍然比较低，大部分时间是在做 I/O硬盘内存读写操作。缺点如下：

• 不适合CPU密集型应用
• 只支持单核CPU，不能充分利用CPU
• 可靠性低，一旦代码某个环节崩溃，整个系统都崩溃

对于第三点，常用的解决方案是，使用Nnigx反向代理，开多个进程绑定多个端口，或者开多个进程监听同一个端口。

1.2.1 应用场景

在熟悉了Nodejs的优点和弊端后，我们可以看到它适合以下的应用场景：

• 善于I/O，不善于计算。因为Nodejs是一个单线程，如果计算（同步）太多，则会阻塞这个线程。
• 大量并发的I/O，应用程序内部并不需要进行非常复杂的处理。
• 与 WeSocket 配合，开发长连接的实时交互应用程序。

具体的使用场景如下：

1. 用户表单收集系统、后台管理系统、实时交互系统、考试系统、联网软件、高并发量的web应用程序。
2. 基于web、canvas等多人联网游戏。
3. 基于web的多人实时聊天客户端、聊天室、图文直播。
4. 单页面浏览器应用程序。
5. 操作数据库、为前端和移动端提供基于json的API。

二、Node全部对象

在浏览器 JavaScript 中，window 是全局对象， 而 Nodejs 中的全局对象则是 global。

在NodeJS里，是不可能在最外层定义一个变量，因为所有的用户代码都是当前模块的，只在当前模块里可用，但可以通过exports对象的使用将其传递给模块外部。所以，在NodeJS中，用var声明的变量并不属于全局的变量，只在当前模块生效。像上述的global全局对象则在全局作用域中，任何全局变量、函数、对象都是该对象的一个属性值。

2.1 常见全局对象

Node常见的全局对象有如下一些：

• Class:Buffer
• process
• console
• clearInterval、setInterval
• clearTimeout、setTimeout
• global

Class:Buffer
Class:Buffer可以用来处理二进制以及非Unicode编码的数据，在Buffer类实例化中存储了原始数据。Buffer类似于一个整数数组，在V8堆原始存储空间给它分配了内存，一旦创建了Buffer实例，则无法改变大小。

process
process表示进程对象，提供有关当前过程的信息和控制。包括在执行node程序的过程中，如果需要传递参数，我们想要获取这个参数需要在process内置对象中。比如，我们有如下一个文件：

process.argv.forEach((val, index) => {
   console.log(`${index}: ${val}`);
});

当我们需要启动一个进程时，可以使用下面的命令：

 node index.js 参数...

console
console主要用来打印stdout和stderr，最常用的比如日志输出：console.log。清空控制台的命令为：console.clear。如果需要打印函数的调用栈，可以使用命令console.trace。

clearInterval、setInterval
setInterval用于设置定时器，语法格式如下：

setInterval(callback, delay[, ...args])

clearInterval则用于清除定时器，callback每delay毫秒重复执行一次。

clearTimeout、setTimeout

和setInterval一样，setTimeout主要用于设置延时器，而clearTimeout则用于清除设置的延时器。

global
global是一个全局命名空间对象，前面讲到的process、console、setTimeout等可以放到global中，例如：

console.log(process === global.process)     //输出true

2.2 模块中的全局对象

除了系统提供的全局对象外，还有一些只是在模块中出现，看起来像全局变量，如下所示：

• __dirname
• __filename
• exports
• module
• require

__dirname
__dirname主要用于获取当前文件所在的路径，不包括后面的文件名。比如，在/Users/mjr 中运行 node example.js，打印结果如下：

console.log(__dirname);         // 打印: /Users/mjr

__filename
__filename用于获取当前文件所在的路径和文件名称，包括后面的文件名称。比如，在/Users/mjr 中运行 node example.js，打印的结果如下：

console.log(__filename);// 打印: /Users/mjr/example.js

exports
module.exports 用于导出一个指定模块所的内容，然后也可以使用require() 访问里面的内容。

exports.name = name;exports.age = age;
exports.sayHello = sayHello;

require
require主要用于引入模块、 JSON、或本地文件， 可以从 node_modules 引入模块。可以使用相对路径引入本地模块或JSON文件，路径会根据__dirname定义的目录名或当前工作目录进行处理。

三、谈谈对process的理解

3.1 基本概念

我们知道，进程计算机系统进行资源分配和调度的基本单位，是操作系统结构的基础，是线程的容器。当我们启动一个js文件，实际就是开启了一个服务进程，每个进程都拥有自己的独立空间地址、数据栈，像另一个进程无法访问当前进程的变量、数据结构，只有数据通信后，进程之间才可以数据共享。

process 对象是Node的一个全局变量，提供了有关当前 Node.js 进程的信息并对其进行控制。
由于JavaScript是一个单线程语言，所以通过node xxx启动一个文件后，只有一条主线程。

3.2 常用属性和方法

process的常见属性如下：

• process.env：环境变量，例如通过 `process.env.NODE_ENV 获取不同环境项目配置信息
• process.nextTick：这个在谈及 EventLoop 时经常为会提到
• process.pid：获取当前进程id
• process.ppid：当前进程对应的父进程
• process.cwd()：获取当前进程工作目录
• process.platform：获取当前进程运行的操作系统平台
• process.uptime()：当前进程已运行时间，例如：pm2 守护进程的 uptime 值
  进程事件： process.on(‘uncaughtException’,cb) 捕获异常信息、 process.on(‘exit’,cb）进程推出监听
• 三个标准流： process.stdout 标准输出、 process.stdin 标准输入、 process.stderr 标准错误输出
• process.title：用于指定进程名称，有的时候需要给进程指定一个名称

四、谈谈你对fs模块的理解

4.1 fs是什么

fs（filesystem）是文件系统模块，该模块提供本地文件的读写能力，基本上是POSIX文件操作命令的简单包装。可以说，所有与文件的操作都是通过fs核心模块来实现的。

使用之前，需要先导入fs模块，如下：

const fs = require('fs');

4.2 文件基础知识

在计算机中，有关于文件的基础知识有如下一些：

• 权限位 mode
• 标识位 flag
• 文件描述为 fd

4.2.1 权限位 mode

针对文件所有者、文件所属组、其他用户进行权限分配，其中类型又分成读、写和执行，具备权限位4、2、1，不具备权限为0。如在linux查看文件权限位的命令如下：

drwxr-xr-x 1 PandaShen 197121 0 Jun 28 14:41 core
-rw-r--r-- 1 PandaShen 197121 293 Jun 23 17:44 index.md

在开头前十位中，d为文件夹，-为文件，后九位就代表当前用户、用户所属组和其他用户的权限位，按每三位划分，分别代表读（r）、写（w）和执行（x），- 代表没有当前位对应的权限。

4.2.2 标识位

标识位代表着对文件的操作方式，如可读、可写、即可读又可写等等，如下表所示：

4.2.3 文件描述 fd

操作系统会为每个打开的文件分配一个名为文件描述符的数值标识，文件操作使用这些文件描述符来识别与追踪每个特定的文件。

Window 系统使用了一个不同但概念类似的机制来追踪资源，为方便用户，NodeJS 抽象了不同操作系统间的差异，为所有打开的文件分配了数值的文件描述符。

在 NodeJS 中，每操作一个文件，文件描述符是递增的，文件描述符一般从 3 开始，因为前面有 0、1、2三个比较特殊的描述符，分别代表 process.stdin（标准输入）、process.stdout（标准输出）和 process.stderr（错误输出）。

4.3 常用方法

由于fs模块主要是操作文件的，所以常见的文件操作方法有如下一些：

• 文件读取
• 文件写入
• 文件追加写入
• 文件拷贝
• 创建目录

4.3.1 文件读取

常用的文件读取有readFileSync和readFile两个方法。其中，readFileSync表示同步读取，如下：

const fs = require("fs");

let buf = fs.readFileSync("1.txt");
let data = fs.readFileSync("1.txt", "utf8");

console.log(buf); // <Buffer 48 65 6c 6c 6f>
console.log(data); // Hello

• 第一个参数为读取文件的路径或文件描述符。
• 第二个参数为 options，默认值为 null，其中有 encoding（编码，默认为 null）和 flag（标识位，默认为 r），也可直接传入 encoding。

readFile为异步读取方法， readFile 与 readFileSync 的前两个参数相同，最后一个参数为回调函数，函数内有两个参数 err（错误）和 data（数据），该方法没有返回值，回调函数在读取文件成功后执行。

const fs = require("fs");

fs.readFile("1.txt", "utf8", (err, data) => {
   if(!err){
       console.log(data);         // Hello
   }
});

4.3.2 文件写入

文件写入需要用到writeFileSync和writeFile两个方法。writeFileSync表示同步写入，如下所示。

const fs = require("fs");

fs.writeFileSync("2.txt", "Hello world");
let data = fs.readFileSync("2.txt", "utf8");

console.log(data); // Hello world

• 第一个参数为写入文件的路径或文件描述符。
• 第二个参数为写入的数据，类型为 String 或 Buffer。
• 第三个参数为 options，默认值为 null，其中有 encoding（编码，默认为 utf8）、 flag（标识位，默认为 w）和 mode（权限位，默认为 0o666），也可直接传入 encoding。

writeFile表示异步写入，writeFile 与 writeFileSync 的前三个参数相同，最后一个参数为回调函数，函数内有一个参数 err（错误），回调函数在文件写入数据成功后执行。

const fs = require("fs");

fs.writeFile("2.txt", "Hello world", err => {
    if (!err) {
        fs.readFile("2.txt", "utf8", (err, data) => {
            console.log(data);       // Hello world
        });
    }
});

4.3.3 文件追加写入

文件追加写入需要用到appendFileSync和appendFile两个方法。appendFileSync表示同步写入，如下。

const fs = require("fs");

fs.appendFileSync("3.txt", " world");
let data = fs.readFileSync("3.txt", "utf8");

• 第一个参数为写入文件的路径或文件描述符。
• 第二个参数为写入的数据，类型为 String 或 Buffer。
• 第三个参数为 options，默认值为 null，其中有 encoding（编码，默认为 utf8）、 flag（标识位，默认为 a）和 mode（权限位，默认为 0o666），也可直接传入 encoding。

appendFile表示异步追加写入，方法 appendFile 与 appendFileSync 的前三个参数相同，最后一个参数为回调函数，函数内有一个参数 err（错误），回调函数在文件追加写入数据成功后执行，如下所示。

const fs = require("fs");

fs.appendFile("3.txt", " world", err => {
    if (!err) {
        fs.readFile("3.txt", "utf8", (err, data) => {
            console.log(data); // Hello world
        });
    }
});

4.3.4 创建目录

创建目录主要有mkdirSync和mkdir两个方法。其中，mkdirSync为同步创建，参数为一个目录的路径，没有返回值，在创建目录的过程中，必须保证传入的路径前面的文件目录都存在，否则会抛出异常。

// 假设已经有了 a 文件夹和 a 下的 b 文件夹
fs.mkdirSync("a/b/c")

mkdir为异步创建，第二个参数为回调函数，如下所示。

fs.mkdir("a/b/c", err => {
    if (!err) console.log("创建成功");
});

五、谈谈你对Stream 的理解

5.1 基本概念

流（Stream）是一种数据传输的手段，是一种端到端信息交换的方式，而且是有顺序的，是逐块读取数据、处理内容，用于顺序读取输入或写入输出。在Node中，Stream分成三部分：source、dest、pipe。

其中，在source和dest之间有一个连接的管道pipe，它的基本语法是source.pipe(dest)，source和dest就是通过pipe连接，让数据从source流向dest，如下图所示：

5.2 流的分类

在Node，流可以分成四个种类：

• 可写流：可写入数据的流，例如 fs.createWriteStream() 可以使用流将数据写入文件。
• 可读流： 可读取数据的流，例如fs.createReadStream() 可以从文件读取内容。
• 双工流： 既可读又可写的流，例如 net.Socket。
• 转换流： 可以在数据写入和读取时修改或转换数据的流。例如，在文件压缩操作中，可以向文件写入压缩数据，并从文件中读取解压数据。

在Node的HTTP服务器模块中，request 是可读流，response 是可写流。对于fs 模块来说，能同时处理可读和可写文件流可读流和可写流都是单向的，比较容易理解。而Socket是双向的，可读可写。

5.2.1 双工流

在Node中，比较的常见的全双工通信就是websocket，因为发送方和接受方都是各自独立的方法，发送和接收都没有任何关系。

基本的使用方法如下：

const { Duplex } = require('stream');

const myDuplex = new Duplex({
  read(size) {
    // ...
  },
  write(chunk, encoding, callback) {
    // ...
  }
});

5.3 使用场景

流的常见使用场景有：

• get请求返回文件给客户端
• 文件操作
• 一些打包工具的底层操作

5.3.1 网络请求

流一个常见的使用场景就是网络请求，比如使用stream流返回文件，res也是一个stream对象，通过pipe管道将文件数据返回。

const server = http.createServer(function (req, res) {
    const method = req.method;  
    // get 请求
    if (method === 'GET') { 
        const fileName = path.resolve(__dirname, 'data.txt');
        let stream = fs.createReadStream(fileName);
        stream.pipe(res);   
    }
});
server.listen(8080);

5.3.2 文件操作

文件的读取也是流操作，创建一个可读数据流readStream，一个可写数据流writeStream，通过pipe管道把数据流转过去。

const fs = require('fs')
const path = require('path')

// 两个文件名
const fileName1 = path.resolve(__dirname, 'data.txt')
const fileName2 = path.resolve(__dirname, 'data-bak.txt')
// 读取文件的 stream 对象
const readStream = fs.createReadStream(fileName1)
// 写入文件的 stream 对象
const writeStream = fs.createWriteStream(fileName2)
// 通过 pipe执行拷贝，数据流转
readStream.pipe(writeStream)
// 数据读取完成监听，即拷贝完成
readStream.on('end', function () {
    console.log('拷贝完成')
})

另外，一些打包工具，Webpack和Vite等都涉及很多流的操作。

六、事件循环机制

6.1 什么是浏览器事件循环

Node.js 在主线程里维护了一个事件队列，当接到请求后，就将该请求作为一个事件放入这个队列中，然后继续接收其他请求。当主线程空闲时(没有请求接入时)，就开始循环事件队列，检查队列中是否有要处理的事件，这时要分两种情况：如果是非 I/O 任务，就亲自处理，并通过回调函数返回到上层调用；如果是 I/O 任务，就从 线程池 中拿出一个线程来处理这个事件，并指定回调函数，然后继续循环队列中的其他事件。

当线程中的 I/O 任务完成以后，就执行指定的回调函数，并把这个完成的事件放到事件队列的尾部，等待事件循环，当主线程再次循环到该事件时，就直接处理并返回给上层调用。 这个过程就叫 事件循环 (Event Loop)，其运行原理如下图所示。

从左到右，从上到下，Node.js 被分为了四层，分别是 应用层、V8引擎层、Node API层 和 LIBUV层。

• 应用层： 即 JavaScript 交互层，常见的就是 Node.js 的模块，比如 http，fs
• V8引擎层： 即利用 V8 引擎来解析JavaScript 语法，进而和下层 API 交互
• Node API层： 为上层模块提供系统调用，一般是由 C 语言来实现，和操作系统进行交互 。
• LIBUV层： 是跨平台的底层封装，实现了 事件循环、文件操作等，是 Node.js 实现异步的核心 。

在Node中，我们所说的事件循环是基于libuv实现的，libuv是一个多平台的专注于异步IO的库。上图的EVENT_QUEUE 给人看起来只有一个队列，但事实上EventLoop存在6个阶段，每个阶段都有对应的一个先进先出的回调队列。

6.2 事件循环的六个阶段

事件循环一共可以分成了六个阶段，如下图所示。

• timers阶段：此阶段主要执行timer（setTimeout、setInterval）的回调。
• I/O事件回调阶段(I/O callbacks)：执行延迟到下一个循环迭代的 I/O 回调，即上一轮循环中未被执行的一些I/O回调。
• 闲置阶段(idle、prepare)：仅系统内部使用。
• 轮询阶段(poll)：检索新的 I/O 事件;执行与 I/O 相关的回调（几乎所有情况下，除了关闭的回调函数，那些由计时器和 setImmediate() 调度的之外），其余情况 node 将在适当的时候在此阻塞。
• 检查阶段(check)：setImmediate() 回调函数在这里执行
• 关闭事件回调阶段(close callback)：一些关闭的回调函数，如：socket.on('close', ...)

每个阶段对应一个队列，当事件循环进入某个阶段时, 将会在该阶段内执行回调，直到队列耗尽或者回调的最大数量已执行, 那么将进入下一个处理阶段，如下图所示。

七、EventEmitter

7.1 基本概念

前文说过，Node采用了事件驱动机制，而EventEmitter 就是Node实现事件驱动的基础。在EventEmitter的基础上，Node 几乎所有的模块都继承了这个类，这些模块拥有了自己的事件，可以绑定、触发监听器，实现了异步操作。

Node.js 里面的许多对象都会分发事件，比如 fs.readStream 对象会在文件被打开的时候触发一个事件，这些产生事件的对象都是 events.EventEmitter 的实例，用于将一个或多个函数绑定到命名事件上。

7.2 基本使用

Node的events模块只提供了一个EventEmitter类，这个类实现了Node异步事件驱动架构的基本模式：观察者模式。

在这种模式中，被观察者(主体)维护着一组其他对象派来(注册)的观察者，有新的对象对主体感兴趣就注册观察者，不感兴趣就取消订阅，主体有更新会依次通知观察者，使用方式如下。

const EventEmitter = require('events')

class MyEmitter extends EventEmitter {}
const myEmitter = new MyEmitter()

function callback() {
    console.log('触发了event事件！')
}
myEmitter.on('event', callback)
myEmitter.emit('event')
myEmitter.removeListener('event', callback);

在上面的代码中，我们通过实例对象的on方法注册一个名为event的事件，通过emit方法触发该事件，而removeListener用于取消事件的监听。

除了上面介绍的一些方法外，其他常用的方法还有如下一些：

• emitter.addListener/on(eventName, listener) ：添加类型为 eventName 的监听事件到事件数组尾部。
• emitter.prependListener(eventName, listener)：添加类型为 eventName 的监听事件到事件数组头部。
• emitter.emit(eventName[, ...args])：触发类型为 eventName 的监听事件。
• emitter.removeListener/off(eventName, listener)：移除类型为 eventName 的监听事件。
• emitter.once(eventName, listener)：添加类型为 eventName 的监听事件，以后只能执行一次并删除。
• emitter.removeAllListeners([eventName])： 移除全部类型为 eventName 的监听事件。

7.3 实现原理

EventEmitter其实是一个构造函数，内部存在一个包含所有事件的对象。

class EventEmitter {
    constructor() {
        this.events = {};
    }
}

其中，events存放的监听事件的函数的结构如下：

{
  "event1": [f1,f2,f3]，
  "event2": [f4,f5]，
  ...
}

然后，开始一步步实现实例方法，首先是emit，第一个参数为事件的类型，第二个参数开始为触发事件函数的参数，实现如下：

emit(type, ...args) {
    this.events[type].forEach((item) => {
        Reflect.apply(item, this, args);
    });
}

实现了emit方法之后，然后依次实现on、addListener、prependListener这三个实例方法，它们都是添加事件监听触发函数的。

on(type, handler) {
    if (!this.events[type]) {
        this.events[type] = [];
    }
    this.events[type].push(handler);
}

addListener(type,handler){
    this.on(type,handler)
}

prependListener(type, handler) {
    if (!this.events[type]) {
        this.events[type] = [];
    }
    this.events[type].unshift(handler);
}

移除事件监听，可以使用方法removeListener/on。

removeListener(type, handler) {
    if (!this.events[type]) {
        return;
    }
    this.events[type] = this.events[type].filter(item => item !== handler);
}

off(type,handler){
    this.removeListener(type,handler)
}

实现once方法， 再传入事件监听处理函数的时候进行封装，利用闭包的特性维护当前状态，通过fired属性值判断事件函数是否执行过。

once(type, handler) {
    this.on(type, this._onceWrap(type, handler, this));
  }

  _onceWrap(type, handler, target) {
    const state = { fired: false, handler, type , target};
    const wrapFn = this._onceWrapper.bind(state);
    state.wrapFn = wrapFn;
    return wrapFn;
  }

  _onceWrapper(...args) {
    if (!this.fired) {
      this.fired = true;
      Reflect.apply(this.handler, this.target, args);
      this.target.off(this.type, this.wrapFn);
    }
 }

下面是完成的测试代码：

class EventEmitter {
    constructor() {
        this.events = {};
    }

    on(type, handler) {
        if (!this.events[type]) {
            this.events[type] = [];
        }
        this.events[type].push(handler);
    }

    addListener(type,handler){
        this.on(type,handler)
    }

    prependListener(type, handler) {
        if (!this.events[type]) {
            this.events[type] = [];
        }
        this.events[type].unshift(handler);
    }

    removeListener(type, handler) {
        if (!this.events[type]) {
            return;
        }
        this.events[type] = this.events[type].filter(item => item !== handler);
    }

    off(type,handler){
        this.removeListener(type,handler)
    }

    emit(type, ...args) {
        this.events[type].forEach((item) => {
            Reflect.apply(item, this, args);
        });
    }

    once(type, handler) {
        this.on(type, this._onceWrap(type, handler, this));
    }

    _onceWrap(type, handler, target) {
        const state = { fired: false, handler, type , target};
        const wrapFn = this._onceWrapper.bind(state);
        state.wrapFn = wrapFn;
        return wrapFn;
    }

    _onceWrapper(...args) {
        if (!this.fired) {
            this.fired = true;
            Reflect.apply(this.handler, this.target, args);
            this.target.off(this.type, this.wrapFn);
        }
    }
}

八、中间件

8.1 基本概念

中间件（Middleware）是介于应用系统和系统软件之间的一类软件，它使用系统软件所提供的基础服务（功能），衔接网络上应用系统的各个部分或不同的应用，能够达到资源共享、功能共享的目的。
在Node中，中间件主要是指封装http请求细节处理的方法。例如，在express、koa等web框架中，中间件的本质为一个回调函数，参数包含请求对象、响应对象和执行下一个中间件的函数，架构示意图如下。

通常，在这些中间件函数中，我们可以执行业务逻辑代码，修改请求和响应对象、返回响应数据等操作。

8.2 koa

Koa是基于Node当前比较流行的web框架，本身支持的功能并不多，功能都可以通过中间件拓展实现。 Koa 并没有捆绑任何中间件， 而是提供了一套优雅的方法，帮助开发者快速而愉快地编写服务端应用程序。

Koa 中间件采用的是洋葱圈模型，每次执行下一个中间件都传入两个参数：

• ctx ：封装了request 和 response 的变量
• next ：进入下一个要执行的中间件的函数

通过前面的介绍，我们知道了Koa 中间件本质上就是一个函数，可以是 async 函数，也可以是普通函数。下面就针对koa进行中间件的封装：

// async 函数
app.use(async (ctx, next) => {
  const start = Date.now();
  await next();
  const ms = Date.now() - start;
  console.log(`${ctx.method} ${ctx.url} - ${ms}ms`);
});

// 普通函数
app.use((ctx, next) => {
  const start = Date.now();
  return next().then(() => {
    const ms = Date.now() - start;
    console.log(`${ctx.method} ${ctx.url} - ${ms}ms`);
  });
});

当然，我们还可以通过中间件封装http请求过程中几个常用的功能：

token校验

module.exports = (options) => async (ctx, next) {
  try {
    // 获取 token
    const token = ctx.header.authorization
    if (token) {
      try {
          // verify 函数验证 token，并获取用户相关信息
          await verify(token)
      } catch (err) {
        console.log(err)
      }
    }
    // 进入下一个中间件
    await next()
  } catch (err) {
    console.log(err)
  }
}

日志模块

const fs = require('fs')
module.exports = (options) => async (ctx, next) => {
  const startTime = Date.now()
  const requestTime = new Date()
  await next()
  const ms = Date.now() - startTime;
  let logout = `${ctx.request.ip} -- ${requestTime} -- ${ctx.method} -- ${ctx.url} -- ${ms}ms`;
  // 输出日志文件
  fs.appendFileSync('./log.txt', logout + '\n')
}

Koa存在很多第三方的中间件，如koa-bodyparser、koa-static等。

8.3 Koa中间件

koa-bodyparser
koa-bodyparser 中间件是将我们的 post 请求和表单提交的查询字符串转换成对象，并挂在 ctx.request.body 上，方便我们在其他中间件或接口处取值。

// 文件：my-koa-bodyparser.js
const querystring = require("querystring");

module.exports = function bodyParser() {
    return async (ctx, next) => {
        await new Promise((resolve, reject) => {
            // 存储数据的数组
            let dataArr = [];

            // 接收数据
            ctx.req.on("data", data => dataArr.push(data));

            // 整合数据并使用 Promise 成功
            ctx.req.on("end", () => {
                // 获取请求数据的类型 json 或表单
                let contentType = ctx.get("Content-Type");

                // 获取数据 Buffer 格式
                let data = Buffer.concat(dataArr).toString();

                if (contentType === "application/x-www-form-urlencoded") {
                    // 如果是表单提交，则将查询字符串转换成对象赋值给 ctx.request.body
                    ctx.request.body = querystring.parse(data);
                } else if (contentType === "applaction/json") {
                    // 如果是 json，则将字符串格式的对象转换成对象赋值给 ctx.request.body
                    ctx.request.body = JSON.parse(data);
                }

                // 执行成功的回调
                resolve();
            });
        });

        // 继续向下执行
        await next();
    };
};

koa-static
koa-static 中间件的作用是在服务器接到请求时，帮我们处理静态文件，比如。

const fs = require("fs");
const path = require("path");
const mime = require("mime");
const { promisify } = require("util");

// 将 stat 和 access 转换成 Promise
const stat = promisify(fs.stat);
const access = promisify(fs.access)

module.exports = function (dir) {
    return async (ctx, next) => {
        // 将访问的路由处理成绝对路径，这里要使用 join 因为有可能是 /
        let realPath = path.join(dir, ctx.path);

        try {
            // 获取 stat 对象
            let statObj = await stat(realPath);

            // 如果是文件，则设置文件类型并直接响应内容，否则当作文件夹寻找 index.html
            if (statObj.isFile()) {
                ctx.set("Content-Type", `${mime.getType()};charset=utf8`);
                ctx.body = fs.createReadStream(realPath);
            } else {
                let filename = path.join(realPath, "index.html");

                // 如果不存在该文件则执行 catch 中的 next 交给其他中间件处理
                await access(filename);

                // 存在设置文件类型并响应内容
                ctx.set("Content-Type", "text/html;charset=utf8");
                ctx.body = fs.createReadStream(filename);
            }
        } catch (e) {
            await next();
        }
    }
}

总的来说，在实现中间件时候，单个中间件应该足够简单，职责单一，中间件的代码编写应该高效，必要的时候通过缓存重复获取数据。

九、如何设计并实现JWT鉴权

9.1 JWT是什么

JWT（JSON Web Token），本质就是一个字符串书写规范，作用是用来在用户和服务器之间传递安全可靠的，如下图。

在目前前后端分离的开发过程中，使用token鉴权机制用于身份验证是最常见的方案，流程如下：

• 服务器当验证用户账号和密码正确的时候，给用户颁发一个令牌，这个令牌作为后续用户访问一些接口的凭证。

• 后续访问会根据这个令牌判断用户时候有权限进行访问。

  Token，分成了三部分，头部（Header）、载荷（Payload）、签名（Signature），并以.进行拼接。其中头部和载荷都是以JSON格式存放数据，只是进行了编码，示意图如下。
  

  9.1.1 header

  每个JWT都会带有头部信息，这里主要声明使用的算法。声明算法的字段名为alg，同时还有一个typ的字段，默认JWT即可。以下示例中算法为HS256：

{  "alg": "HS256",  "typ": "JWT" } 

因为JWT是字符串，所以我们还需要对以上内容进行Base64编码，编码后字符串如下：

eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9        

9.1.2 payload

载荷即消息体，这里会存放实际的内容，也就是Token的数据声明，例如用户的id和name，默认情况下也会携带令牌的签发时间iat，通过还可以设置过期时间，如下：

{
  "sub": "1234567890",
  "name": "John Doe",
  "iat": 1516239022
}

同样进行Base64编码后，字符串如下：

eyJzdWIiOiIxMjM0NTY3ODkwIiwibmFtZSI6IkpvaG4gRG9lIiwiaWF0IjoxNTE2MjM5MDIyfQ

9.1.3 Signature

签名是对头部和载荷内容进行签名，一般情况，设置一个secretKey，对前两个的结果进行HMACSHA25算法，公式如下：

Signature = HMACSHA256(base64Url(header)+.+base64Url(payload),secretKey)

因此，就算前面两部分数据被篡改，只要服务器加密用的密钥没有泄露，得到的签名肯定和之前的签名也是不一致的。

9.2 设计实现

通常，Token的使用分成了两部分：生成token和校验token。

• 生成token：登录成功的时候，颁发token。
• 验证token：访问某些资源或者接口时，验证token。

9.2.1 生成 token

借助第三方库jsonwebtoken，通过jsonwebtoken 的 sign 方法生成一个 token。sign有三个参数：

• 第一个参数指的是 Payload。
• 第二个是秘钥，服务端特有。
• 第三个参数是 option，可以定义 token 过期时间。

下面是一个前端生成token的例子：

const crypto = require("crypto"),
  jwt = require("jsonwebtoken");
// TODO:使用数据库
// 这里应该是用数据库存储，这里只是演示用
let userList = [];

class UserController {
  // 用户登录
  static async login(ctx) {
    const data = ctx.request.body;
    if (!data.name || !data.password) {
      return ctx.body = {
        code: "000002", 
        message: "参数不合法"
      }
    }
    const result = userList.find(item => item.name === data.name && item.password === crypto.createHash('md5').update(data.password).digest('hex'))
    if (result) {
      // 生成token
      const token = jwt.sign(  
        {
          name: result.name
        },
        "test_token", // secret
        { expiresIn: 60 * 60 } // 过期时间：60 * 60 s
      );
      return ctx.body = {
        code: "0",
        message: "登录成功",
        data: {
          token
        }
      };
    } else {
      return ctx.body = {
        code: "000002",
        message: "用户名或密码错误"
      };
    }
  }
}

module.exports = UserController;

在前端接收到token后，一般情况会通过localStorage进行缓存，然后将token放到HTTP 请求头Authorization 中，关于Authorization 的设置，前面需要加上 Bearer ，注意后面带有空格，如下。

axios.interceptors.request.use(config => {
  const token = localStorage.getItem('token');
  config.headers.common['Authorization'] = 'Bearer ' + token; // 留意这里的 Authorization
  return config;
})

9.2.2 校验token

首先，我们需要使用 koa-jwt 中间件进行验证，方式比较简单，在路由跳转前校验即可，如下。

app.use(koajwt({
  secret: 'test_token'
}).unless({ 
   // 配置白名单
  path: [/\/api\/register/, /\/api\/login/]
}))

使用koa-jwt中间件进行校验时，需要注意以下几点：

• secret 必须和 sign 时候保持一致。
• 可以通过 unless 配置接口白名单，也就是哪些 URL 可以不用经过校验，像登陆/注册都可以不用校验。
• 校验的中间件需要放在需要校验的路由前面，无法对前面的 URL 进行校验。

获取用户token信息的方法如下：

router.get('/api/userInfo',async (ctx,next) =>{   
 const authorization =  ctx.header.authorization // 获取jwt  
 const token = authorization.replace('Beraer ','')    
 const result = jwt.verify(token,'test_token')  
 ctx.body = result
}

注意：上述的HMA256加密算法为单秘钥的形式，一旦泄露后果非常的危险。

在分布式系统中，每个子系统都要获取到秘钥，那么这个子系统根据该秘钥可以发布和验证令牌，但有些服务器只需要验证令牌。这时候可以采用非对称加密，利用私钥发布令牌，公钥验证令牌，加密算法可以选择RS256等非对称算法。

除此之外，JWT鉴权还需要注意以下几点：

• payload部分仅仅是进行简单编码，所以只能用于存储逻辑必需的非敏感信息。
• 需要保护好加密密钥，一旦泄露后果不堪设想。
• 为避免token被劫持，最好使用https协议。

十、Node性能监控与优化

10.1 Node优化点

Node作为一门服务端语言，性能方面尤为重要，其衡量指标一般有如下几点：

• CPU
• 内存
• I/O
• 网络

10.1.1 CPU

对于CPU的指标，主要关注如下两点：

• CPU负载：在某个时间段内，占用以及等待CPU的进程总数。
• CPU使用率：CPU时间占用状况，等于 1 - 空闲CPU时间(idle time) / CPU总时间。

这两个指标都是用来评估系统当前CPU的繁忙程度的量化指标。Node应用一般不会消耗很多的CPU，如果CPU占用率高，则表明应用存在很多同步操作，导致异步任务回调被阻塞。

10.1.2 内存指标

内存是一个非常容易量化的指标。 内存占用率是评判一个系统的内存瓶颈的常见指标。 对于Node来说，内部内存堆栈的使用状态也是一个可以量化的指标，可以使用下面的代码来获取内存的相关数据：

// /app/lib/memory.js
const os = require('os');
// 获取当前Node内存堆栈情况
const { rss, heapUsed, heapTotal } = process.memoryUsage();
// 获取系统空闲内存
const sysFree = os.freemem();
// 获取系统总内存
const sysTotal = os.totalmem();

module.exports = {
  memory: () => {
    return {
      sys: 1 - sysFree / sysTotal,  // 系统内存占用率
      heap: heapUsed / headTotal,   // Node堆内存占用率
      node: rss / sysTotal,         // Node占用系统内存的比例
    }
  }
}

• rss：表示node进程占用的内存总量。
• heapTotal：表示堆内存的总量。
• heapUsed：实际堆内存的使用量。
• external ：外部程序的内存使用量，包含Node核心的C++程序的内存使用量。

在Node中，一个进程的最大内存容量为1.5GB，因此在实际使用时请合理控制内存的使用。

10.13 磁盘 I/O

硬盘的 IO 开销是非常昂贵的，硬盘 IO 花费的 CPU 时钟周期是内存的 164000 倍。内存 IO 比磁盘 IO 快非常多，所以使用内存缓存数据是有效的优化方法。常用的工具如 redis、memcached 等。

并且，并不是所有数据都需要缓存，访问频率高，生成代价比较高的才考虑是否缓存，也就是说影响你性能瓶颈的考虑去缓存，并且而且缓存还有缓存雪崩、缓存穿透等问题要解决。

10.2 如何监控

关于性能方面的监控，一般情况都需要借助工具来实现，比如Easy-Monitor、阿里Node性能平台等。

这里采用Easy-Monitor 2.0，其是轻量级的 Node.js 项目内核性能监控 + 分析工具，在默认模式下，只需要在项目入口文件 require 一次，无需改动任何业务代码即可开启内核级别的性能监控分析。

Easy-Monitor 的使用也比较简单，在项目入口文件中按照如下方式引入。

const easyMonitor = require('easy-monitor');
easyMonitor('项目名称');

打开你的浏览器，访问 http://localhost:12333 ，即可看到进程界面，更详细的内容请参考官网

10.3 Node性能优化

关于Node的性能优化的方式有如下几个：

• 使用最新版本Node.js
• 正确使用流 Stream
• 代码层面优化
• 内存管理优化

10.3.1 使用最新版本Node.js

每个版本的性能提升主要来自于两个方面：

• V8 的版本更新
• Node.js 内部代码的更新优化

10.3.2 正确使用流

在Node中，很多对象都实现了流，对于一个大文件可以通过流的形式发送，不需要将其完全读入内存。

const http = require('http');
const fs = require('fs');

// 错误方式
http.createServer(function (req, res) {
    fs.readFile(__dirname + '/data.txt', function (err, data) {
        res.end(data);
    });
});

// 正确方式
http.createServer(function (req, res) {
    const stream = fs.createReadStream(__dirname + '/data.txt');
    stream.pipe(res);
});

10.3.3 代码层面优化

合并查询，将多次查询合并一次，减少数据库的查询次数。

// 错误方式
for user_id in userIds 
     let account = user_account.findOne(user_id)

// 正确方式
const user_account_map = {}  
 // 注意这个对象将会消耗大量内存。
user_account.find(user_id in user_ids).forEach(account){
    user_account_map[account.user_id] =  account
}
for user_id in userIds 
    var account = user_account_map[user_id]

10.3.4 内存管理优化

在 V8 中，主要将内存分为新生代和老生代两代：

• 新生代：对象的存活时间较短。新生对象或只经过一次垃圾回收的对象。
• 老生代：对象存活时间较长。经历过一次或多次垃圾回收的对象。

若新生代内存空间不够，直接分配到老生代。通过减少内存占用，可以提高服务器的性能。如果有内存泄露，也会导致大量的对象存储到老生代中，服务器性能会大大降低，比如下面的例子。

const buffer = fs.readFileSync(__dirname + '/source/index.htm');

app.use(
    mount('/', async (ctx) => {
        ctx.status = 200;
        ctx.type = 'html';
        ctx.body = buffer;
        leak.push(fs.readFileSync(__dirname + '/source/index.htm'));
    })
);

const leak = [];

当leak的内存非常大的时候，就有可能造成内存泄露，应当避免这样的操作。

减少内存使用，可以明显的提高服务性能。而节省内存最好的方式是使用池，其将频用、可复用对象存储起来，减少创建和销毁操作。例如有个图片请求接口，每次请求，都需要用到类。若每次都需要重新new这些类，并不是很合适，在大量请求时，频繁创建和销毁这些类，造成内存抖动。而使用对象池的机制，对这种频繁需要创建和销毁的对象保存在一个对象池中，从而避免重读的初始化操作，从而提高框架的性能。