Node进阶——之事无巨细手写Koa源码 - 哈喽比特

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作者 rocYoung

Koa是一个基于Node.js的Web开发框架，特点是小而精，对比大而全的Express（编者按：此处是相对来说，国内当然是有Egg.js和ThinkJS），两者虽然由同一团队开发，但各有其更适合的应用场景：Express适合开发较大的企业级应用，而Koa致力于成为Web开发中的基石，例如Egg.js就是基于Koa开发的。

关于两个框架的区别和联系，后期我会再写一篇Express源码解析，这里不赘述。本文的主要目的如下：

Koa官网上说：“Koa提供了一套优雅的方法，帮助您快速而愉快地编写服务端应用程序”。这套优雅的方法是什么？是如何实现的？让我们一探究竟，并手写源码。

过去我不了解太阳，那时我过的是冬天——聂鲁达

傻瓜式用法

Koa的用法可以说非常傻瓜，我们快速过一下：

首先映入眼帘的不是假山，是hello world

const Koa = require('koa');
const app = new Koa();

app.use((ctx, next) => {
  ctx.body = 'Hello World';
});

app.listen(3000);

不用框架时的写法

let http = require('http')

let server = http.createServer((req, res) => {
  res.end('hello world')
})

server.listen(4000)

对比发现，相对原生，Koa多了两个实例上的use、listen方法，和use回调中的ctx、next两个参数。这四个不同，几乎就是Koa的全部了，也是这四个不同让Koa如此强大。

listen

简单！http的语法糖，实际上还是用了http.createServer()，然后监听了一个端口。

ctx

比较简单！利用 上下文(context) 机制，将原来的req,res对象合二为一，并进行了大量拓展,使开发者可以方便的使用更多属性和方法，大大减少了处理字符串、提取信息的时间，免去了许多引入第三方包的过程。(例如ctx.query、ctx.path等)

use

重点！Koa的核心 —— 中间件（middleware）。解决了异步编程中回调地狱的问题，基于Promise，利用 洋葱模型 思想，使嵌套的、纠缠不清的代码变得清晰、明确，并且可拓展，可定制，借助许多第三方中间件，可以使精简的koa更加全能（例如koa-router，实现了路由）。其原理主要是一个极其精妙的 compose 函数。在使用时，用 next() 方法，从上一个中间件跳到下一个中间件。

注：以上加粗部分，下面都有详细介绍。

源码

Koa有多简单？简单到只有四个文件，算上大量的空行和注释，加起来不到1800行代码（有用的也就几百行）。

github.com/koajs/koa/t…(https://github.com/koajs/koa/tree/master/lib)

所以，学习Koa源码并不是一个痛苦的过程。豪不夸张的说，搞定这四个文件，手写下面的100多行代码，你就能完全理解Koa。为了防止大段代码的出现，我会讲的很详细。

准备工作

模仿官方，我们建立一个koa文件夹，并创建四个文件：application.js，context.js，request.js，response.js。通过查看package.json可以发现，application.js为入口文件。

context.js是上下文对象相关，request.js是请求对象相关，response.js是响应对象相关。

首先，梳理一下思路，原理无非就是use的时候拿到一个回调函数，listen的时候执行这个函数。
此外，use回调函数的参数ctx拓展了很多功能，这个ctx其实就是原生的req、res经过一系列处理产生的。
其实，第一句不准确，use可以多次，所以是多个回调函数，用户第二个参数next()跳到下一个，把多个use的回调函数按照规则顺序执行。
那么，看起来就很简单了，难点只有两个：一个是如何将原生req和res加工成ctx，另一个是如何实现中间件。
第一个，ctx其实就是一个上下文对象，request和response两个文件用来拓展属性，context文件实现代理，我们会手写相关源码。
第二个，源码中的中间件由一个中间件执行模块koa-compose实现，这里我们会手写一个。

application.js

结合上面hello world，可以明确，Koa是一个类,实例上主要两个方法，use和listen。

上面说过，listen是http的语法糖，所以要引入http模块。

Koa有一套错误处理机制,需要监听实例的error事件。所以要引入events模块继承EventEmitter。再引入另外三个自定义模块。

let http = require('http')
let EventEmitter = require('events')
let context = require('./context')
let request = require('./request')
let response = require('./response')

class Koa extends EventEmitter {
  constructor () {
    super()
  }
  use () {

  }
  listen () {

  }
}

module.exports = Koa

这三个模块，其实都是一个对象，为了代码能跑通，这里先简单导出一下。

context.js

let proto = {} // proto同源码定义的变量名
module.exports = proto

request.js

let request = {}
module.exports = request

response.js

let request = {}
module.exports = request

开始写Koa类里面的代码，先实现创建服务的功能：1、listen方法创建一个http服务并监听一个端口。2、use方法把回调传入。

class Koa extends EventEmitter {
  constructor () {
    super()
    this.fn
  }
  use (fn) {
    this.fn = fn // 用户使用use方法时，回调赋给this.fn
  }
  listen (...args) {
    let server = http.createServer(this.fn) // 放入回调
    server.listen(...args) // 因为listen方法可能有多参数，所以这里直接解构所有参数就可以了
  }
}

这样就可以启动一个服务了，测试一下：

let Koa = require('./application')
let app = new Koa()

app.use((req, res) => { // 还没写中间件，所以这里还不是ctx和next
  res.end('hello world')
})

app.listen(3000)

下面先解决ctx，ctx是一个上下文对象，里面绑定了很多请求和相应相关的数据和方法，例如ctx.path、ctx.query、ctx.body()等等等等，极大的为开发提供了便利。

思路是这样的：用户调用use方法时，把这个回调fn存起来，创建一个createContext函数用来创建上下文，创建一个handleRequest函数用来处理请求，用户listen时将handleRequest放进createServer回调中，在函数内调用fn并将上下文对象传入，用户就得到了ctx。

class Koa extends EventEmitter {
  constructor () {
    super()
    this.fn
    this.context = context // 将三个模块保存，全局的放到实例上
    this.request = request
    this.response = response
  }
  use (fn) {
    this.fn = fn
  }
  createContext(req, res){ // 这是核心，创建ctx
    // 使用Object.create方法是为了继承this.context但在增加属性时不影响原对象
    const ctx = Object.create(this.context)
    const request = ctx.request = Object.create(this.request)
    const response = ctx.response = Object.create(this.response)
    // 请仔细阅读以下眼花缭乱的操作，后面是有用的
    ctx.req = request.req = response.req = req
    ctx.res = request.res = response.res = res
    request.ctx = response.ctx = ctx
    request.response = response
    response.request = request
    return ctx
  }
  handleRequest(req,res){ // 创建一个处理请求的函数
    let ctx = this.createContext(req, res) // 创建ctx
    this.fn(ctx) // 调用用户给的回调，把ctx还给用户使用。
    res.end(ctx.body) // ctx.body用来输出到页面，后面会说如何绑定数据到ctx.body
  }
  listen (...args) {
    let server = http.createServer(this.handleRequest.bind(this))// 这里使用bind调用，以防this丢失
    server.listen(...args)
  }
}

如果不理解Object.create可以看这个例子：

let o1 = {a: 'hello'}
let o2 = Object.create(o1)
o2.b = 'world'
console.log('o1:', o1.b) // 创建出的对象不会影响原对象
console.log('o2:', o2.a) // 创建出的对象会继承原对象的属性

o1: undefined o2: hello

经过上面的操作，用户在ctx上可以用各种姿势取到想要的值。

例如url，可以用ctx.req.url、ctx.request.req.url、ctx.response.req.url取到。

app.use((ctx) => {
  console.log(ctx.req.url)
  console.log(ctx.request.req.url)
  console.log(ctx.response.req.url)
  console.log(ctx.request.url)
  console.log(ctx.request.path)
  console.log(ctx.url)
  console.log(ctx.path)
})

访问localhost:3000/abc

/abc /abc /abc /undefined /undefined /undefined /undefined

姿势多，不一定爽，要想爽，我们希望能实现以下两点：

从自定义的request上取值、拓展除了原生属性外的更多属性，例如query path等。
能够直接通过ctx.url的方式取值，上面都不够方便。

1 修改request

request.js

let url = require('url')
let request = {
  get url() { // 这样就可以用ctx.request.url上取值了，不用通过原生的req
    return this.req.url
  },
  get path() {
    return url.parse(this.req.url).pathname
  },
  get query() {
    return url.parse(this.req.url).query
  }
  // 。。。。。。
}
module.exports = request

非常简单，使用对象get访问器返回一个处理过的数据就可以将数据绑定到request上了，这里的问题是如何拿到数据，由于前面ctx.request这一步，所以this就是ctx，那this.req就是原生的req，再利用一些第三方模块对req进行处理就可以了，源码上拓展了非常多，这里只举例几个，看懂原理即可。

访问localhost:3000/abc?id=1

/abc?id=1 /abc?id=1 /abc?id=1 /abc?id=1 /abc undefined undefined

2 接下来要实现ctx直接取值，这里是通过一个代理来实现的

context.js

let proto = {

}
function defineGetter(prop, name){ // 创建一个defineGetter函数，参数分别是要代理的对象和对象上的属性
    proto.__defineGetter__(name, function(){ // 每个对象都有一个__defineGetter__方法，可以用这个方法实现代理，下面详解
        return this[prop][name] // 这里的this是ctx（原因下面解释），所以ctx.url得到的就是this.request.url
    })
}
defineGetter('request', 'url')
defineGetter('request', 'path')
// .......
module.exports = proto

访问localhost:3000/abc?id=1

/abc?id=1 /abc?id=1 /abc?id=1 /abc?id=1 /abc /abc?id=1 /abc

__defineGetter__方法可以将一个函数绑定在当前对象的指定属性上，当那个属性的值被读取时，你所绑定的函数就会被调用，第一个参数是属性，第二个是函数，由于ctx继承了proto，所以当ctx.url时，触发了__defineGetter__方法，所以这里的this就是ctx。这样，当调用defineGetter方法，就可以将参数一的参数二属性代理到ctx上了。

有个问题，要代理多少个属性就要调用多少遍defineGetter函数么？是的，如果想优雅一点，可以模仿官方源码，提出一个delegates模块，批量代理（其实也没优雅到哪去），这里为了方便展示，还是看懂即可吧。

3 修改response。根据koa的api，输出数据到页面不是res.end('xx')也不是res.send('xx')，而是ctx.body = 'xx'。我们要实现设置ctx.body，还要实现获取ctx.body。

response.js

let response = {
    get body(){
        return this._body // get时返回出去
    },
    set body(value){
        this.res.statusCode = 200 // 只要设置了body，就应该把状态码设置为200
        this._body = value // set时先保存下来
    }
}
module.exports = response

这样得到的是ctx.response.body，并不是ctx.body，同样，通过context代理一下

修改context

let proto = {

}
function defineGetter (prop, name) {
    proto.__defineGetter__(name, function(){
        return this[prop][name]
    })
}
function defineSetter (prop, name) {
    proto.__defineSetter__(name, function(val){ // 用__defineSetter__方法设置值
        this[prop][name] = val
    })
}
defineGetter('request', 'url')
defineGetter('request', 'path')
defineGetter('response', 'body') // 同样代理response的body属性
defineSetter('response', 'body') // 同理
module.exports = proto

测试一下

app.use((ctx) => {
  ctx.body = 'hello world'
  console.log(ctx.body)
})

访问localhost:3000

node控制台输出：

hello world

网页显示：hello world

接下来解决一下body的问题，上面说了，一旦给body设置值，状态码就改成200，那么没设置值就应该是404。还有，用户不光会输出字符串，还有可能是文件、页面、json等，这里都要处理，所以改一下handleRequest函数：

let Stream = require('stream') // 引入stream
handleRequest(req,res){
    res.statusCode = 404 // 默认404
    let ctx = this.createContext(req, res)
    this.fn(ctx)
    if(typeof ctx.body == 'object'){ // 如果是个对象，按json形式输出
        res.setHeader('Content-Type', 'application/json;charset=utf8')
        res.end(JSON.stringify(ctx.body))
    } else if (ctx.body instanceof Stream){ // 如果是流
        ctx.body.pipe(res)
    }
    else if (typeof ctx.body === 'string' || Buffer.isBuffer(ctx.body)) { // 如果是字符串或buffer
        res.setHeader('Content-Type', 'text/htmlcharset=utf8')
        res.end(ctx.body)
    } else {
        res.end('Not found')
    }
}

这样上下文相关就实现了，接下来看重中之重：中间件

现在只能use一次，我们要实现use多次，并可以在use的回调函数中使用next方法跳到下一个中间件，在此之前，我们先了解一个概念：“洋葱模型”。

当我们多次使用use时

app.use((crx, next) => {
        console.log(1)
        next()
        console.log(2)
    })
    app.use((crx, next) => {
        console.log(3)
        next()
        console.log(4)
    })
    app.use((crx, next) => {
        console.log(5)
        next()
        console.log(6)
    })

它的执行顺序是这样的：

1 3 5 6 4 2

next方法会调用下一个use，next下面的代码会在下一个use执行完再执行，我们可以把上面的代码想象成这样：

app.use((ctx, next) => {
    console.log(1)
    // next() 被替换成下一个use里的代码
    console.log(3)
    // next() 又被替换成下一个use里的代码
    console.log(5)
    // next() 没有下一个use了，所以这个无效
    console.log(6)
    console.log(4)
    console.log(2)
})

这样的话，理所应当输出135642

这就是洋葱模型了，通过next把执行权交给下一个中间件。

这样，开发者手中的请求数据会像仪仗队一样，乖乖的经过每一层中间件的检阅，最后响应给用户。

既应付了复杂的操作，又避免了混乱的嵌套。

除此之外，koa的中间件还支持异步，可以使用async/await

app.use(async (ctx, next) => {
    console.log(1)
    await next()
    console.log(2)
})
app.use(async (ctx, next) => {
    console.log(3)
    let p = new Promise((resolve, roject) => {
        setTimeout(() => {
            console.log('3.5')
            resolve()
        }, 1000)
    })
    await p.then()
    await next()
    console.log(4)
    ctx.body = 'hello world'
})

1 3 // 一秒后 3.5 4 2

async函数返回的是一个promise，当上一个use的next前加上await关键字，会等待下一个use的回调resolve了再继续执行代码。

所有现在要做的事有两步：

第一步，让多个use的回调按照顺序排列成串。

这里用到了数组和递归，每次use将当前函数存到一个数组中，最后按顺序执行。执行这一步用到一个compose函数，这个函数是重中之重。

constructor () {
    super()
    // this.fn 改成：
    this.middlewares = [] // 需要一个数组将每个中间件按顺序存放起来
    this.context = context
    this.request = request
    this.response = response
}
use (fn) {
    // this.fn = fn 改成：
    this.middlewares.push(fn) // 每次use，把当前回调函数存进数组
}
compose(middlewares, ctx){ // 简化版的compose，接收中间件数组、ctx对象作为参数
    function dispatch(index){ // 利用递归函数将各中间件串联起来依次调用
        if(index === middlewares.length) return // 最后一次next不能执行，不然会报错
        let middleware = middlewares[index] // 取当前应该被调用的函数
        middleware(ctx, () => dispatch(index + 1)) // 调用并传入ctx和下一个将被调用的函数，用户next()时执行该函数
    }
    dispatch(0)
}
handleRequest(req,res){
    res.statusCode = 404
    let ctx = this.createContext(req, res)
    // this.fn(ctx) 改成：
    this.compose(this.middlewares, ctx) // 调用compose，传入参数
    if(typeof ctx.body == 'object'){
        res.setHeader('Content-Type', 'application/json;charset=utf8')
        res.end(JSON.stringify(ctx.body))
    } else if (ctx.body instanceof Stream){
        ctx.body.pipe(res)
    }
    else if (typeof ctx.body === 'string' || Buffer.isBuffer(ctx.body)) {
        res.setHeader('Content-Type', 'text/htmlcharset=utf8')
        res.end(ctx.body)
    } else {
        res.end('Not found')
    }
}

再次测试上面打印123456的例子，可以正确的得到135642

第二步，把每个回调包装成Promise以实现异步。

compose(middlewares, ctx){
    function dispatch(index){
        if(index === middlewares.length) return Promise.resolve() // 若最后一个中间件，返回一个resolve的promise
        let middleware = middlewares[index]
        return Promise.resolve(middleware(ctx, () => dispatch(index + 1))) // 用Promise.resolve把中间件包起来
    }
    return dispatch(0)
}
handleRequest(req,res){
    res.statusCode = 404
    let ctx = this.createContext(req, res)
    let fn = this.compose(this.middlewares, ctx)
    fn.then(() => { // then了之后再进行判断
        if(typeof ctx.body == 'object'){
            res.setHeader('Content-Type', 'application/json;charset=utf8')
            res.end(JSON.stringify(ctx.body))
        } else if (ctx.body instanceof Stream){
            ctx.body.pipe(res)
        }
        else if (typeof ctx.body === 'string' || Buffer.isBuffer(ctx.body)) {
            res.setHeader('Content-Type', 'text/htmlcharset=utf8')
            res.end(ctx.body)
        } else {
            res.end('Not found')
        }
    }).catch(err => { // 监控错误发射error，用于app.on('error', (err) =>{})
        this.emit('error', err)
        res.statusCode = 500
        res.end('server error')
    })
}

完整application代码

let http = require('http')
let EventEmitter = require('events')
let context = require('./context')
let request = require('./request')
let response = require('./response')
let Stream = require('stream')
class Koa extends EventEmitter {
constructor () {
    super()
    this.middlewares = []
    this.context = context
    this.request = request
    this.response = response
}
use (fn) {
    this.middlewares.push(fn)
}
createContext(req, res){
    const ctx = Object.create(this.context)
    const request = ctx.request = Object.create(this.request)
    const response = ctx.response = Object.create(this.response)
    ctx.req = request.req = response.req = req
    ctx.res = request.res = response.res = res
    request.ctx = response.ctx = ctx
    request.response = response
    response.request = request
    return ctx
}
compose(middlewares, ctx){
    function dispatch (index) {
        if (index === middlewares.length) return Promise.resolve()
        let middleware = middlewares[index]
        return Promise.resolve(middleware(ctx, () => dispatch(index + 1)))
    }
    return dispatch(0)
}
handleRequest(req,res){
    res.statusCode = 404
    let ctx = this.createContext(req, res)
    let fn = this.compose(this.middlewares, ctx)
    fn.then(() => {
        if (typeof ctx.body == 'object') {
            res.setHeader('Content-Type', 'application/json;charset=utf8')
            res.end(JSON.stringify(ctx.body))
        } else if (ctx.body instanceof Stream) {
            ctx.body.pipe(res)
        } else if (typeof ctx.body === 'string' || Buffer.isBuffer(ctx.body)) {
            res.setHeader('Content-Type', 'text/htmlcharset=utf8')
            res.end(ctx.body)
        } else {
            res.end('Not found')
        }
    }).catch(err => {
        this.emit('error', err)
        res.statusCode = 500
        res.end('server error')
    })
}
listen (...args) {
    let server = http.createServer(this.handleRequest.bind(this))
        server.listen(...args)
    }
}

module.exports = Koa