学习 koa 源码的整体架构，浅析koa洋葱模型原理和co原理
前言
这是
学习源码整体架构系列第七篇。整体架构这词语好像有点大，姑且就算是源码整体结构吧，主要就是学习是代码整体结构，不深究其他不是主线的具体函数的实现。本篇文章学习的是实际仓库的代码。
学习源码整体架构系列文章如下：
1.学习 jQuery 源码整体架构，打造属于自己的 js 类库
2.学习 underscore 源码整体架构，打造属于自己的函数式编程类库
3.学习 lodash 源码整体架构，打造属于自己的函数式编程类库
4.学习 sentry 源码整体架构，打造属于自己的前端异常监控SDK
5.学习 vuex 源码整体架构，打造属于自己的状态管理库
6.学习 axios 源码整体架构，打造属于自己的请求库
感兴趣的读者可以点击阅读。
其他源码计划中的有：express、vue-rotuer、redux、 react-redux 等源码，不知何时能写完（哭泣），欢迎持续关注我（若川）。
源码类文章，一般阅读量不高。已经有能力看懂的，自己就看了。不想看，不敢看的就不会去看源码。
所以我的文章，尽量写得让想看源码又不知道怎么看的读者能看懂。
如果你简历上一不小心写了熟悉koa，面试官大概率会问：
1、
koa洋葱模型怎么实现的。
2、如果中间件中的next()方法报错了怎么办。
3、co的原理是怎样的。
等等问题
导读
文章通过例子调试koa，梳理koa的主流程，来理解koa-compose洋葱模型原理和co库的原理，相信看完一定会有所收获。
本文目录
本文学习的koa版本是v2.11.0。克隆的官方仓库的master分支。截至目前（2020年3月11日），最新一次commit是2020-01-04 07:41 Olle Jonsson eda27608，build: Drop unused Travis sudo: false directive (#1416)。
本文仓库在这里若川的 koa-analysis github 仓库 https://github.com/lxchuan12/koa-analysis。求个star呀。
本文阅读最佳方式
先star一下我的仓库，再把它git clone https://github.com/lxchuan12/koa-analysis.git克隆下来。不用管你是否用过nodejs。会一点点promise、generator、async、await等知识即可看懂。如果一点点也不会，可以边看阮一峰老师的《ES6标准入门》相关章节。跟着文章节奏调试和示例代码调试，动手调试（用vscode或者chrome）印象更加深刻。文章长段代码不用细看，可以调试时再细看。看这类源码文章百遍，可能不如自己多调试几遍。也欢迎加我微信交流lxchuan12。
# 克隆我的这个仓库
git clone https://github.com/lxchuan12/koa-analysis.git
# chrome 调试：
# 全局安装 http-server
npm i -g http-server
hs koa/examples/
# 可以指定端口 -p 3001
# hs -p 3001 koa/examples/
# 浏览器中打开
# 然后在浏览器中打开localhost:8080，开心的把代码调试起来
这里把这个examples文件夹做个简单介绍。
middleware文件夹是用来vscode调试整体流程的。simpleKoa文件夹是koa简化版，为了调试koa-compose洋葱模型如何串联起来各个中间件的。koa-convert文件夹是用来调试koa-convert和co源码的。co-generator文件夹是模拟实现co的示例代码。
vscode 调试 koa 源码方法
之前，我在知乎回答了一个问题一年内的前端看不懂前端框架源码怎么办？推荐了一些资料，阅读量还不错，大家有兴趣可以看看。主要有四点：
1.借助调试
2.搜索查阅相关高赞文章
3.把不懂的地方记录下来，查阅相关文档
4.总结
看源码，调试很重要，所以我详细写下 koa 源码调试方法，帮助一些可能不知道如何调试的读者。
# 我已经克隆到我的koa-analysis仓库了
git clone https://github.com/koajs/koa.git
// package.json
{
"name": "koa",
"version": "2.11.0",
"description": "Koa web app framework",
"main": "lib/application.js",
}
克隆源码后，看package.json找到main，就知道入口文件是lib/application.js了。
大概看完项目结构后发现没有examples文件夹（一般项目都会有这个文件夹，告知用户如何使用该项目），这时仔细看README.md。如果看英文README.md有些吃力，会发现在Community标题下有一个中文文档 v2.x。同时也有一个examples仓库。
# 我已经克隆下来到我的仓库了
git clone https://github.com/koajs/examples.git
这时再开心的把examples克隆到自己电脑。可以安装好依赖，逐个研究学习下这里的例子，然后可能就一不小心掌握了koa的基本用法。当然，我这里不详细写这一块了，我是自己手写一些例子来调试。
继续看文档会发现使用指南讲述编写中间件。
使用文档中的中间件koa-compose例子来调试
学习 koa-compose 前，先看两张图。
洋葱模型示意图
洋葱模型中间件示意图
在koa中，请求响应都放在中间件的第一个参数context对象中了。
再引用Koa中文文档中的一段：
如果您是前端开发人员，您可以将 next(); 之前的任意代码视为“捕获”阶段，这个简易的 gif 说明了 async 函数如何使我们能够恰当地利用堆栈流来实现请求和响应流：
中间件gif图
创建一个跟踪响应时间的日期
等待下一个中间件的控制
创建另一个日期跟踪持续时间
等待下一个中间件的控制
将响应主体设置为“Hello World”
计算持续时间
输出日志行
计算响应时间
设置
X-Response-Time头字段交给 Koa 处理响应
读者们看完这个gif图，也可以思考下如何实现的。根据表现，可以猜测是next是一个函数，而且返回的可能是一个promise，被await调用。
看到这个gif图，我把之前写的examples/koa-compose的调试方法含泪删除了。默默写上gif图上的这些代码，想着这个读者们更容易读懂。我把这段代码写在这里 koa/examples/middleware/app.js便于调试。
在项目路径下配置新建.vscode/launch.json文件，program配置为自己写的koa/examples/middleware/app.js文件。
按F5键开始调试，调试时先走主流程，必要的地方打上断点，不用一开始就关心细枝末节。
断点调试要领：
赋值语句可以一步跳过，看返回值即可，后续详细再看。
函数执行需要断点跟着看，也可以结合注释和上下文倒推这个函数做了什么。
上述比较啰嗦的写了一堆调试方法。主要是想着授人予鱼不如授人予渔，这样换成其他源码也会调试了。
简单说下chrome调试nodejs，chrome浏览器打开chrome://inspect，点击配置**configure...**配置127.0.0.1:端口号(端口号在Vscode 调试控制台显示了)。
更多可以查看English Debugging Guide
中文调试指南
喜欢看视频的读者也可以看慕课网这个视频node.js调试入门，讲得还是比较详细的。
不过我感觉在chrome调试nodejs项目体验不是很好（可能是我方式不对），所以我大部分具体的代码时都放在html文件script形式，在chrome调试了。
先看看 new Koa() 结果app是什么
看源码我习惯性看它的实例对象结构，一般所有属性和方法都放在实例对象上了，而且会通过原型链查找形式查找最顶端的属性和方法。
用koa/examples/middleware/app.js文件调试时，先看下执行new Koa()之后，app是什么，有个初步印象。
// 文件 koa/examples/middleware/app.js
const Koa = require('../../lib/application');
// const Koa = require('koa');
// 这里打个断点
const app = new Koa();
// x-response-time
// 这里打个断点
app.use(async (ctx, next) => {
});
在调试控制台ctrl + 反引号键（一般在Tab上方的按键）唤起，输入app，按enter键打印app。会有一张这样的图。
koa 实例对象调试图
VScode也有一个代码调试神器插件Debug Visualizer。
安装好后插件后，按ctrl + shift + p，输入Open a new Debug Visualizer View，来使用，输入app，显示是这样的。
koa 实例对象可视化简版
不过目前体验来看，相对还比较鸡肋，只能显示一级，而且只能显示对象，相信以后会更好。更多玩法可以查看它的文档。
我把koa实例对象比较完整的用xmind画出来了，大概看看就好，有个初步印象。
koa 实例对象
接着，我们可以看下app 实例、context、request、request的官方文档。
app 实例、context、request、request 官方API文档
index API | context API | request API | response API
可以真正使用的时候再去仔细看文档。
koa 主流程梳理简化
通过F5启动调试（直接跳到下一个断点处）、F10单步跳过、F11单步调试等，配合重要的地方断点，调试完整体代码，其实比较容易整理出如下主流程的代码。
class Emitter{
// node 内置模块
constructor(){
}
}
class Koa extends Emitter{
constructor(options){
super();
options = options || {};
this.middleware = [];
this.context = {
method: 'GET',
url: '/url',
body: undefined,
set: function(key, val){
console.log('context.set', key, val);
},
};
}
use(fn){
this.middleware.push(fn);
return this;
}
listen(){
const fnMiddleware = compose(this.middleware);
const ctx = this.context;
const handleResponse = () => respond(ctx);
const onerror = function(){
console.log('onerror');
};
fnMiddleware(ctx).then(handleResponse).catch(onerror);
}
}
function respond(ctx){
console.log('handleResponse');
console.log('response.end', ctx.body);
}
重点就在listen函数里的compose这个函数，接下来我们就详细来欣赏下这个函数。
koa-compose 源码（洋葱模型实现）
通过app.use() 添加了若干函数，但是要把它们串起来执行呀。像上文的gif图一样。
compose函数，传入一个数组，返回一个函数。对入参是不是数组和校验数组每一项是不是函数。
function compose (middleware) {
if (!Array.isArray(middleware)) throw new TypeError('Middleware stack must be an array!')
for (const fn of middleware) {
if (typeof fn !== 'function') throw new TypeError('Middleware must be composed of functions!')
}
// 传入对象 context 返回Promise
return function (context, next) {
// last called middleware #
let index = -1
return dispatch(0)
function dispatch (i) {
if (i <= index) return Promise.reject(new Error('next() called multiple times'))
index = i
let fn = middleware[i]
if (i === middleware.length) fn = next
if (!fn) return Promise.resolve()
try {
return Promise.resolve(fn(context, dispatch.bind(null, i + 1)));
} catch (err) {
return Promise.reject(err)
}
}
}
}
把简化的代码和koa-compose代码写在了一个文件中。koa/examples/simpleKoa/koa-compose.js
hs koa/examples/
# 然后可以打开localhost:8080/simpleKoa，开心的把代码调试起来
不过这样好像还是有点麻烦，我还把这些代码放在codepenhttps://codepen.io/lxchuan12/pen/wvarPEb中，直接可以在线调试啦。是不是觉得很贴心^_^，自己多调试几遍便于消化理解。
你会发现compose就是类似这样的结构（移除一些判断）。
// 这样就可能更好理解了。
// simpleKoaCompose
const [fn1, fn2, fn3] = this.middleware;
const fnMiddleware = function(context){
return Promise.resolve(
fn1(context, function next(){
return Promise.resolve(
fn2(context, function next(){
return Promise.resolve(
fn3(context, function next(){
return Promise.resolve();
})
)
})
)
})
);
};
fnMiddleware(ctx).then(handleResponse).catch(onerror);
也就是说
koa-compose返回的是一个Promise，Promise中取出第一个函数（app.use添加的中间件），传入context和第一个next函数来执行。
第一个next函数里也是返回的是一个Promise，Promise中取出第二个函数（app.use添加的中间件），传入context和第二个next函数来执行。
第二个next函数里也是返回的是一个Promise，Promise中取出第三个函数（app.use添加的中间件），传入context和第三个next函数来执行。
第三个...
以此类推。最后一个中间件中有调用next函数，则返回Promise.resolve。如果没有，则不执行next函数。这样就把所有中间件串联起来了。这也就是我们常说的洋葱模型。
不得不说非常惊艳，“玩还是大神会玩”。
这种把函数存储下来的方式，在很多源码中都有看到。比如lodash源码的惰性求值，vuex也是把action等函数存储下，最后才去调用。
搞懂了koa-compose 洋葱模型实现的代码，其他代码就不在话下了。
错误处理
中文文档 错误处理
仔细看文档，文档中写了三种捕获错误的方式。
ctx.onerror中间件中的错误捕获app.on('error', (err) => {})最外层实例事件监听形式 也可以看看例子koajs/examples/errors/app.js 文件app.onerror = (err) => {}重写onerror自定义形式 也可以看测试用例 onerror
// application.js 文件
class Application extends Emitter {
// 代码有简化组合
listen(){
const fnMiddleware = compose(this.middleware);
if (!this.listenerCount('error')) this.on('error', this.onerror);
const onerror = err => ctx.onerror(err);
fnMiddleware(ctx).then(handleResponse).catch(onerror);
}
onerror(err) {
// 代码省略
// ...
}
}
ctx.onerror
lib/context.js文件中，有一个函数onerror，而且有这么一行代码this.app.emit('error', err, this)。
module.exports = {
onerror(){
// delegate
// app 是在new Koa() 实例
this.app.emit('error', err, this);
}
}
app.use(async (ctx, next) => {
try {
await next();
} catch (err) {
err.status = err.statusCode || err.status || 500;
throw err;
}
});
try catch 错误或被fnMiddleware(ctx).then(handleResponse).catch(onerror);，这里的onerror是ctx.onerror
而ctx.onerror函数中又调用了this.app.emit('error', err, this)，所以在最外围app.on('error'，err => {})可以捕获中间件链中的错误。因为koa继承自events模块，所以有'emit'和on等方法）
koa2 和 koa1 的简单对比
中文文档中描述了 koa2 和 koa1 的区别
koa1中主要是generator函数。koa2中会自动转换generator函数。
// Koa 将转换
app.use(function *(next) {
const start = Date.now();
yield next;
const ms = Date.now() - start;
console.log(`${this.method} ${this.url} - ${ms}ms`);
});
koa-convert 源码
在vscode/launch.json文件，找到这个program字段，修改为"program": "${workspaceFolder}/koa/examples/koa-convert/app.js"。
通过F5启动调试（直接跳到下一个断点处）、F10单步跳过、F11单步调试调试走一遍流程。重要地方断点调试。
app.use时有一层判断，是否是generator函数，如果是则用koa-convert暴露的方法convert来转换重新赋值，再存入middleware，后续再使用。
class Koa extends Emitter{
use(fn) {
if (typeof fn !== 'function') throw new TypeError('middleware must be a function!');
if (isGeneratorFunction(fn)) {
deprecate('Support for generators will be removed in v3. ' +
'See the documentation for examples of how to convert old middleware ' +
'https://github.com/koajs/koa/blob/master/docs/migration.md');
fn = convert(fn);
}
debug('use %s', fn._name || fn.name || '-');
this.middleware.push(fn);
return this;
}
}
koa-convert源码挺多，核心代码其实是这样的。
function convert(){
return function (ctx, next) {
return co.call(ctx, mw.call(ctx, createGenerator(next)))
}
function * createGenerator (next) {
return yield next()
}
}
最后还是通过co来转换的。所以接下来看co的源码。
co 源码
tj大神写的co 仓库
本小节的示例代码都在这个文件夹koa/examples/co-generator中，hs koa/example，可以自行打开https://localhost:8080/co-generator调试查看。
看co源码前，先看几段简单代码。
// 写一个请求简版请求
function request(ms= 1000) {
return new Promise((resolve) => {
setTimeout(() => {
resolve({name: '若川'});
}, ms);
});
}
// 获取generator的值
function* generatorFunc(){
const res = yield request();
console.log(res, 'generatorFunc-res');
}
generatorFunc(); // 报告，我不会输出你想要的结果的
简单来说co，就是把generator自动执行，再返回一个promise。generator函数这玩意它不自动执行呀，还要一步步调用next()，也就是叫它走一步才走一步。
所以有了async、await函数。
// await 函数 自动执行
async function asyncFunc(){
const res = await request();
console.log(res, 'asyncFunc-res await 函数 自动执行');
}
asyncFunc(); // 输出结果
也就是说co需要做的事情，是让generator向async、await函数一样自动执行。
模拟实现简版 co（第一版）
这时，我们来模拟实现第一版的co。根据generator的特性，其实容易写出如下代码。
// 获取generator的值
function* generatorFunc(){
const res = yield request();
console.log(res, 'generatorFunc-res');
}
function coSimple(gen){
gen = gen();
console.log(gen, 'gen');
const ret = gen.next();
const promise = ret.value;
promise.then(res => {
gen.next(res);
});
}
coSimple(generatorFunc);
// 输出了想要的结果
// {name: "若川"}"generatorFunc-res"
模拟实现简版 co（第二版）
但是实际上，不会上面那么简单的。有可能是多个yield和传参数的情况。传参可以通过这如下两行代码来解决。
const args = Array.prototype.slice.call(arguments, 1);
gen = gen.apply(ctx, args);
两个yield，我大不了重新调用一下promise.then，搞定。
// 多个yeild，传参情况
function* generatorFunc(suffix = ''){
const res = yield request();
console.log(res, 'generatorFunc-res' + suffix);
const res2 = yield request();
console.log(res2, 'generatorFunc-res-2' + suffix);
}
function coSimple(gen){
const ctx = this;
const args = Array.prototype.slice.call(arguments, 1);
gen = gen.apply(ctx, args);
console.log(gen, 'gen');
const ret = gen.next();
const promise = ret.value;
promise.then(res => {
const ret = gen.next(res);
const promise = ret.value;
promise.then(res => {
gen.next(res);
});
});
}
coSimple(generatorFunc, ' 哎呀，我真的是后缀');
模拟实现简版 co（第三版）
问题是肯定不止两次，无限次的yield的呢，这时肯定要把重复的封装起来。而且返回是promise，这就实现了如下版本的代码。
function* generatorFunc(suffix = ''){
const res = yield request();
console.log(res, 'generatorFunc-res' + suffix);
const res2 = yield request();
console.log(res2, 'generatorFunc-res-2' + suffix);
const res3 = yield request();
console.log(res3, 'generatorFunc-res-3' + suffix);
const res4 = yield request();
console.log(res4, 'generatorFunc-res-4' + suffix);
}
function coSimple(gen){
const ctx = this;
const args = Array.prototype.slice.call(arguments, 1);
gen = gen.apply(ctx, args);
console.log(gen, 'gen');
return new Promise((resolve, reject) => {
onFulfilled();
function onFulfilled(res){
const ret = gen.next(res);
next(ret);
}
function next(ret) {
const promise = ret.value;
promise && promise.then(onFulfilled);
}
});
}
coSimple(generatorFunc, ' 哎呀，我真的是后缀');
但第三版的模拟实现简版co中，还没有考虑报错和一些参数合法的情况。
最终来看下co源码
这时来看看co的源码，报错和错误的情况，错误时调用reject，是不是就好理解了一些呢。
function co(gen) {
var ctx = this;
var args = slice.call(arguments, 1)
// we wrap everything in a promise to avoid promise chaining,
// which leads to memory leak errors.
// see https://github.com/tj/co/issues/180
return new Promise(function(resolve, reject) {
// 把参数传递给gen函数并执行
if (typeof gen === 'function') gen = gen.apply(ctx, args);
// 如果不是函数 直接返回
if (!gen || typeof gen.next !== 'function') return resolve(gen);
onFulfilled();
/**
* @param {Mixed} res
* @return {Promise}
* @api private
*/
function onFulfilled(res) {
var ret;
try {
ret = gen.next(res);
} catch (e) {
return reject(e);
}
next(ret);
}
/**
* @param {Error} err
* @return {Promise}
* @api private
*/
function onRejected(err) {
var ret;
try {
ret = gen.throw(err);
} catch (e) {
return reject(e);
}
next(ret);
}
/**
* Get the next value in the generator,
* return a promise.
*
* @param {Object} ret
* @return {Promise}
* @api private
*/
// 反复执行调用自己
function next(ret) {
// 检查当前是否为 Generator 函数的最后一步，如果是就返回
if (ret.done) return resolve(ret.value);
// 确保返回值是promise对象。
var value = toPromise.call(ctx, ret.value);
// 使用 then 方法，为返回值加上回调函数，然后通过 onFulfilled 函数再次调用 next 函数。
if (value && isPromise(value)) return value.then(onFulfilled, onRejected);
// 在参数不符合要求的情况下（参数非 Thunk 函数和 Promise 对象），将 Promise 对象的状态改为 rejected，从而终止执行。
return onRejected(new TypeError('You may only yield a function, promise, generator, array, or object, '
+ 'but the following object was passed: "' + String(ret.value) + '"'));
}
});
}
koa 和 express 简单对比
中文文档 koa 和 express 对比
文档里写的挺全面的。简单来说koa2语法更先进，更容易深度定制（egg.js、think.js、底层框架都是koa）。
总结
文章通过授人予鱼不如授人予鱼的方式，告知如何调试源码，看完了koa-compose洋葱模型实现，koa-convert和co等源码。
koa-compose是将app.use添加到middleware数组中的中间件（函数），通过使用Promise串联起来，next()返回的是一个promise。
koa-convert 判断app.use传入的函数是否是generator函数，如果是则用koa-convert来转换，最终还是调用的co来转换。
co源码实现原理：其实就是通过不断的调用generator函数的next()函数，来达到自动执行generator函数的效果（类似async、await函数的自动自行）。
koa框架总结：主要就是四个核心概念，洋葱模型（把中间件串联起来），http请求上下文（context）、http请求对象、http响应对象。
本文仓库在这里若川的 koa-analysis github 仓库 https://github.com/lxchuan12/koa-analysis。求个star呀。
git clone https://github.com/lxchuan12/koa-analysis.git
再强烈建议下按照本文阅读最佳方式，克隆代码下来，动手调试代码学习更加深刻。
如果读者发现有不妥或可改善之处，再或者哪里没写明白的地方，欢迎评论指出，也欢迎加我微信交流
lxchuan12。另外觉得写得不错，对您有些许帮助，可以点赞、评论、转发分享，也是对笔者的一种支持，万分感谢。
解答下开头的提问
仅供参考
1、
koa洋葱模型怎么实现的。
可以参考上文整理的简版koa-compose作答。
// 这样就可能更好理解了。
// simpleKoaCompose
const [fn1, fn2, fn3] = this.middleware;
const fnMiddleware = function(context){
return Promise.resolve(
fn1(context, function next(){
return Promise.resolve(
fn2(context, function next(){
return Promise.resolve(
fn3(context, function next(){
return Promise.resolve();
})
)
})
)
})
);
};
fnMiddleware(ctx).then(handleResponse).catch(onerror);
答：app.use() 把中间件函数存储在middleware数组中，最终会调用koa-compose导出的函数compose返回一个promise，中间函数的第一个参数ctx是包含响应和请求的一个对象，会不断传递给下一个中间件。next是一个函数，返回的是一个promise。
2、如果中间件中的
next()方法报错了怎么办。
可参考上文整理的错误处理作答。
ctx.onerror = function {
this.app.emit('error', err, this);
};
listen(){
const fnMiddleware = compose(this.middleware);
if (!this.listenerCount('error')) this.on('error', this.onerror);
const onerror = err => ctx.onerror(err);
fnMiddleware(ctx).then(handleResponse).catch(onerror);
}
onerror(err) {
// 代码省略
// ...
}
答：中间件链错误会由ctx.onerror捕获，该函数中会调用this.app.emit('error', err, this)（因为koa继承自events模块，所以有'emit'和on等方法），可以使用app.on('error', (err) => {})，或者app.onerror = (err) => {}进行捕获。
3、
co的原理是怎样的。
答：co的原理是通过不断调用generator函数的next方法来达到自动执行generator函数的，类似async、await函数自动执行。
答完，面试官可能觉得小伙子还是蛮懂koa的啊。当然也可能继续追问，直到答不出...
还能做些什么 ？
学完了整体流程，koa-compose、koa-convert和co的源码。
还能仔细看看看http请求上下文（context）、http请求对象、http响应对象的具体实现。
还能根据我文章说的调试方式调试koa 组织中的各种中间件，比如koa-bodyparser, koa-router，koa-jwt，koa-session、koa-cors等等。
还能把examples仓库克隆下来，我的这个仓库已经克隆了，挨个调试学习下源码。
web框架有很多，比如Express.js，Koa.js、Egg.js、Nest.js、Next.js、Fastify.js、Hapi.js、Restify.js、Loopback.io、Sails.js、Midway.js等等。
还能把这些框架的优势劣势、设计思想等学习下。
还能继续学习HTTP协议、TCP/IP协议网络相关，虽然不属于koa的知识，但需深入学习掌握。
学无止境~~~