Express 实现原理学习 - 简单模拟

2024-08-23 01:08
文章标签 简单 实现 学习 模拟 原理 express

本文主要是介绍Express 实现原理学习 - 简单模拟，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

本笔记通过模拟实现 Express 的一些功能学习 Express 的实现原理。

初始化应用

mkdir my-express
cd ./my-express
npm init -y
npm i express

添加 app.js：

// app.js
const express = require('express')const app = express()app.get('/', (req, res) => {res.end('get /')
})app.get('/about', (req, res) => {res.end('get /about')
})app.listen(3000, () => {console.log('server is running on http://localhost:3000')
})

源码结构

从 app.js 代码上看，首先会 require('express') 加载 Express 的 npm 包，它会去 node_modules/express/package.json 中寻找 main 字段。

main 字段指定模块的入口文件，如果没有 main 字段，则默认加载 npm 包根目录下的 index.js。

node_modules/express/index.js 中只是导入了另一个模块：

'use strict';
module.exports = require('./lib/express');

node_modules/express/lib/express.js 主要导出了一个 createApplication 方法

// 只截取了片段
// 主要导出了一个 `createApplication` 方法
exports = module.exports = createApplication;// 创建并返回 app
function createApplication() {// app 本身是一个函数var app = function(req, res, next) {app.handle(req, res, next);};// 通过 mixin 方法扩展其他成员mixin(app, EventEmitter.prototype, false);// proto --> require('./application')mixin(app, proto, false);// 扩展 requestapp.request = Object.create(req, {app: { configurable: true, enumerable: true, writable: true, value: app }})// 扩展 responseapp.response = Object.create(res, {app: { configurable: true, enumerable: true, writable: true, value: app }})app.init();return app;
}

createApplication 方法创建并返回一个 app 函数，内部通过 mixin 方法扩展了很多其他成员。

成员中最核心的东西在于 node_modules/express/lib/application.js，内部创建并返回了一个 app 对象，然后向这个对象上添加了很多成员，如 use、router、listen 等：

// 只截取了片段
var app = exports = module.exports = {};app.use = function use(fn) {...}
app.route = function route(path) {...}
app.listen = function listen() {...}

mixin 方法就是将 application.js 返回的 app 对象的成员混入到当前 createApplication 方法创建的 app 对象中。

其他还有：

  • 在 node 的 http 模块之上扩展了 request 和 response 对象：lib/request.js 和 lib/response.js
  • 内置了一些工具函数：lib/utils.js
  • 对模板引擎的相关设置处理：lib/view.js
  • 对路由的相关处理：lib/router
  • 内部的中间件：lib/middleware

接下来模仿 Express 的目录结构实现一些内容。

快速体验

在项目下创建 express 目录，实现模拟的 express，在目录下添加文件。

// express\index.js
module.exports = require('./lib/express')
// express\lib\express.js
const http = require('http')
const url = require('url')// 路由表
const routes = [// { path: '', method: '', handler: () => { } }
]function createApplication() {return {get(path, handler) {// 收集路由routes.push({path,method: 'get',handler,})},listen(...args) {const server = http.createServer((req, res) => {/* 接收到请求的时候处理路由 */const { pathname } = url.parse(req.url)const method = req.method.toLowerCase()const route = routes.find(route => route.path === pathname && route.method === method)if (route) {return route.handler(req, res)}res.end('404 Not Found.')})server.listen(...args)}}
}module.exports = createApplication

抽取创建 App 的模块

为了方便扩展 app，现在将内部的方法提取到一个构造函数中，通过 new 的方式创建实例，而将这些方法定义为 App 的实例方法。

// express\lib\application.js
const http = require('http')
const url = require('url')function App() {// 路由表this.routes = []
}App.prototype.get = function (path, handler) {// 收集路由this.routes.push({path,method: 'get',handler,})
}App.prototype.listen = function (...args) {const server = http.createServer((req, res) => {/* 接收到请求的时候处理路由 */const { pathname } = url.parse(req.url)const method = req.method.toLowerCase()const route = this.routes.find(route => route.path === pathname && route.method === method)if (route) {return route.handler(req, res)}res.end('404 Not Found.')})server.listen(...args)
}module.exports = App
// express\lib\express.js
const App = require('./application')function createApplication() {return new App()
}module.exports = createApplication

提取路由模块

源码：node_modules\express\lib\router\index.js

为了更方便的在 app 中对路由进行开发和管理，建议将路由相关处理封装到单独的模块中。

同样的，创建一个 Router 构造函数，所有和路由相关的都通过 Router 的路由实例进行。

// router\index.js
const url = require('url')function Router() {// 路由记录栈this.stack = []
}Router.prototype.get = function (path, handler) {this.stack.push({path,method: 'get',handler,})
}Router.prototype.handle = function (req, res) {const { pathname } = url.parse(req.url)const method = req.method.toLowerCase()const route = this.stack.find(route => route.path === pathname && route.method === method)if (route) {return route.handler(req, res)}res.end('404 Not Found.')
}module.exports = Router

路由表 routes 改为 express 中的命名 stack。

// express\lib\application.js
const http = require('http')
const Router = require('./router')function App() {// 路由表this._router = new Router()
}App.prototype.get = function (path, handler) {this._router.get(path, handler)
}App.prototype.listen = function (...args) {const server = http.createServer((req, res) => {this._router.handle(req, res)})server.listen(...args)
}module.exports = App

处理不同的请求方法

路由示例

// app.js
app.get('/', (req, res) => {res.end('get /')
})app.get('/about', (req, res) => {res.end('get /about')
})app.post('/about', (req, res) => {res.end('post /about')
})app.patch('/about', (req, res) => {res.end('patch /about')
})app.delete('/about', (req, res) => {res.end('delete /about')
})

Express 源码

每个 method 的请求处理逻辑是一样的，只是 method 名不一样，可以遍历常用请求方法，批量的添加处理逻辑。

express 内部使用 methods 包，它导出了 HTTP 常用的请求方法。

它只有一个 js 文件（node_modules\methods\index.js）：

'use strict';
// 导入 nodejs 原生模块 http
var http = require('http');// 优先 http 中支持的 methods，如果没有则导出手动整理的 methods
module.exports = getCurrentNodeMethods() || getBasicNodeMethods();// 获取 nodejs 原生模块 http 的 METHODS 属性
// 它标识 node 环境中支持的 HTTP 请求方法
// 将它们遍历小写处理并返回
function getCurrentNodeMethods() {return http.METHODS && http.METHODS.map(function lowerCaseMethod(method) {return method.toLowerCase();});
}// 手动整理 methods
function getBasicNodeMethods() {return ['get','post','put','head','delete','options','trace','copy','lock','mkcol','move','purge','propfind','proppatch','unlock','report','mkactivity','checkout','merge','m-search','notify','subscribe','unsubscribe','patch','search','connect'];
}

模拟实现

可以直接使用 methods 模块：

// express\lib\application.js
const http = require('http')
const Router = require('./router')
const methods = require('methods')function App() {// 路由表this._router = new Router()
}// 为每个请求方法添加处理函数
methods.forEach(method => {App.prototype[method] = function (path, handler) {this._router[method](path, handler)}
})App.prototype.listen = function (...args) {const server = http.createServer((req, res) => {this._router.handle(req, res)})server.listen(...args)
}module.exports = App
// router\index.js
const url = require('url')
const methods = require('methods')function Router() {// 路由记录栈this.stack = []
}// 为每个请求方法添加处理函数
methods.forEach(method => {Router.prototype[method] = function (path, handler) {this.stack.push({path,method,handler,})}
})Router.prototype.handle = function (req, res) {const { pathname } = url.parse(req.url)const method = req.method.toLowerCase()const route = this.stack.find(route => route.path === pathname && route.method === method)if (route) {return route.handler(req, res)}res.end('404 Not Found.')
}module.exports = Router

注意：当前可以直接使用这些第三方包是因为本项目安装了 express，所以安装了它的依赖。如果要单独发布自己实现的 express，应该在这个包的目录下安装依赖：

# 进入到模拟 express 的模块目录下
cd express
npm init -y
# 安装依赖
npm i methods
# 建议安装和 Express 一样的版本
# npm i methods@1.1.2

现在，在 express（模拟的）中加载 methods 的时候就会优先加载当前目录（/express）下的 node_modules/methods 了。

实现更强大的路由路径匹配模式

源码：node_modules\express\lib\router\layer.js

Express 内部支持路由路径的多种匹配模式：Route paths

路由示例

// app.js
app.get('/', function (req, res) {res.end('root')
})app.get('/about', function (req, res) {res.end('about')
})app.get('/random.text', function (req, res) {res.end('random.text')
})app.get('/ab?cd', function (req, res) {res.end('ab?cd')
})app.get('/ab+cd', function (req, res) {res.end('ab+cd')
})app.get('/ab*cd', function (req, res) {res.end('ab*cd')
})app.get('/ab(cd)?e', function (req, res) {res.end('ab(cd)?e')
})app.get(/a/, function (req, res) {res.end('/a/')
})app.get(/.*fly$/, function (req, res) {res.end('/.*fly$/')
})app.get('/users/:userId/books/:bookId', function (req, res) {res.end(req.params)
})

PS：response.send() 方法是 Express 在 nodejs http.ServerResponse 对象的基础上扩展的方法，当前还没有定义，http.ServerResponse 本身没有 .send() 方法，所以这里使用的 res.end()

Express 源码

Express 内部使用的 path-to-regexp 模块实现路由匹配，并且可以解析动态参数。

// node_modules\express\lib\router\layer.js
var pathRegexp = require('path-to-regexp');this.regexp = pathRegexp(path, this.keys = [], opts);

模拟实现

安装依赖

# 在 /express 目录下执行
# 注意：path-to-regexp 最新版已经不支持 Express 4 了，要安装老版本，版本号参考 Express 包下的 package.json
npm i path-to-regexp@0.1.7

处理路径

// router\index.js
const url = require('url')
const methods = require('methods')
const pathRegexp = require('path-to-regexp')function Router() {// 路由记录栈this.stack = []
}// 为每个请求方法添加处理函数
methods.forEach(method => {Router.prototype[method] = function (path, handler) {this.stack.push({path,method,handler,})}
})Router.prototype.handle = function (req, res) {const { pathname } = url.parse(req.url)const method = req.method.toLowerCase()const route = this.stack.find(route => {const keys = []// 基于配置的路由匹配规则，生成一个正则表达式const regexp = pathRegexp(route.path, keys, {})// 匹配实际请求路径的结果const match = regexp.exec(pathname)return match && route.method === method})if (route) {return route.handler(req, res)}res.end('404 Not Found.')
}module.exports = Router

处理动态路径参数

假设访问 '/users/:userId/books/:bookId' 路由地址： http://localhost:3000/users/tom/books/123。

path-to-regexp 会解析动态参数，将解析的参数名填充到传入的 keys 数组，参数值可以通过正则匹配后的结果中查看：

const keys = []
const regexp = pathRegexp(route.path, keys, {})
const match = regexp.exec(pathname)
console.log('keys =>',keys)
console.log('match =>',match)

打印结果：

keys => [{ name: 'userId', optional: false, offset: 8 },{ name: 'bookId', optional: false, offset: 30 }
]
match => ['/users/tom/books/123','tom','123',index: 0,input: '/users/tom/books/123',groups: undefined
]

所以可以将参数名和参数值映射在一起，挂载到 req.params 上：

// router\index.js
const route = this.stack.find(route => {const keys = []// 基于配置的路由匹配规则，生成一个正则表达式const regexp = pathRegexp(route.path, keys, {})// 匹配实际请求路径的结果const match = regexp.exec(pathname)// 解析动态参数if (match) {req.params = req.params || {}keys.forEach((key, index) => {req.params[key.name] = match[index + 1]})}return match && route.method === method
})

提取 Layer 处理模块

Express 源码

源码：node_modules\express\lib\router\layer.js

Express 中是将路由路径匹配单独封装到了一个模块中管理的。

// node_modules\express\lib\router\index.js
var layer = new Layer(path, {sensitive: this.caseSensitive,strict: this.strict,end: true
}, route.dispatch.bind(route));layer.route = route;// 路由栈里存储的 Layer 实例
this.stack.push(layer);
// 调用的 layer 的 match 方法进行匹配
layer = stack[idx++];
match = matchLayer(layer, path);

function matchLayer(layer, path) {try {return layer.match(path);} catch (err) {return err;}
}

// node_modules\express\lib\router\layer.js
module.exports = Layer;function Layer(path, options, fn) {if (!(this instanceof Layer)) {return new Layer(path, options, fn);}debug('new %o', path)var opts = options || {};this.handle = fn;this.name = fn.name || '<anonymous>';this.params = undefined;this.path = undefined;// 实例化时就生成了路由的正则表达式this.regexp = pathRegexp(path, this.keys = [], opts);// set fast path flagsthis.regexp.fast_star = path === '*'this.regexp.fast_slash = path === '/' && opts.end === false
}Layer.prototype.match = function match(path) {...}

模拟实现

// express\lib\router\layer.js
const pathRegexp = require('path-to-regexp')function Layer(path, handler) {this.path = paththis.handler = handlerthis.keys = []this.regexp = pathRegexp(path, this.keys, {})this.params = {}
}Layer.prototype.match = function (pathname) {const match = this.regexp.exec(pathname)if (match) {this.keys.forEach((key, index) => {this.params[key.name] = match[index + 1]})return true}return false
}module.exports = Layer
// router\index.js
const url = require('url')
const methods = require('methods')
const Layer = require('./layer')function Router() {// 路由记录栈this.stack = []
}// 为每个请求方法添加处理函数
methods.forEach(method => {Router.prototype[method] = function (path, handler) {const layer = new Layer(path, handler)layer.method = methodthis.stack.push(layer)}
})Router.prototype.handle = function (req, res) {const { pathname } = url.parse(req.url)const method = req.method.toLowerCase()const layer = this.stack.find(layer => {const match = layer.match(pathname)if (match) {req.params = req.params || {}Object.assign(req.params, layer.params)}return match && layer.method === method})if (layer) {return layer.handler(req, res)}res.end('404 Not Found.')
}module.exports = Router

实现单个处理函数的中间件功能

路由示例

app.get('/', (req, res, next) => {console.log(1)next()
}, (req, res, next) => {console.log(2)next()
}, (req, res, next) => {console.log(3)next()
})app.get('/', (req, res) => {// 响应res.end('get /')
})app.get('/foo', (req, res, next) => {console.log('foo 1')next()
})app.get('/foo', (req, res, next) => {console.log('foo 2')next()
})app.get('/foo', (req, res) => {// 响应res.end('get /foo')
})

模拟实现

不能直接遍历匹配到的每个路由的 handler，考虑到处理函数中可能有异步操作，可以自定义一个 next 方法（内部处理下一个路由），将其作为参数传递给 handler，由 handler 自己决定处理下一个路由（调用 next）的时机。

// router\index.js
const url = require('url')
const methods = require('methods')
const Layer = require('./layer')function Router() {// 路由记录栈this.stack = []
}// 为每个请求方法添加处理函数
methods.forEach(method => {Router.prototype[method] = function (path, handler) {const layer = new Layer(path, handler)layer.method = methodthis.stack.push(layer)}
})Router.prototype.handle = function (req, res) {const { pathname } = url.parse(req.url)const method = req.method.toLowerCase()let index = 0const next = () => {if (index >= this.stack.length) {return res.end(`Cannot GET ${pathname}`)}const layer = this.stack[index++]const match = layer.match(pathname)if (match) {req.params = req.params || {}Object.assign(req.params, layer.params)}if (match && layer.method === method) {return layer.handler(req, res, next)}// 如果当前请求没有匹配到路由，继续遍历下一个路由next()}// 调用执行next()
}module.exports = Router
// 访问 `/foo` 打印结果：
foo 1
foo 2// 访问 `/ 打印结果（只执行了每个路由的第一个处理函数）：
1

实现多个处理函数的中间件

思路分析

当前路由表 stack 中每项存储的是单独的 layer，分别包含一个处理函数 handler。

实际上 Express 在路由表（Router）中还存储了一份路由表（Route），表中存放的是为每个处理函数创建的 layer，这样就可以遍历每个路由的多个处理函数。

数据结构类似：

Routerstack [Layer 1 {path: 'xx', // 请求路径dispatch, // 处理方法，内部调用 Route 下的 dispatchRoute {stack [Layer { path: 'xx', method: 'xxx', handler: 'xxx' },Layer { path: 'xx', method: 'xxx', handler: 'xxx' },Layer { path: 'xx', method: 'xxx', handler: 'xxx' }],dispatch // 遍历调用 stack 中的 handler}},Layer 2 {path: 'xx', // 请求路径dispatch, // 处理方法Route {stack [Layer { path: 'xx', method: 'xxx', handler: 'xxx' },Layer { path: 'xx', method: 'xxx', handler: 'xxx' },Layer { path: 'xx', method: 'xxx', handler: 'xxx' }],dispatch // 遍历调用 stack 中的 handler}},]

组织数据结构

// express\lib\router\route.js
const methods = require('methods')
const Layer = require('./layer')function Route() {this.stack = [// { path, method, handler }]
}// 遍历执行当前路由对象中所有的处理函数
Route.prototype.dispatch = function () { }methods.forEach(method => {Route.prototype[method] = function (path, handlers) {handlers.forEach(handler => {const layer = new Layer(path, handler)layer.method = methodthis.stack.push(layer)})}
})module.exports = Route
// router\index.js
const url = require('url')
const methods = require('methods')
const Layer = require('./layer')
const Route = require('./route')function Router() {// 路由记录栈this.stack = []
}// 为每个请求方法添加处理函数
methods.forEach(method => {Router.prototype[method] = function (path, handlers) {const route = new Route()const layer = new Layer(path, route.dispatch.bind(route))layer.route = routethis.stack.push(layer)route[method](path, handlers)}
})Router.prototype.handle = function (req, res) {...}module.exports = Router
// express\lib\application.js
...methods.forEach(method => {// 接受全部处理函数App.prototype[method] = function (path, ...handlers) {this._router[method](path, handlers)}
})...

可以打印路由看看结果：

// app.js
app.get('/foo', (req, res) => {// 响应res.end('get /foo')
})console.log(app._router)

执行处理函数

Express 可以通过下面的 API 配置路由：

app.route('/foo').get((req, res) => {}).post((req, res) => {})

在执行处理函数的时候，在外层路由匹配路径，在内层路由匹配请求方法，所以这里将匹配 method 去掉：

// router\index.js
Router.prototype.handle = function (req, res) {...const next = () => {...// 顶层只匹配请求路径，内层匹配请求方法// if (match && layer.method === method) {if (match) {// 顶层调用的 handler 就是 route.dispatch 函数return layer.handler(req, res, next)}next()}next()
}

// express\lib\router\route.js
const methods = require('methods')
const Layer = require('./layer')...// 遍历执行当前路由对象中所有的处理函数
// 遍历内层的 stack，内层遍历结束就要返回到外层，所以第三个参数名取名 out 而不是 next
Route.prototype.dispatch = function (req, res, out) {const method = req.method.toLowerCase()let index = 0const next = () => {if (index >= this.stack.length) {return out()}const layer = this.stack[index++]if (layer.method === method) {return layer.handler(req, res, next)}next()}next()
}...module.exports = Route

再次访问 / 打印结果：

1
2
3

实现 use 方法

回顾使用规则

// 不验证请求方法和请求路径，任何请求都会处理
// app.use((req, res, next) => {
//   res.end('hello')
// })// 匹配的不是 `/foo`，而是以 `/foo` 作为前置路径的路由
// app.use('/foo', (req, res, next) => {
//   res.end('foo')
// })// 与不传第一个路径参数等效
// app.use('/', (req, res, next) => {
//   res.end('hello')
// })// 可以挂载多个请求处理函数
app.use('/', (req, res, next) => {console.log(1)next()
}, (req, res, next) => {console.log(2)next()
}, (req, res, next) => {res.end('hello')
})

模拟实现

// express\lib\application.js
App.prototype.use = function (path, ...handlers) {this._router.use(path, handlers)
}
// router\index.js
Router.prototype.use = function (path, handlers) {// 没有传路径的时候if (typeof path === 'function') {handlers.unshift(path)path = '/' // 任何路径都以它开头}handlers.forEach(handler => {const layer = new Layer(path, handler)// 标记是否是 use 类型的中间件layer.isUseMiddleware = truethis.stack.push(layer)})
}

// express\lib\router\layer.js
const pathRegexp = require('path-to-regexp')function Layer(path, handler) {this.path = paththis.handler = handlerthis.keys = []this.regexp = pathRegexp(path, this.keys, {})this.params = {}
}Layer.prototype.match = function (pathname) {const match = this.regexp.exec(pathname)if (match) {this.keys.forEach((key, index) => {this.params[key.name] = match[index + 1]})return true}// 匹配 use 中间件的路径if (this.isUseMiddleware) {if (this.path === '/') {return true}if (pathname.startsWith(`${this.path}/`)) {return true}}return false
}module.exports = Layer

这篇关于Express 实现原理学习 - 简单模拟的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！


http://www.chinasem.cn/article/1097920。

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