从头实现一个 koa 框架

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2018-04-05
原文链接:zhuanlan.zhihu.com

koajs是最流行的nodejs后端框架之一,有很多网站都使用koa进行开发,同时社区也涌现出了一大批基于koa封装的企业级框架。然而,在这些亮眼的成绩背后,作为核心引擎的koa代码库本身,却非常的精简,不得不让人惊叹于其巧妙的设计。

在平时的工作开发中,笔者是koa的重度用户,因此对其背后的原理自然也是非常感兴趣,因此在闲暇之余进行了研究。不过本篇文章,并不是源码分析,而是从相反的角度,向大家展示如何从头开发实现一个koa框架,在这个过程中,koa中最重要的几个概念和原理都会得到展现。相信大家在看完本文之后,会对koa有一个更深入的理解,同时在阅读本文之后再去阅读koa源码,思路也将非常的顺畅。

首先放出笔者实现的这个koa框架代码库地址:simpleKoa

需要说明的是,本文实现的koa是koa 2版本,也就是基于async/await的,因此需要node版本在7.6以上。如果读者的node版本较低,建议升级,或者安装babel-cli,利用其中的babel-node来运行例子。

四条主线

笔者认为,理解koa,主要需要搞懂四条主线,其实也是实现koa的四个步骤,分别是

  1. 封装node http Server
  2. 构造resquest, response, context对象
  3. 中间件机制
  4. 错误处理

下面就一一进行分析。

主线一:封装node http Server: 从hello world说起

首先,不考虑框架,如果使用原生http模块来实现一个返回hello world的后端app,代码如下:

let http = require('http');

let server = http.createServer((req, res) => {
    res.writeHead(200);
    res.end('hello world');
});

server.listen(3000, () => {
    console.log('listenning on 3000');
});

实现koa的第一步,就是对这个原生的过程进行封装,为此,我们首先创建application.js实现一个Application对象:

// application.js
let http = require('http');

class Application {

    /**
     * 构造函数
     */
    constructor() {
        this.callbackFunc;
    }

    /**
     * 开启http server并传入callback
     */
    listen(...args) {
        let server = http.createServer(this.callback());
        server.listen(...args);
    }

    /**
     * 挂载回调函数
     * @param {Function} fn 回调处理函数
     */
    use(fn) {
        this.callbackFunc = fn;
    }

    /**
     * 获取http server所需的callback函数
     * @return {Function} fn
     */
    callback() {
        return (req, res) => {
            this.callbackFunc(req, res);
        };
    }

}

module.exports = Application;

然后创建example.js:

let simpleKoa = require('./application');
let app = new simpleKoa();

app.use((req, res) => {
    res.writeHead(200);
    res.end('hello world');
});

app.listen(3000, () => {
    console.log('listening on 3000');
});

可以看到,我们已经初步完成了对于http server的封装,主要实现了app.use注册回调函数,app.listen语法糖开启server并传入回调函数了,典型的koa风格。

但是美中不足的是,我们传入的回调函数,参数依然使用的是reqres,也就是node原生的request和response对象,这些原生对象和api提供的方法不够便捷,不符合一个框架需要提供的易用性。因此,我们需要进入第二条主线了。

主线二:构造request, response, context对象

如果阅读koa文档,会发现koa有三个重要的对象,分别是request, response, context。其中request是对node原生的request的封装,response是对node原生response对象的封装,context对象则是回调函数上下文对象,挂载了koa request和response对象。下面我们一一来说明。

首先要明确的是,对于koa的request和response对象,只是提供了对node原生request和response对象的一些方法的封装,明确了这一点,我们的思路是,使用js的getter和setter属性,基于node的对象req/res对象封装koa的request/response对象。

规划一下我们要封装哪些易用的方法。这里在文章中为了易懂,姑且只实现以下方法:

对于simpleKoa request对象,实现query读取方法,能够读取到url中的参数,返回一个对象。

对于simpleKoa response对象,实现status读写方法,分别是读取和设置http response的状态码,以及body方法,用于构造返回信息。

而simpleKoa context对象,则挂载了request和response对象,并对一些常用方法进行了代理。

首先创建request.js:

// request.js
let url = require('url');

module.exports = {

    get query() {
        return url.parse(this.req.url, true).query;
    }

};

很简单,就是导出了一个对象,其中包含了一个query的读取方法,通过url.parse方法解析url中的参数,并以对象的形式返回。需要注意的是,代码中的this.req代表的是node的原生request对象,this.req.url就是node原生request中获取url的方法。稍后我们修改application.js的时候,会为koa的request对象挂载这个req。

然后创建response.js:

// response.js
module.exports = {

    get body() {
        return this._body;
    },

    /**
     * 设置返回给客户端的body内容
     *
     * @param {mixed} data body内容
     */
    set body(data) {
        this._body = data;
    },

    get status() {
        return this.res.statusCode;
    },

    /**
     * 设置返回给客户端的stausCode
     *
     * @param {number} statusCode 状态码
     */
    set status(statusCode) {
        if (typeof statusCode !== 'number') {
            throw new Error('statusCode must be a number!');
        }
        this.res.statusCode = statusCode;
    }

};

也很简单。status读写方法分别设置或读取this.res.statusCode。同样的,这个this.res是挂载的node原生response对象。而body读写方法分别设置、读取一个名为this._body的属性。这里设置body的时候并没有直接调用this.res.end来返回信息,这是考虑到koa当中我们可能会多次调用response的body方法覆盖性设置数据。真正的返回消息操作会在application.js中存在。

然后我们创建context.js文件,构造context对象的原型:

// context.js
module.exports = {

    get query() {
        return this.request.query;
    },

    get body() {
        return this.response.body;
    },

    set body(data) {
        this.response.body = data;
    },

    get status() {
        return this.response.status;
    },

    set status(statusCode) {
        this.response.status = statusCode;
    }

};

可以看到主要是做一些常用方法的代理,通过context.query直接代理了context.request.querycontext.bodycontext.status代理了context.response.bodycontext.response.status。而context.requestcontext.response则会在application.js中挂载。

由于context对象定义比较简单并且规范,当实现更多代理方法时候,这样一个一个通过声明的方式显然有点笨,js中,设置setter/getter,可以通过对象的__defineSetter____defineSetter__来实现。为此,我们精简了上面的context.js实现方法,精简版本如下:

let proto = {};

// 为proto名为property的属性设置setter
function delegateSet(property, name) {
    proto.__defineSetter__(name, function (val) {
        this[property][name] = val;
    });
}

// 为proto名为property的属性设置getter
function delegateGet(property, name) {
    proto.__defineGetter__(name, function () {
        return this[property][name];
    });
}

// 定义request中要代理的setter和getter
let requestSet = [];
let requestGet = ['query'];

// 定义response中要代理的setter和getter
let responseSet = ['body', 'status'];
let responseGet = responseSet;

requestSet.forEach(ele => {
    delegateSet('request', ele);
});

requestGet.forEach(ele => {
    delegateGet('request', ele);
});

responseSet.forEach(ele => {
    delegateSet('response', ele);
});

responseGet.forEach(ele => {
    delegateGet('response', ele);
});

module.exports = proto;

这样,当我们希望代理更多request和response方法的时候,可以直接向requestGet/requestSet/responseGet/responseSet数组中添加method的名称即可(前提是在request和response中实现了)。

最后让我们来修改application.js,基于刚才的3个对象原型来创建request, response, context对象:

// application.js
let http = require('http');
let context = require('./context');
let request = require('./request');
let response = require('./response');

class Application {

    /**
     * 构造函数
     */
    constructor() {
        this.callbackFunc;
        this.context = context;
        this.request = request;
        this.response = response;
    }

    /**
     * 开启http server并传入callback
     */
    listen(...args) {
        let server = http.createServer(this.callback());
        server.listen(...args);
    }

    /**
     * 挂载回调函数
     * @param {Function} fn 回调处理函数
     */
    use(fn) {
        this.callbackFunc = fn;
    }

    /**
     * 获取http server所需的callback函数
     * @return {Function} fn
     */
    callback() {
        return (req, res) => {
            let ctx = this.createContext(req, res);
            let respond = () => this.responseBody(ctx);
            this.callbackFunc(ctx).then(respond);
        };
    }

    /**
     * 构造ctx
     * @param {Object} req node req实例
     * @param {Object} res node res实例
     * @return {Object} ctx实例
     */
    createContext(req, res) {
        // 针对每个请求,都要创建ctx对象
        let ctx = Object.create(this.context);
        ctx.request = Object.create(this.request);
        ctx.response = Object.create(this.response);
        ctx.req = ctx.request.req = req;
        ctx.res = ctx.response.res = res;
        return ctx;
    }

    /**
     * 对客户端消息进行回复
     * @param {Object} ctx ctx实例
     */
    responseBody(ctx) {
        let content = ctx.body;
        if (typeof content === 'string') {
            ctx.res.end(content);
        }
        else if (typeof content === 'object') {
            ctx.res.end(JSON.stringify(content));
        }
    }

}

可以看到,最主要的是增加了createContext方法,基于我们之前创建的context 为原型,使用Object.create(this.context)方法创建了ctx,并同样通过Object.create(this.request)Object.create(this.response)创建了request/response对象并挂在到了ctx对象上面。此外,还将原生node的req/res对象挂载到了ctx.request.req/ctx.reqctx.response.res/ctx.res对象上。

回过头去看我们之前的context/request/response.js文件,就能知道当时使用的this.res或者this.response之类的是从哪里来的了,原来是在这个createContext方法中挂载到了对应的实例上。一张图来说明其中的关系:

构建了运行时上下文ctx之后,我们的app.use回调函数参数就都基于ctx了。

下面一张图描述了ctx对象的结构和继承关系:

最后回忆我们的ctx.body方法,并没有直接返回消息体,而是将消息存储在了一个变量属性中。为了每次回调函数处理结束之后返回消息,我们创建了responseBody方法,主要作用就是通过ctx.body读取存储的消息,然后调用ctx.res.end返回消息并关闭连接。从方法中知道,我们的body消息体可以是字符串,也可以是对象(会序列化为字符串返回)。注意这个方法的调用是在回调函数结束之后调用的,而我们的回调函数是一个async函数,其执行结束后会返回一个Promise对象,因此我们只需要在其后通过.then方法调用我们的responseBody即可,这就是this.callbackFunc(ctx).then(respond)的意义。

然后我们来测试一下目前为止的框架。修改example.js如下:

let simpleKoa = require('./application');
let app = new simpleKoa();

app.use(async ctx => {
    ctx.body = 'hello ' + ctx.query.name;
});

app.listen(3000, () => {
    console.log('listening on 3000');
});

可以看到这个时候我们通过app.use传入的已经不再是原生的function (req, res)回调函数,而是koa2中的async函数,接收ctx作为参数。为了测试,在浏览器访问localhost:3000?name=tom,可以看到返回了'hello tom',符合预期。

这里再插入分析一个知识概念。从刚才的实现中,我们知道了this.context是我们的中间件中上下文ctx对象的原型。因此在实际开发中,我们可以将一些常用的方法挂载到this.context上面,这样,在中间件ctx中,我们也可以方便的使用这些方法了,这个概念就叫做ctx的扩展,一个例子是阿里的egg.js框架已经把这个扩展机制作为一部分,融入到了框架开发中。

下面就展示一个例子,我们写一个echoData的方法作为扩展,传入errno, data, errmsg,能够给客户端返回结构化的消息结果:

let SimpleKoa = require('./application');
let app = new SimpleKoa();

// 对ctx进行扩展
app.context.echoData = function (errno = 0, data = null, errmsg = '') {
    this.res.setHeader('Content-Type', 'application/json;charset=utf-8');
    this.body = {
        errno: errno,
        data: data,
        errmsg: errmsg
    };
};

app.use(async ctx => {
    let data = {
        name: 'tom',
        age: 16,
        sex: 'male'
    }
    // 这里使用扩展,方便的返回utf-8格式编码,带有errno和errmsg的消息体
    ctx.echoData(0, data, 'success');
});

app.listen(3000, () => {
    console.log('listenning on 3000');
});

主线三:中间件机制

到目前为止,我们成功封装了http server,并构造了context, request, response对象。但最重要的一条主线却还没有实现,那就是koa的中间件机制。

关于koa的中间件洋葱执行模型,koa 1中使用的是generator + co.js执行的方式,koa 2中则使用了async/await。关于koa 1中的中间件原理,我曾写过一篇文章进行解释,请移步:深入探析koa之中间件流程控制篇

这里我们实现的是基于koa 2的,因此再描述一下原理。为了便于理解,假设我们有3个async函数:

async function m1(next) {
    console.log('m1');
    await next();
}

async function m2(next) {
    console.log('m2');
    await next();
}

async function m3() {
    console.log('m3');
}

我们希望能够构造出一个函数,实现的效果是让三个函数依次执行。首先考虑想让m2执行完毕后,await next()去执行m3函数,那么显然,需要构造一个next函数,作用是调用m3,然后作为参数传给m2

let next1 = async function () {
    await m3();
}

m2(next1);

// 输出:m2,m3

进一步,考虑从m1开始执行,那么,m1的next参数需要是一个执行m2的函数,并且给m2传入的参数是m3,下面来模拟:

let next1 = async function () {
    await m3();
}

let next2 = async function () {
    await m2(next1);
}

m1(next2);

// 输出:m1,m2,m3

那么对于n个async函数,希望他们按顺序依次执行呢?可以看到,产生nextn的过程能够抽象为一个函数:

function createNext(middleware, oldNext) {
    return async function () {
        await middleware(oldNext);
    }
}

let next1 = createNext(m3, null);
let next2 = createNext(m2, next1);
let next3 = createNext(m1, next2);

next3();

// 输出m1, m2, m3

进一步精简:

let middlewares = [m1, m2, m3];
let len = middlewares.length;

// 最后一个中间件的next设置为一个立即resolve的promise函数
let next = async function () {
    return Promise.resolve();
}
for (let i = len - 1; i >= 0; i--) {
    next = createNext(middlewares[i], next);
}

next();

// 输出m1, m2, m3

至此,我们也有了koa中间件机制实现的思路,新的application.js如下:

/**
 * @file simpleKoa application对象
 */
let http = require('http');
let context = require('./context');
let request = require('./request');
let response = require('.//response');

class Application {

    /**
     * 构造函数
     */
    constructor() {
        this.middlewares = [];
        this.context = context;
        this.request = request;
        this.response = response;
    }

    // ...省略中间 

    /**
     * 中间件挂载
     * @param {Function} middleware 中间件函数
     */
    use(middleware) {
        this.middlewares.push(middleware);
    }

    /**
     * 中间件合并方法,将中间件数组合并为一个中间件
     * @return {Function}
     */
    compose() {
        // 将middlewares合并为一个函数,该函数接收一个ctx对象
        return async ctx => {

            function createNext(middleware, oldNext) {
                return async () => {
                    await middleware(ctx, oldNext);
                }
            }

            let len = this.middlewares.length;
            let next = async () => {
                return Promise.resolve();
            };
            for (let i = len - 1; i >= 0; i--) {
                let currentMiddleware = this.middlewares[i];
                next = createNext(currentMiddleware, next);
            }

            await next();
        };
    }

    /**
     * 获取http server所需的callback函数
     * @return {Function} fn
     */
    callback() {
        return (req, res) => {
            let ctx = this.createContext(req, res);
            let respond = () => this.responseBody(ctx);
            let fn = this.compose();
            return fn(ctx).then(respond);
        };
    }

    // ...省略后面 

}

module.exports = Application;

可以看到,首先对app.use进行改造了,每次调用app.use,就向this.middlewares中push一个回调函数。然后增加了一个compose()方法,利用我们前文分析的原理,对middlewares数组中的函数进行组装,返回一个最终的函数。最后,在callback()方法中,调用compose()得到最终回调函数,并执行。

改写example.js验证一下中间件机制:

let simpleKoa = require('./application');
let app = new simpleKoa();

let responseData = {};

app.use(async (ctx, next) => {
    responseData.name = 'tom';
    await next();
    ctx.body = responseData;
});

app.use(async (ctx, next) => {
    responseData.age = 16;
    await next();
});

app.use(async ctx => {
    responseData.sex = 'male';
});

app.listen(3000, () => {
    console.log('listening on 3000');
});

// 返回{ name: "tom", age: 16, sex: "male"}

例子中一共三个中间件,分别对responseData增加了name, age, sex属性,最后返回该数据。

至此,一个koa框架基本已经浮出水面了,不过我们还需要进行最后一个主线的分析:错误处理。

主线四:错误处理

一个健壮的框架,必须保证在发生错误的时候,能够捕获错误并有降级方案返回给客户端。但显然现在我们的框架还做不到这一点,假设我们修改一下例子,我们的中间件中,有一个发生错误抛出了异常:

let simpleKoa = require('./application');
let app = new simpleKoa();

let responseData = {};
app.use(async (ctx, next) => {
    responseData.name = 'tom';
    await next();
    ctx.body = responseData;
});

app.use(async (ctx, next) => {
    responseData.age = 16;
    await next();
});

app.use(async ctx => {
    responseData.sex = 'male';
    // 这里发生了错误,抛出了异常
    throw new Error('oooops');
});

app.listen(3000, () => {
    console.log('listening on 3000');
});

这个时候访问浏览器,是得不到任何响应的,这是因为异常并没有被我们的框架捕获并进行降级处理。回顾我们application.js中的中间件执行代码:

// application.js
// ...
    callback() {
        return (req, res) => {
            let ctx = this.createContext(req, res);
            let respond = () => this.responseBody(ctx);
            let fn = this.compose();
            return fn(ctx).then(respond);
        };
    }
// ...

其中我们知道,fn是一个async函数,执行后返回一个promise,回想promise的错误处理是怎样的?没错,我们只需要定义一个onerror函数,里面进行错误发生时候的降级处理,然后在promise的catch方法中引用这个函数即可。

于此同时,回顾koa框架,我们知道在错误发生的时候,app对象可以通过app.on('error', callback)订阅错误事件,这有助于我们几种处理错误,比如打印日志之类的操作。为此,我们也要对Application对象进行改造,让其继承nodejs中的events对象,然后在onerror方法中emit错误事件。改造后的application.js如下:

/**
 * @file simpleKoa application对象
 */

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

class Application extends EventEmitter {

    /**
     * 构造函数
     */
    constructor() {
        super();
        this.middlewares = [];
        this.context = context;
        this.request = request;
        this.response = response;
    }

    // ...

    /**
     * 获取http server所需的callback函数
     * @return {Function} fn
     */
    callback() {
        return (req, res) => {
            let ctx = this.createContext(req, res);
            let respond = () => this.responseBody(ctx);
            let onerror = (err) => this.onerror(err, ctx);
            let fn = this.compose();
            // 在这里catch异常,调用onerror方法处理异常
            return fn(ctx).then(respond).catch(onerror);
        };
    }

    // ... 

    /**
     * 错误处理
     * @param {Object} err Error对象
     * @param {Object} ctx ctx实例
     */
    onerror(err, ctx) {
        if (err.code === 'ENOENT') {
            ctx.status = 404;
        }
        else {
            ctx.status = 500;
        }
        let msg = err.message || 'Internal error';
        ctx.res.end(msg);
        // 触发error事件
        this.emit('error', err);
    }

}

module.exports = Application;

可以看到,onerror方法的对异常的处理主要是获取异常状态码,当err.code为'ENOENT'的时候,返回的消息头设置为404,否则默认设置为500,然后消息体设置为err.message,如果异常中message属性为空,则默认消息体设置为'Internal error'。此后调用ctx.res.end返回消息,这样就能保证即使异常情况下,客户端也能收到返回值。最后通过this.emit出发error事件。

然后我们写一个example来验证错误处理:

let simpleKoa = require('./application');
let app = new simpleKoa();

app.use(async ctx => {
    throw new Error('ooops');
});

app.on('error', (err) => {
    console.log(err.stack);
});

app.listen(3000, () => {
    console.log('listening on 3000');
});

浏览器访问'localhost:3000'的时候,得到返回'ooops',同时http状态码为500 。同时app.on('error')订阅到了异常事件,在回调函数中打印出了错误栈信息。

关于错误处理,这里多说一点。虽然koa中内置了错误处理机制,但是实际业务开发中,我们往往希望能够自定义错误处理方式,这个时候,比较好的办法是在最开头增加一个错误捕获中间件,然后根据错误进行定制化的处理,比如:

// 错误处理中间件
app.use(async (ctx, next) => {
    try {
        await next();
    }
    catch (err) {
        // 在这里进行定制化的错误处理
    }
});
// ...其他中间件

至此,我们就完整实现了一个轻量版的koa框架。

结语

完整的simpleKoa代码库地址为:simpleKoa,里面还附带了一些example。

理解了这个轻量版koa的实现原理,读者还可以去看看koa的源码,会发现机制和我们实现的框架是非常类似的,无非是多了一些细节,比如说,完整koa的context/request/response方法上面挂载了更多好用的method,或者很多方法中容错处理更好等等。具体在本文中就不展开讲了,留给感兴趣的读者去探索吧~。

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