【保姆级解析】我是如何从工作的视角看 Koa 源码的？

1 原生实现

1.1 启动一个服务

node起一个服务有多简单，相信只要会上网，都能搜到类似下面的代码快速启动一个服务。

const http = require('http')
const handler = ((req, res) => {
  res.end('Hello World!')
})
http
  .createServer(handler)
  .listen(
    8888,
    () => {
      console.log('listening 127.0.0.1:8888')
    }
  )

访问127.0.0.1:8888就可以看到页面上出现了'hello world!。随后就会发现修改路由还是请求方式，都只能拿到这样一个字符串。

curl 127.0.0.1:8888
curl curl -X POST http://127.0.0.1:8888
curl 127.0.0.1:8888/about

这个时候肯定就会去找相关文档^[1]，然后发现刚刚回调函数的 req 居然内有乾坤。我们可以使用 method 属性和 url 属性针对不同的方法和路由返回不同的结果。于是很容易就想到类似下面的写法：

const http = require('http')
const handler = ((req, res) => {
  let resData = '404 NOT FOUND!'
  const { method, path } = req
  switch (path) {
    case '/':
      if (method === 'get') {
        resData = 'Hello World!'
      } else if (method === 'post') {
        resData = 'Post Method!'
      }
      break
    case '/about':
      resData = 'Hello About!'
  }
  res.end = resData
})
http
  .createServer(handler)
  .listen(
    8888,
    () => {
      console.log('listening 127.0.0.1:8888')
    }
  )

但是一个服务不可能只有这么几个接口跟方法啊，总不能每加一个就增加一个分支吧，这样 handler 得变得多长多冗余，于是又很容易想到抽离 handler ，将 path 和 method 解耦。

1.2 策略模式解耦

如何解耦呢？从在新手村的代码中可以发现策略模式^[2]刚好可以拿来解决这个问题：

const http = require('http')
class Application {
  constructor () {
    // 收集route和method对应的回调函数
    this.$handlers = new Map()
  }
  // 注册handler
  register (method, path, handler) {
    let pathInfo = null
    if (this.$handlers.has(path)) {
      pathInfo = this.$handlers.get(path)
    } else {
      pathInfo = new Map()
      this.$handlers.set(path, pathInfo)
    }
    // 注册回调函数
    pathInfo.set(method, handler)
  }
  use () {
    return (request, response) => {
      const { url: path, method } = request
      this.$handlers.has(path) && this.$handlers.get(path).has(method)
        ? this.$handlers.get(path).get(method)(request, response)
        : response.end('404 NOT FOUND!')
    }
  }
}
const app = new Application()
app.register('GET', '/', (req, res) => {
  res.end('Hello World!')
})
app.register('GET', '/about', (req, res) => {
  res.end('Hello About!')
})
app.register('POST', '/', (req, res) => {
  res.end('Post Method!')
})
http
  .createServer(app.use())
  .listen(
    8888,
    () => {
      console.log('listening 127.0.0.1:8888')
    }
  )

1.3 符合DRY原则

但是这个时候就会发现：

• 如果手抖把 method 方法写成了小写，因为 Http.Request.method 都是大写，无法匹配到正确的 handler ，于是返回 '404 NOT FOUND'。
• 如果我想在响应数据前增加一些操作，比如为每个请求增加一个时间戳，表示请求的时间，就必须修改每个 register 中的 handler 函数，不符合DRY原则

此时再修改一下上面的代码，利用 Promise 实现按顺序执行 handler。

const http = require('http')
class Application {
  constructor() {
    // 收集route和method对应的回调函数
    this.$handlers = new Map()
    // 暴露get和post方法
    this.get = this.register.bind(this, 'GET')
    this.post = this.register.bind(this, 'POST')
  }
  // 注册handler
  register(method, path, ...handlers) {
    let pathInfo = null
    if (this.$handlers.has(path)) {
      pathInfo = this.$handlers.get(path)
    } else {
      pathInfo = new Map()
      this.$handlers.set(path, pathInfo)
    }
    // 注册回调函数
    pathInfo.set(method, handlers)
  }
  use() {
    return (request, response) => {
      const { url: path, method } = request
      if (
        this.$handlers.has(path) &&
        this.$handlers.get(path).has(method)
      ) {
        const _handlers = this.$handlers.get(path).get(method)
        _handlers.reduce((pre, _handler) => {
          return pre.then(() => {
            return new Promise((resolve, reject) => {
              _handler.call({}, request, response, () => {
                resolve()
              })
            })
          })
        }, Promise.resolve())
      } else {
        response.end('404 NOT FOUND!')
      }
    }
  }
}
const app = new Application()
const addTimestamp = (req, res, next) => {
  setTimeout(() => {
    this.timestamp = Date.now()
    next()
  }, 3000)
}
app.get('/', addTimestamp, (req, res) => {
  res.end('Hello World!' + this.timestamp)
})
app.get('/about', addTimestamp, (req, res) => {
  res.end('Hello About!' + this.timestamp)
})
app.post('/', addTimestamp, (req, res) => {
  res.end('Post Method!' + this.timestamp)
})
http
  .createServer(app.use())
  .listen(
    8888,
    () => {
      console.log('listening 127.0.0.1:8888')
    }
  )

1.4 降低用户心智

但是这样依旧有点小瑕疵，用户总是在重复创建 Promise，用户可能更希望无脑一点，那我们给用户暴露一个 next 方法，无论在哪里执行 next 就会进入下一个 handler，岂不美哉！！！

class Application {
// ...
  use() {
    return (request, response) => {
      const { url: path, method } = request
      if (
        this.$handlers.has(path) &&
        this.$handlers.get(path).has(method)
      ) {
        const _handlers = this.$handlers.get(path).get(method)
        _handlers.reduce((pre, _handler) => {
          return pre.then(() => {
            return new Promise(resolve => {
             // 向外暴露next方法，由用户决定什么时候进入下一个handler
              _handler.call({}, request, response, () => {
                resolve()
              })
            })
          })
        }, Promise.resolve())
      } else {
        response.end('404 NOT FOUND!')
      }
    }
  }
}
// ...
const addTimestamp = (req, res, next) => {
  setTimeout(() => {
    this.timestamp = new Date()
    next()
  }, 3000)
}

2 Koa核心源码解析

上面的代码一路下来，基本上已经实现了一个简单中间件框架，用户可以在自定义中间件，然后在业务逻辑中通过 next() 进入下一个 handler，使得整合业务流程更加清晰。但是它只能推进中间件的执行，没有办法跳出中间件优先执行其他中间件。比如在koa中，一个中间件是类似这样的：

const Koa = require('koa');
let app = new Koa();
const middleware1 = async (ctx, next) => { 
  console.log(1); 
  await next();  
  console.log(2);   
}
const middleware2 = async (ctx, next) => { 
  console.log(3); 
  await next();  
  console.log(4);   
}
const middleware3 = async (ctx, next) => { 
  console.log(5); 
  await next();  
  console.log(6);   
}
app.use(middleware1);
app.use(middleware2);
app.use(middleware3);
app.use(async(ctx, next) => {
  ctx.body = 'hello world'
})
app.listen(8888)

可以看到控制台输出的顺序是1, 3, 5, 6, 4, 2，这就是koa经典的洋葱模型。

接下来我们一步步解析koa的源码^[3]，可以看到总共只有4个文件，如果去掉注释，合起来代码也就1000多行。

创建Koa实例的时候，Koa做的事情其实并不多，设置实例的一些配置，初始化中间件的队列，使用 Object.create 继承 context、request 和 response。

2.1 constructor

constructor(options) {
super();
// 实例的各种配置，不用太关注
  options = options || {};
  this.proxy = options.proxy || false;
  this.subdomainOffset = options.subdomainOffset || 2;
  this.proxyIpHeader = options.proxyIpHeader || 'X-Forwarded-For';
  this.maxIpsCount = options.maxIpsCount || 0;
  this.env = options.env || process.env.NODE_ENV || 'development';
  if (options.keys) this.keys = options.keys;
// 最重要的实例属性，用于存放中间
  this.middleware = [];
// 继承其他三个文件中的对象
  this.context = Object.create(context);
  this.request = Object.create(request);
  this.response = Object.create(response);
}

因为Koa仅用于中间件的整合以及请求响应的监听，所以我们最关注的Koa的两个实例方法就是 use 和 listen。一个用来注册中间件，一个用来启动服务并监听端口。

2.2 use

功能非常简单，注册中间件，往实例属性middleware列表中推入中间件。

use(fn) {
  if (typeof fn !== 'function') throw new TypeError('middleware must be a function!');
// 利用co库转换generator函数，v3版本会移除，直接使用promise以及async...await
  if (isGeneratorFunction(fn)) {
    deprecate('Support for generators will be removed in v3. ' +
              'See the documentation for examples of how to convert old middleware ' +
              'https://github.com/koajs/koa/blob/master/docs/migration.md');
    fn = convert(fn);
  }
  debug('use %s', fn._name || fn.name || '-');
  this.middleware.push(fn);
// 用于链式注册中间件 app.use(xxx).use(xxx)...
  return this;
}

2.3 listen

它的实现非常简单，就是直接调用 http.createServer 创建服务，并直接执行server.listen^[4]的一些操作。稍微特殊一点地方是 createServer 传入的参数是调用实例方法 callback 的返回值。

listen(...args) {
  debug('listen');
// 创建服务
  const server = http.createServer(this.callback());
// 透传参数，执行http模块的server.listen
  return server.listen(...args);
}

2.4 callback

• 调用 compose 方法，将所有中间件转换成 Promise 执行，并返回一个执行函数。
• 调用父类 Emitter 中的 listenerCount 方法判断是否注册了 error 事件的监听器，若没有则为 error 事件注册 onerror 方法。
• 定义传入 createServer 中的处理函数，这个处理函数有2个入参，分别是 request 和 response ，通过调用 createContext 方法把 request 和 response 封装成 ctx 对象，然后把 ctx 和第一步的执行函数 fn 传入 handleRequest 方法中。

callback() {
// 后面会讲解koa-compose，洋葱模型的核心，转换中间件的执行时机。
  const fn = compose(this.middleware);
// 继承自Emitter，如果没有error事件的监听器，为error事件注册默认的事件监听方法onerror
  if (!this.listenerCount('error')) this.on('error', this.onerror);
// 
  const handleRequest = (req, res) => {
// 调用createContext方法把req和res封装成ctx对象
    const ctx = this.createContext(req, res);
    return this.handleRequest(ctx, fn);
  };
  return handleRequest;
}

2.5 createContext

createContext 的作用是将前面讲到的 context ，request，response 三个文件暴露出来的对象封装在一起，并额外增加app、req、res等，方便在ctx中获取各类信息。

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;
  context.res = request.res = response.res = res;
  request.ctx = response.ctx = context;
  request.response = response;
  response.request = request;
  context.originalUrl = request.originalUrl = req.url;
  context.state = {};
  return context;
}

2.6 handleRequest

• 获得res，将状态默认置为404
• 定义失败的回调函数和中间件执行成功的回调函数，其中失败回调函数调用 context 中的 onerror 函数，不过最终还是触发app中注册的 onerror 函数；成功回调函数调用 respond 方法，读取 ctx 信息，把数据写入 res 中并响应请求。
• 使用 on-finished 模块确保一个流在关闭、完成和报错时都会执行相应的回调函数。
• 执行中间件函数 fnMiddleware，类似于 Promise.all，当全部中间件处理成功后，执行 handleResponse ，否则捕获异常。

handleRequest(ctx, fnMiddleware) {
  const res = ctx.res;
  res.statusCode = 404;
  const onerror = err => ctx.onerror(err);
  const handleResponse = () => respond(ctx);
  onFinished(res, onerror);
  return fnMiddleware(ctx).then(handleResponse).catch(onerror);
}

3 Koa-compose

koa-compose源码^[5]非常简略：

• 首先校验一下入参的合法性，最终返回一个函数。
• 该函数内部使用 index 作为标识记录当前执行的中间，并返回从第一个中间件执行 dispatch 的结果。如果一个中间件内部多次执行 next() 方法，就会出现i的值等于 index，于是会报错 reject 掉。
• 根据 index 取出中间件列表中的中间件，将 context 和 dispatch(i + 1) 中间件的入参 ctx 和 next 传入，当中间件执行 next() 方法时，就会按顺序执行下一个中间件，且将当前中间件放入执行栈中，最后当i等于中间件数组长度时候，即没有其他中间件了，就将入参 next（在Koa源码里是undefined）赋值给fn，此时fn未定义，于是返回空的 resolved 状态的 promise。
• 当最核心的中间件执行完成后，自然会触发 await 向下执行，开始执行上一个中间件，最终就形成了从外向里，再从里向外的洋葱模型。

// 入参是一个中间件列表，返回值是一个函数
function compose (middleware) {
// 检查中间的合法性
  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!')
  }
// 核心
  return function (context, next) {
// 设置初始索引值
    let index = -1
// 立即执行dispatch，传入0，并返回结果
    return dispatch(0)
    function dispatch (i) {
// 防止在一个中间件中多次调用next
      if (i <= index) return Promise.reject(new Error('next() called multiple times'))
      index = i
// 拿出中间件列表中的第i个中间件，赋值给fn
      let fn = middleware[i]
// 中间件全部执行完成，将next赋值给fn，不过针对Koa源码而言，next一直为undefined（其他地方不一定）
      if (i === middleware.length) fn = next
// 没有可执行的中间件，之间resolve掉promise
      if (!fn) return Promise.resolve()
      try {
// 相当于实现Promise.all，通过对外暴露next回调函数递归执行promise，保证中间件执行的顺序满足栈的特性
        return Promise.resolve(fn(context, dispatch.bind(null, i + 1)));
      } catch (err) {
        return Promise.reject(err)
      }
    }
  }
}

4 Koa-router

上面解决了中间件的执行顺序问题，但是路由这一块就比较尴尬，因为我们可能使用带有参数的路由，比如 app.get('/:userName', (res, req) => {/* xxxx */}) ，原先处理路由的方法就不适用了，此时可以引入koa-router中间件，像下面一样使用。

const Koa = require('koa')
const Router = require('koa-router')
const app = new Koa()
const router = new Router()
router.get('/', async ctx => {
  ctx.body = 'Hello World！'
})
router.get('/:userName', async ctx => {
  ctx.body = `Hello ${ctx.params.userName}！`
})
app
  .use(router.routes())
  .use(router.allowedMethods())
  .listen(8888)

koa-router源码^[6]都放在lib文件夹下面，就两个文件：

// 注册路由，绑定中间件
Router.prototype.register = function (path, methods, middleware, opts) {
  opts = opts || {};
  const router = this;
  const stack = this.stack;
// 支持多个path绑定中间件
  if (Array.isArray(path)) {
    for (let i = 0; i < path.length; i++) {
      const curPath = path[i];
      router.register.call(router, curPath, methods, middleware, opts);
    }
    return this;
  }
// 创建路由
  const route = new Layer(path, methods, middleware, {
    end: opts.end === false ? opts.end : true,
    name: opts.name,
    sensitive: opts.sensitive || this.opts.sensitive || false,
    strict: opts.strict || this.opts.strict || false,
    prefix: opts.prefix || this.opts.prefix || "",
    ignoreCaptures: opts.ignoreCaptures
  });
  if (this.opts.prefix) {
    route.setPrefix(this.opts.prefix);
  }
// 增加中间件参数
  for (let i = 0; i < Object.keys(this.params).length; i++) {
    const param = Object.keys(this.params)[i];
    route.param(param, this.params[param]);
  }
  stack.push(route);
  debug('defined route %s %s', route.methods, route.path);
  return route;
};
// 对外暴露get、post等方法
for (let i = 0; i < methods.length; i++) {
  function setMethodVerb(method) {
    Router.prototype[method] = function(name, path, middleware) {
      if (typeof path === "string" || path instanceof RegExp) {
        middleware = Array.prototype.slice.call(arguments, 2);
      } else {
        middleware = Array.prototype.slice.call(arguments, 1);
        path = name;
        name = null;
      }
      this.register(path, [method], middleware, {
        name: name
      });
      return this;
    };
  }
  setMethodVerb(methods[i]);
}

5 相关文档

• koa onion model^[7]
• https://en.wikipedia.org/wiki/Strategy_pattern^[8]
• https://robdodson.me/posts/javascript-design-patterns-strategy/^[9]

参考资料