👏Koa源码解析，带你实现一个迷你版Koa

前言

本文是我在阅读 Koa 源码后，并实现迷你版 Koa 的过程。如果你使用过 Koa 但不知道内部的原理，我想这篇文章应该能够帮助到你，实现一个迷你版的 Koa 不会很难。

本文会循序渐进的解析内部原理，包括：

1. 基础版本的 koa
2. context 的实现
3. 中间件原理及实现

文件结构

• application.js: 入口文件，里面包括我们常用的 use 方法、listen 方法以及对 ctx.body 做输出处理
• context.js: 主要是做属性和方法的代理，让用户能够更简便的访问到request和response的属性和方法
• request.js: 对原生的 req 属性做处理，扩展更多可用的属性和方法，比如：query 属性、get 方法
• response.js: 对原生的 res 属性做处理，扩展更多可用的属性和方法，比如：status 属性、set 方法

基础版本

用法：

const Coa = require('./coa/application')
const app = new Coa()

// 应用中间件
app.use((ctx) => {
  ctx.body = '<h1>Hello</h1>'
})

app.listen(3000, '127.0.0.1')

application.js:

const http = require('http')

module.exports = class Coa {
  use(fn) {
    this.fn = fn
  }
  // listen 只是语法糖  本身还是使用 http.createServer
  listen(...args) {
    const server = http.createServer(this.callback())
    server.listen(...args)
  }
  callback() {
    const handleRequest = (req, res) => {
      // 创建上下文
      const ctx = this.createContext(req, res)
      // 调用中间件
      this.fn(ctx)
      // 输出内容
      res.end(ctx.body)
    }
    return handleRequest
  }
  createContext(req, res) {
    let ctx = {}
    ctx.req = req
    ctx.res = res
    return ctx
  }
}

基础版本的实现很简单，调用 use 将函数存储起来，在启动服务器时再执行这个函数，并输出 ctx.body 的内容。

但是这样是没有灵魂的。接下来，实现 context 和中间件原理，Koa 才算完整。

Context

ctx 为我们扩展了很多好用的属性和方法，比如 ctx.query、ctx.set()。但它们并不是 context 封装的，而是在访问 ctx 上的属性时，它内部通过属性劫持将 request 和 response 内封装的属性返回。就像你访问 ctx.query，实际上访问的是 ctx.request.query。

说到劫持你可能会想到 Object.defineProperty，在 Kao 内部使用的是 ES6 提供的对象的 setter 和 getter，效果也是一样的。所以要实现 ctx，我们首先要实现 request 和 response。

在此之前，需要修改下 createContext 方法：

// 这三个都是对象
const context = require('./context')
const request = require('./request')
const response = require('./response')

module.exports = class Coa {
  constructor() {
    this.context = context
    this.request = request
    this.response = response
  }
  createContext(req, res) {
    const ctx = Object.create(this.context)
    // 将扩展的 request、response 挂载到 ctx 上
    // 使用 Object.create 创建以传入参数为原型的对象，避免添加属性时因为冲突影响到原对象
    const request = ctx.request = Object.create(this.request)
    const response = ctx.response = Object.create(this.response)
    
    ctx.app = request.app = response.app = this;
    // 挂载原生属性
    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
  }
}

上面一堆花里胡哨的赋值，是为了能通过多种途径获取属性。比如获取 query 属性，可以有 ctx.query、ctx.request.query、ctx.app.query 等等的方式。

如果你觉得看起来有点冗余，也可以主要理解这几行，因为我们实现源码时也就用到下面这些：

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

request.js：

const url = require('url')

module.exports = {
 /* 查看这两步操作
  * const request = ctx.request = Object.create(this.request)
  * ctx.req = request.req = response.req = req 
  * 
  * 此时的 this 是指向 ctx，所以这里的 this.req 访问的是原生属性 req
  * 同样，也可以通过 this.request.req 来访问
  */
  // 请求的 query 参数
  get query() {
    return url.parse(this.req.url).query
  },
  // 请求的路径
  get path() {
    return url.parse(this.req.url).pathname
  },
  // 请求的方法
  get method() {
    return this.req.method.toLowerCase()
  }
}

response

response.js：

module.exports = {
  // 这里的 this.res 也和上面同理 
  // 返回的状态码
  get status() {
    return this.res.statusCode
  },
  set status(val) {
    return this.res.statusCode = val
  },
  // 返回的输出内容
  get body() {
    return this._body
  },
  set body(val) {
    return this._body = val
  },
  // 设置头部
  set(filed, val) {
    if (typeof filed === 'string') {
      this.res.setHeader(filed, val)
    }
    if (toString.call(filed) === '[object Object]') {
      for (const key in filed) {
        this.set(key, filed[key])
      }
    }
  }
}

属性代理

通过上面的实现，我们可以使用 ctx.request.query 来访问到扩展的属性。但是在实际应用中，更常用的是 ctx.query。不过 query 是在 request 的属性，通过 ctx.query 是无法访问的。

这时只需稍微做个代理，在访问 ctx.query 时，将 ctx.request.query 返回就可以实现上面的效果。

context.js:

module.exports = {
    get query() {
        return this.request.query
    }
}

实际的代码中会有很多扩展的属性，总不可能一个一个去写吧。为了优雅的代理属性，Koa 使用 delegates 包实现。这里我就直接简单封装下代理函数，代理函数主要用到__defineGetter__ 和 __defineSetter__ 两个方法。

在对象上都会带有 __defineGetter__ 和 __defineSetter__，它们可以将一个函数绑定在当前对象的指定属性上，当属性被获取或赋值时，绑定的函数就会被调用。就像这样：

let obj = {}
let obj1 = {
    name: 'JoJo'
}
obj.__defineGetter__('name', function(){
    return obj1.name
})

此时访问 obj.name，获取到的是 obj1.name 的值。

了解这个两个方法的用处后，接下来开始修改 context.js：

const proto = module.exports = {
}

// getter代理
function delegateGetter(prop, name){
  proto.__defineGetter__(name, function(){
    return this[prop][name]
  })
}
// setter代理
function delegateSetter(prop, name){
  proto.__defineSetter__(name, function(val){
    return this[prop][name] = val
  })
}
// 方法代理
function delegateMethod(prop, name){
  proto[name] = function() {
    return this[prop][name].apply(this[prop], arguments)
  }
}

delegateGetter('request', 'query')
delegateGetter('request', 'path')
delegateGetter('request', 'method')

delegateGetter('response', 'status')
delegateSetter('response', 'status')
delegateGetter('response', 'body')
delegateSetter('response', 'body')
delegateMethod('response', 'set')

中间件原理

中间件思想是 Koa 最精髓的地方，为扩展功能提供很大的帮助。这也是它虽然小，却很强大的原因。还有一个优点，中间件使功能模块的职责更加分明，一个功能就是一个中间件，多个中间件组合起来成为一个完整的应用。

下面是著名的“洋葱模型”。这幅图很形象的表达了中间件思想的作用，它就像一个流水线一样，上游加工后的东西传递给下游，下游可以继续接着加工，最终输出加工结果。

原理分析

在调用 use 注册中间件的时候，内部会将每个中间件存储到数组中，执行中间件时，为其提供 next 参数。调用 next 即执行下一个中间件，以此类推。当数组中的中间件执行完毕后，再原路返回。就像这样:

app.use((ctx, next) => {
  console.log('1 start')
  next()
  console.log('1 end')
})

app.use((ctx, next) => {
  console.log('2 start')
  next()
  console.log('2 end')
})

app.use((ctx, next) => {
  console.log('3 start')
  next()
  console.log('3 end')
})

输出结果如下：

1 start
2 start
3 start
3 end
2 end
1 end

有点数据结构知识的同学，很快就想到这是一个“栈”结构，执行的顺序符合“先入后出”。

下面我将内部中间件实现原理进行简化，模拟中间件执行：

function next1() {
  console.log('1 start')
  next2()
  console.log('1 end')
}
function next2() {
  console.log('2 start')
  next3()
  console.log('2 end')
}
function next3() {
  console.log('3 start')
  console.log('3 end')
}
next1()

执行过程：

1. 调用 next1，将其入栈执行，输出 1 start
2. 遇到 next2 函数，将其入栈执行，输出 2 start
3. 遇到 next3 函数，将其入栈执行，输出 3 start
4. 输出 3 end，函数执行完毕，next3 弹出栈
5. 输出 2 end，函数执行完毕，next2 弹出栈
6. 输出 1 end，函数执行完毕，next1 弹出栈
7. 栈空，全部执行完毕

相信通过这个简单的例子，都大概明白中间件的执行过程了吧。

原理实现

中间件原理实现的关键点主要是 ctx 和 next 的传递。

function compose(middleware) {
  return function(ctx) {
    return dispatch(0)
    function dispatch(i){
      // 取出中间件
      let fn = middleware[i]
      if (!fn) {
        return
      }
      // dispatch.bind(null, i + 1) 为应用中间件接受到的 next
      // next 即下一个应用中间件
      fn(ctx, dispatch.bind(null, i + 1))
    }
  }
}

可以看到，实现过程本质是函数的递归调用。在内部实现时，其实 next 没有做什么神奇的操作，它就是下一个中间件调用的函数，作为参数传入供使用者调用。

下面我们来单独测试 compose，你可以将它粘贴到控制台上运行：

function next1(ctx, next) {
  console.log('1 start')
  next()
  console.log('1 end')
}
function next2(ctx, next) {
  console.log('2 start')
  next()
  console.log('2 end')
}
function next3(ctx, next) {
  console.log('3 start')
  next()
  console.log('3 end')
}

let ctx = {}
let fn = compose([next1, next2, next3])
fn(ctx)

最后，因为 Koa 中间件是可以使用 async/await 异步执行的，所以还需要修改下 compose 返回 Promise：

function compose(middleware) {
  return function(ctx) {
    return dispatch(0)
    function dispatch(i){
      // 取出中间件
      let fn = middleware[i]
      if (!fn) {
        return Promise.resolve()
      }
      // dispatch.bind(null, i + 1) 为应用中间件接受到的 next
      // next 即下一个应用中间件
      try {
        return Promise.resolve( fn(ctx, dispatch.bind(null, i + 1)) )
      } catch (error) {
        return Promise.reject(error)
      }
    }
  }
}

应用

实现完成中间件的逻辑后，将它应用到迷你版Koa中，原来的代码逻辑要做一些修改(部分代码忽略)

application.js:

module.exports = class Coa {
  constructor() {
    // 存储中间件的数组 
    this.middleware = []
  }

  use(fn) {
    if (typeof fn !== 'function') throw new TypeError('middleware must be a function!');
    // 将中间件加入数组
    this.middleware.push(fn)
    return this
  }
  
  listen(...args) {
    const server = http.createServer(this.callback())
    server.listen(...args)
  }

  callback() {
    const handleRequest = (req, res) => {
      // 创建上下文
      const ctx = this.createContext(req, res)
      // fn 为第一个应用中间件
      const fn = this.compose(this.middleware)
      // 在所有中间件执行完毕后 respond 函数用于处理 ctx.body 输出
      return fn(ctx).then(() => respond(ctx)).catch(console.error)
    }
    return handleRequest
  }
  
  compose(middleware) {
    return function(ctx) {
      return dispatch(0)
      function dispatch(i){
        let fn = middleware[i]
        if (!fn) {
          return Promise.resolve()
        }
        // dispatch.bind(null, i + 1) 为应用中间件接受到的 next
        try {
          return Promise.resolve(fn(ctx, dispatch.bind(null, i + 1)))
        } catch (error) {
          return Promise.reject(error)
        }
      }
    }
  }
}

function respond(ctx) {
  let res = ctx.res
  let body = ctx.body
  if (typeof body === 'string') {
    return res.end(body)
  }
  if (typeof body === 'object') {
    return res.end(JSON.stringify(body))
  }
}

完整实现

application.js:

const http = require('http')
const context = require('./context')
const request = require('./request')
const response = require('./response')

module.exports = class Coa {
  constructor() {
    this.middleware = []
    this.context = context
    this.request = request
    this.response = response
  }

  use(fn) {
    if (typeof fn !== 'function') throw new TypeError('middleware must be a function!');
    this.middleware.push(fn)
    return this
  }

  listen(...args) {
    const server = http.createServer(this.callback())
    server.listen(...args)
  }

  callback() {
    const handleRequest = (req, res) => {
      // 创建上下文
      const ctx = this.createContext(req, res)
      // fn 为第一个应用中间件
      const fn = this.compose(this.middleware)
      return fn(ctx).then(() => respond(ctx)).catch(console.error)
    }
    return handleRequest
  }

  // 创建上下文
  createContext(req, res) {
    const ctx = Object.create(this.context)
    // 处理过的属性
    const request = ctx.request = Object.create(this.request)
    const response = ctx.response = Object.create(this.response)
    // 原生属性
    ctx.app = request.app = response.app = this;
    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
  }

  // 中间件处理逻辑实现
  compose(middleware) {
    return function(ctx) {
      return dispatch(0)
      function dispatch(i){
        let fn = middleware[i]
        if (!fn) {
          return Promise.resolve()
        }
        // dispatch.bind(null, i + 1) 为应用中间件接受到的 next
        // next 即下一个应用中间件
        try {
          return Promise.resolve(fn(ctx, dispatch.bind(null, i + 1)))
        } catch (error) {
          return Promise.reject(error)
        }
      }
    }
  }
}

// 处理 body 不同类型输出
function respond(ctx) {
  let res = ctx.res
  let body = ctx.body
  if (typeof body === 'string') {
    return res.end(body)
  }
  if (typeof body === 'object') {
    return res.end(JSON.stringify(body))
  }
}

写在最后

本文的简单实现了 Koa 主要的功能。有兴趣最好还是自己去看源码，实现自己的迷你版 Koa。其实 Koa 的源码不算多，总共4个文件，全部代码包括注释也就 1800 行左右。而且逻辑不会很难，很推荐阅读，尤其适合源码入门级别的同学观看。

最后附上完整实现的代码：github