三步法解析Express源码

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在抖音上有幸看到一个程序员讲述如何阅读源代码，主要分为三步：领悟思想、把握设计、体会细节。

  1. 领悟思想：只需体会作者设计框架的初衷和目的
  2. 把握设计：只需体会代码的接口和抽象类以及宏观的设计
  3. 体会细节：是基于顶层的抽象接口设计，逐渐展开代码的画卷

基于上述三步法，迫不及待的拿Express开刀了。本次源码解析有什么不到位的地方各位读者可以在下面留言，我们一起交流。

一、领悟思想

在Express中文网上，介绍Express是基于Node.js平台，快速、开放、极简的Web开发框架。在这句话里面可以得到解读出以下几点含义：

  1. Express是基于Node.js平台，并且具备快速、极简的特点，说明其初衷就是为了通过扩展Node的功能来提高开发效率。
  2. 开放的特点说明该框架不会对开发者过多的限制，可以自由的发挥想象进行功能的扩展。
  3. Express是Web开发框架，说明作者的定位就是为了更加方便的帮助我们处理HTTP的请求和响应。

二、把握设计

理解了作者设计的思想，下面从源码目录、核心设计原理及抽象接口三个层面来对Express进行整体的把握。

2.1 源码目录

如下所示是Express的源码目录，相比较来说还是比较简单的。

├─application.js---创建Express应用后可直接调用的api均在此处（核心）
├─express.js---入口文件，创建一个Express应用
├─request.js---丰富了http中request实例上的功能
├─response.js---丰富了http中response实例上的功能
├─utils.js---工具函数
├─view.js---与模板渲染相关的内容
├─router---与路由相关的内容（核心）
| ├─index.js
| ├─layer.js
| └route.js
├─middleware---与中间件相关的内容
| ├─init.js---会将新增加在request和response新增加的功能挂载到原始请求的request和response的原型上
| └query.js---将请求url中的query部分添加到request的query属性上

2.2 抽象接口

对源码的目录结构有了一定了解，下面利用UML类图对该系统各个模块的依赖关系进一步了解，为后续源码分析打好基础。

2.3 设计原理

这一部分是整个Express框架的核心，下图是整个框架的运行流程，一看是不是很懵逼，为了搞清楚这一部分，需要明确四个概念：Application、Router、Layer、Route。

为了明确上述四个概念，先引入一段代码

const express = require('./express');
const res = require('./response');
const app = express();
app.get('/test1', (req, res, next) => {
    console.log('one');
    next();
}, (req, res) => {
    console.log('two');
    res.end('two');
})
app.get('/test2', (req, res, next) => {
    console.log('three');
    next();
}, (req, res) => {
    console.log('four');
    res.end('four');
})
app.listen(3000);
  1. Application
    表示一个Express应用，通过express()即可进行创建。
  2. Router
    路由系统，用于调度整个系统的运行，在上述代码中该路由系统包含app.get('/test1',……)和app.get('/test2',……)两大部分
  3. Layer
    代表一层，对于上述代码中app.get('/test1',……)和app.get('/test2',……)都可以成为一个Layer
  4. Route
    一个Layer中会有多个处理函数的情况，这多个处理函数构成了Route，而Route中的每一个函数又成为Route中的Layer。对于上述代码中，app.get('/test1',……)中的两个函数构成一个Route，每个函数又是Route中的Layer。

了解完上述概念后，结合该幅图，就大概能对整个流程有了直观感受。首先启动服务，然后客户端发起了http://localhost:3000/test2的请求，该过程应该如何运行呢？

  1. 启动服务时会依次执行程序，将该路由系统中的路径、请求方法、处理函数进行存储（这些信息根据一定结构存储在Router、Layer和Route中）
  2. 对相应的地址进行监听，等待请求到达。
  3. 请求到达，首先根据请求的path去从上到下进行匹配，路径匹配正确则进入该Layer，否则跳出该Layer。
  4. 若匹配到该Layer，则进行请求方式的匹配，若匹配方式匹配正确，则执行该对应Route中的函数。

上述解释的比较简单，后续会在细节部分进一步阐述。

三、体会细节

通过上述对Express设计原理的分析，下面将从两个方面做进一步的源码解读，下面流程图是一个常见的Express项目的过程，首先会进行app实例初始化、然后调用一系列中间件，最后建立监听。对于整个工程的运行来说，主要分为两个阶段：初始化阶段、请求处理阶段，下面将以app.get()为例来阐述一下该核心细节。

3.1 初始化阶段

下面利用app.get()这个路由来了解一下工程的初始化阶段。

  1. 首先来看一下app.get()的内容(源代码中app.get()是通过遍历methods的方式产生)

    app.get = function(path){
    // ……
    this.lazyrouter();

    var route = this._router.route(path);
    route.get.apply(route, slice.call(arguments, 1));
    return this;
};

  2. 在app.lazyrouter()会完成router的实例化过程

    app.lazyrouter = function lazyrouter() {
  if (!this._router) {
    this._router = new Router({
      caseSensitive: this.enabled('case sensitive routing'),
      strict: this.enabled('strict routing')
    });

    // 此处会使用一些中间件
    this._router.use(query(this.get('query parser fn')));
    this._router.use(middleware.init(this));
  }
};

    注意：该过程中其实是利用了单例模式，保证整个过程中获取router实例的唯一性。

  3. 调用router.route()方法完成layer的实例化、处理及保存，并返回实例化后的route。(注意源码中是proto.route)

    router.prototype.route = function route(path) {
  var route = new Route(path);
  var layer = new Layer(path, {
    sensitive: this.caseSensitive,
    strict: this.strict,
    end: true
  }, route.dispatch.bind(route));

  layer.route = route;// 把route放到layer上

  this.stack.push(layer); // 把layer放到数组中
  return route;
};

  4. 将该app.get()中的函数存储到route的stack中。(注意源码中也是通过遍历method的方式将get挂载到route的prototype上)

    Route.prototype.get = function(){
    var handles = flatten(slice.call(arguments));

    for (var i = 0; i < handles.length; i++) {
      var handle = handles[i];
      // ……
      // 给route添加layer，这个层中需要存放方法名和handler
      var layer = Layer('/', {}, handle);
      layer.method = method;

      this.methods[method] = true;
      this.stack.push(layer);
    }

    return this;
  };

注意：上述代码均删除了源码中一些异常判断逻辑，方便读者看清整体框架。

通过上述的分析，可以看出初始化阶段主要做了两件事情：

  1. 将路由处理方式（app.get()、app.post()……）、app.use()等划分为路由系统中的一个Layer。
  2. 对于每一个层中的处理函数全部存储至Route对象中，一个Route对象与一个Layer相互映射。

3.2 请求处理阶段

当服务启动后即进入监听状态，等待请求到达后进行处理。

  1. app.listen()使服务进入监听状态（实质上是调用了http模块）

    app.listen = function listen() {
  var server = http.createServer(this);
  return server.listen.apply(server, arguments);
};

  2. 当连接建立会调用app实例，app实例中会立即执行app.handle()函数，app.handle()函数会立即调用路由系统的处理函数router.handle()

    app.handle = function handle(req, res, callback) {
  var router = this._router;
  // 如果路由系统中处理不了这个请求，就调用done方法
  var done = callback || finalhandler(req, res, {
    env: this.get('env'),
    onerror: logerror.bind(this)
  });
  //……
  router.handle(req, res, done);
};

  3. router.handle()主要是根据路径获取是否有匹配的layer，当匹配到之后则调用layer.prototype.handle_request()去执行route中内容的处理

    router.prototype.handle = function handle(req, res, out) {
  // 这个地方参数out就是done，当所有都匹配不到，就从路由系统中出来，名字很形象
  var self = this;
  // ……
  var stack = self.stack;
  
  // ……

  next();

  function next(err) {
    // ……
    // get pathname of request
    var path = getPathname(req);

    // find next matching layer
    var layer;
    var match;
    var route;

    while (match !== true && idx < stack.length) {
      layer = stack[idx++];
      match = matchLayer(layer, path);
      route = layer.route;
      // ……
    }

    // no match
    if (match !== true) {
      return done(layerError);
    }
    // ……

    // Capture one-time layer values
    req.params = self.mergeParams
      ? mergeParams(layer.params, parentParams)
      : layer.params;
    var layerPath = layer.path;

    // this should be done for the layer
    self.process_params(layer, paramcalled, req, res, function (err) {
      if (err) {
        return next(layerError || err);
      }

      if (route) {
        return layer.handle_request(req, res, next);
      }

      trim_prefix(layer, layerError, layerPath, path);
    });
  }

  function trim_prefix(layer, layerError, layerPath, path) {
    // ……

    if (layerError) {
      layer.handle_error(layerError, req, res, next);
    } else {
      layer.handle_request(req, res, next);
    }
  }
};

  4. layer.handle_request()会调用route.dispatch()触发route中内容的执行

    Layer.prototype.handle_request = function handle(req, res, next) {
  var fn = this.handle;

  if (fn.length > 3) {
    // not a standard request handler
    return next();
  }

  try {
    fn(req, res, next);
  } catch (err) {
    next(err);
  }
};

  5. route中的通过判断请求的方法和route中layer的方法是否匹配，匹配的话则执行相应函数，若所有route中的layer都不匹配，则调到外层的layer中继续执行。

    Route.prototype.dispatch = function dispatch(req, res, done) {
  var idx = 0;
  var stack = this.stack;
  if (stack.length === 0) {
    return done();
  }

  var method = req.method.toLowerCase();
  // ……
    
  next();
  // 此next方法是用户调用的next，如果调用next会执行内层的next方法，如果没有匹配到会调用外层的next方法
  function next(err) {
    // ……

    var layer = stack[idx++];
    if (!layer) {
      return done(err);
    }

    if (layer.method && layer.method !== method) {
      return next(err);
    }

    // 如果当前route中的layer的方法匹配到了，执行此layer上的handler
    if (err) {
      layer.handle_error(err, req, res, next);
    } else {
      layer.handle_request(req, res, next);
    }
  }
};

通过上述的分析，可以看出初始化阶段主要做了两件事情：

  1. 首先判断layer中的path和请求的path是否一致，一致则会进入route进行处理，否则调到下一层layer

  2. 在route中会判断route中的layer与请求方法是否一致，一致的话则函数执行，否则不执行，所有route中的layer执行完后跳到下层的layer进行执行。

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