手写Express.js源码

上一篇文章我们讲了怎么用Node.js原生API来写一个web服务器，虽然代码比较丑，但是基本功能还是有的。但是一般我们不会直接用原生API来写，而是借助框架来做，比如本文要讲的Express。通过上一篇文章的铺垫，我们可以猜测，Express其实也没有什么黑魔法，也仅仅是原生API的封装，主要是用来提供更好的扩展性，使用起来更方便，代码更优雅。本文照例会从Express的基本使用入手，然后自己手写一个Express来替代他，也就是源码解析。

本文可运行代码已经上传GitHub，拿下来一边玩代码，一边看文章效果更佳：https://github.com/dennis-jiang/Front-End-Knowledges/tree/master/Examples/Node.js/Express

简单示例

使用Express搭建一个最简单的Hello World也是几行代码就可以搞定，下面这个例子来源官方文档：

const express = require('express');
const app = express();
const port = 3000;

app.get('/', (req, res) => {
  res.send('Hello World!');
});

app.listen(port, () => {
  console.log(`Example app listening at http://localhost:${port}`);
});

可以看到Express的路由可以直接用app.get这种方法来处理，比我们之前在http.createServer里面写一堆if优雅多了。我们用这种方式来改写下上一篇文章的代码：

const path = require("path");
const express = require("express");
const fs = require("fs");
const url = require("url");

const app = express();
const port = 3000;

app.get("/", (req, res) => {
  res.end("Hello World");
});

app.get("/api/users", (req, res) => {
  const resData = [
    {
      id: 1,
      name: "小明",
      age: 18,
    },
    {
      id: 2,
      name: "小红",
      age: 19,
    },
  ];
  res.setHeader("Content-Type", "application/json");
  res.end(JSON.stringify(resData));
});

app.post("/api/users", (req, res) => {
  let postData = "";
  req.on("data", (chunk) => {
    postData = postData + chunk;
  });

  req.on("end", () => {
    // 数据传完后往db.txt插入内容
    fs.appendFile(path.join(__dirname, "db.txt"), postData, () => {
      res.end(postData); // 数据写完后将数据再次返回
    });
  });
});

app.listen(port, () => {
  console.log(`Server is running on http://localhost:${port}/`);
});

Express还支持中间件，我们写个中间件来打印出每次请求的路径：

app.use((req, res, next) => {
  const urlObject = url.parse(req.url);
  const { pathname } = urlObject;

  console.log(`request path: ${pathname}`);

  next();
});

Express也支持静态资源托管，不过他的API是需要指定一个文件夹来单独存放静态资源的，比如我们新建一个public文件夹来存放静态资源，使用express.static中间件配置一下就行：

app.use(express.static(path.join(__dirname, 'public')));

然后就可以拿到静态资源了：

手写源码

手写源码才是本文的重点，前面的不过是铺垫，本文手写的目标就是自己写一个express来替换前面用到的express api，其实就是源码解析。在开始之前，我们先来看看用到了哪些API：

express()，第一个肯定是express函数，这个运行后会返回一个app的实例，后面用的很多方法都是这个app上的。

app.listen，这个方法类似于原生的server.listen，用来启动服务器。

app.get，这是处理路由的API，类似的还有app.post等。

app.use，这是中间件的调用入口，所有中间件都要通过这个方法来调用。

express.static，这个中间件帮助我们做静态资源托管，其实是另外一个库了，叫serve-static，因为跟Express架构关系不大，本文就先不讲他的源码了。

本文所有手写代码全部参照官方源码写成，方法名和变量名尽量与官方保持一致，大家可以对照着看，写到具体的方法时我也会贴出官方源码的地址。

express()

首先需要写的肯定是express()，这个方法是一切的开始，他会创建并返回一个app，这个app就是我们的web服务器。

// express.js
var mixin = require('merge-descriptors');
var proto = require('./application');

// 创建web服务器的方法
function createApplication() {
  // 这个app方法其实就是传给http.createServer的回调函数
  var app = function (req, res) {

  };

  mixin(app, proto, false);

  return app;
}

exports = module.exports = createApplication;

上述代码就是我们在运行express()的时候执行的代码，其实就是个空壳，返回的app暂时是个空函数，真正的app并没在这里，而是在proto上，从上述代码可以看出proto其实就是application.js，然后通过下面这行代码将proto上的东西都赋值给了app：

mixin(app, proto, false);

这行代码用到了一个第三方库merge-descriptors，这个库总共没有几行代码，做的事情也很简单，就是将proto上面的属性挨个赋值给app，对merge-descriptors源码感兴趣的可以看这里：https://github.com/component/merge-descriptors/blob/master/index.js。

Express这里之所以使用mixin，而不是普通的面向对象来继承，是因为它除了要mixin proto外，还需要mixin其他库，也就是需要多继承，我这里省略了，但是官方源码是有的。

express.js对应的源码看这里：https://github.com/expressjs/express/blob/master/lib/express.js

app.listen

上面说了，express.js只是一个空壳，真正的app在application.js里面，所以app.listen也是在这里。

// application.js

var app = exports = module.exports = {};

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

上面代码就是调用原生http模块创建了一个服务器，但是传的参数是this，这里的this是什么呢？回想一下我们使用express的时候是这样用的：

const app = express();

app.listen(3000);

所以listen方法的实际调用者是express()的返回值，也就是上面express.js里面createApplication的返回值，也就是这个函数:

var app = function (req, res) {
};

所以这里的this也是这个函数，所以我在express.js里面就加了注释，这个函数是http.createServer的回调函数。现在这个函数是空的，实际上他应该是整个web服务器的处理入口，所以我们给他加上处理的逻辑，在里面再加一行代码：

var app = function(req, res) {
  app.handle(req, res);    // 这是真正的服务器处理入口
};

app.handle

app.handle也是挂载在app下面的，所以他实际也在application.js这个文件里面，下面我们来看看他干了什么：

app.handle = function handle(req, res) {
  var router = this._router;

  // 最终的处理方法
  var done = finalhandler(req, res);

  // 如果没有定义router
  // 直接结束返回
  if (!router) {
    done();
    return;
  }

  // 有router，就用router来处理
  router.handle(req, res, done);
}

上面代码可以看出，实际处理路由的是router，这是Router的一个实例，并且挂载在this上的，我们这里还没有给他赋值，如果没有赋值的话，会直接运行finalhandler并且结束处理。finalhandler也是一个第三方库，GitHub链接在这里：https://github.com/pillarjs/finalhandler。这个库的功能也不复杂，就是帮你处理一些收尾的工作，比如所有路由都没匹配上，你可能需要返回404并记录下error log，这个库就可以帮你做。

app.get

上面说了，在具体处理网络请求时，实际上是用app._router来处理的，那么app._router是在哪里赋值的呢？事实上app._router的赋值有多个地方，一个地方就是HTTP动词处理方法上，比如我们用到的app.get或者app.post。无论是app.get还是app.post都是调用的router方法来处理，所以可以统一用一个循环来写这一类的方法。

// HTTP动词的方法
var methods = ['get', 'post'];
methods.forEach(function (method) {
  app[method] = function (path) {
    this.lazyrouter();

    var route = this._router.route(path);
    route[method].apply(route, Array.prototype.slice.call(arguments, 1));
    return this;
  }
});

上面代码HTTP动词都放到了一个数组里面，官方源码中这个数组也是一个第三方库维护的，名字就叫methods，GitHub地址在这里：https://github.com/jshttp/methods。我这个例子因为只需要两个动词，就简化了，直接用数组了。这段代码其实给app创建了跟每个动词同名的函数，所有动词的处理函数都是一样的，都是去调router里面的对应方法来处理。这种将不同部分抽取出来，从而复用共同部分的代码，有点像我之前另一篇文章写过的设计模式----享元模式。

我们注意到上面代码除了调用router来处理路由外，还有一行代码：

this.lazyrouter();

lazyrouter方法其实就是我们给this._router赋值的地方，代码也比较简单，就是检测下有没有_router，如果没有就给他赋个值，赋的值就是Router的一个实例：

app.lazyrouter = function lazyrouter() {
  if (!this._router) {
    this._router = new Router();
  }
}

app.listen，app.handle和methods处理方法都在application.js里面，application.js源码在这里:https://github.com/expressjs/express/blob/master/lib/application.js

Router

写到这里我们发现我们已经使用了Router的多个API，比如：

router.handle

router.route

route[method]

所以我们来看下Router这个类，下面的代码是从源码中简化出来的：

// router/index.js
var setPrototypeOf = require('setprototypeof');

var proto = module.exports = function () {
  function router(req, res, next) {
    router.handle(req, res, next);
  }

  setPrototypeOf(router, proto);

  return router;
}

这段代码对我来说是比较奇怪的，我们在执行new Router()的时候其实执行的是new proto()，new proto()并不是我奇怪的地方，奇怪的是他设置原型的方式。我之前在讲JS的面向对象的文章提到过如果你要给一个类加上类方法可以这样写：

function Class() {}

Class.prototype.method1 = function() {}

var instance = new Class();

这样instance.__proto__就会指向Class.prototype，你就可使用instance.method1了。

Express.js的上述代码其实也是实现了类似的效果，setprototypeof又是一个第三方库，作用类似Object.setPrototypeOf(obj, prototype)，就是给一个对象设置原型，setprototypeof存在的意义就是兼容老标准的JS，也就是加了一些polyfill，他的代码在这里。所以：

setPrototypeOf(router, proto);

这行代码的意思就是让router.__proto__指向proto，router是你在new proto()时的返回对象，执行了上面这行代码，这个router就可以拿到proto上的全部方法了。像router.handle这种方法就可以挂载到proto上了，成为proto.handle。

绕了一大圈，其实就是JS面向对象的使用，给router添加类方法，但是为什么使用这么绕的方式，而不是像我上面那个Class那样用呢？这我就不是很清楚了，可能有什么历史原因吧。

路由架构

Router的基本结构知道了，要理解Router的具体代码，我们还需要对Express的路由架构有一个整体的认识。就以我们这两个示例API来说：

get /api/users
post /api/users

我们发现他们的path是一样的，都是/api/users，但是他们的请求方法，也就是method不一样。Express里面将path这一层提取出来作为了一个类，叫做Layer。但是对于一个Layer，我们只知道他的path，不知道method的话，是不能确定一个路由的，所以Layer上还添加了一个属性route，这个route上也存了一个数组，数组的每个项存了对应的method和回调函数handle。整个结构你可以理解成这个样子：

const router = {
  stack: [
    // 里面很多layer
    {
      path: '/api/users'
      route: {
          stack: [
          // 里面存了多个method和回调函数
          {
            method: 'get',
            handle: function1
          },
          {
            method: 'post',
            handle: function2
          }
        ]
        }
    }
  ]
}

知道了这个结构我们可以猜到，整个流程可以分成两部分：注册路由和匹配路由。当我们写app.get和app.post这些方法时，其实就是在router上添加layer和route。当一个网络请求过来时，其实就是遍历layer和route，找到对应的handle拿出来执行。

注意route数组里面的结构，每个项按理来说应该使用一种新的数据结构来存储，比如routeItem之类的。但是Express并没有这样做，而是将它和layer合在一起了，给layer添加了method和handle属性。这在初次看源码的时候可能造成困惑，因为layer同时存在于router的stack上和route的stack上，肩负了两种职责。

router.route

这个方法是我们前面注册路由的时候调用的一个方法，回顾下前面的注册路由的方法，比如app.get：

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

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

结合上面讲的路由架构，我们在注册路由的时候，应该给router添加对应的layer和route，router.route的代码就不难写出了：

proto.route = function route(path) {
  var route = new Route();
  var layer = new Layer(path, route.dispatch.bind(route));     // 参数是path和回调函数

  layer.route = route;

  this.stack.push(layer);

  return route;
}

Layer和Route构造函数

上面代码新建了Route和Layer实例，这两个类的构造函数其实也挺简单的。只是参数的申明和初始化：

// layer.js
module.exports = Layer;

function Layer(path, fn) {
  this.path = path;

  this.handle = fn;
  this.method = '';
}

// route.js
module.exports = Route;

function Route() {
  this.stack = [];
  this.methods = {};    // 一个加快查找的hash表
}

route.get

前面我们看到了app.get其实通过下面这行代码，最终调用的是route.get：

route.get.apply(route, Array.prototype.slice.call(arguments, 1));

也知道了route.get这种动词处理函数，其实就是往route.stack上添加layer，那我们的route.get也可以写出来了：

var methods = ["get", "post"];
methods.forEach(function (method) {
  Route.prototype[method] = function () {
    // 支持传入多个回调函数
    var handles = flatten(slice.call(arguments));

    // 为每个回调新建一个layer，并加到stack上
    for (var i = 0; i < handles.length; i++) {
      var handle = handles[i];

      // 每个handle都应该是个函数
      if (typeof handle !== "function") {
        var type = toString.call(handle);
        var msg =
          "Route." +
          method +
          "() requires a callback function but got a " +
          type;
        throw new Error(msg);
      }

      // 注意这里的层级是layer.route.layer
      // 前面第一个layer已经做个path的比较了，所以这里是第二个layer，path可以直接设置为/
      var layer = new Layer("/", handle);
      layer.method = method;
      this.methods[method] = true; // 将methods对应的method设置为true，用于后面的快速查找
      this.stack.push(layer);
    }
  };
});

这样，其实整个router的结构就构建出来了，后面就看看怎么用这个结构来处理请求了，也就是router.handle方法。

router.handle

前面说了app.handle实际上是调用的router.handle，也知道了router的结构是在stack上添加了layer和router，所以router.handle需要做的就是从router.stack上找出对应的layer和router并执行回调函数：

// 真正处理路由的函数
proto.handle = function handle(req, res, done) {
  var self = this;
  var idx = 0;
  var stack = self.stack;

  // next方法来查找对应的layer和回调函数
  next();
  function next() {
    // 使用第三方库parseUrl获取path，如果没有path，直接返回
    var path = parseUrl(req).pathname;
    if (path == null) {
      return done();
    }

    var layer;
    var match;
    var route;

    while (match !== true && idx < stack.length) {
      layer = stack[idx++]; // 注意这里先执行 layer = stack[idx]; 再执行idx++;
      match = layer.match(path); // 调用layer.match来检测当前路径是否匹配
      route = layer.route;

      // 没匹配上，跳出当次循环
      if (match !== true) {
        continue;
      }

      // layer匹配上了，但是没有route，也跳出当次循环
      if (!route) {
        continue;
      }

      // 匹配上了，看看route上有没有对应的method
      var method = req.method;
      var has_method = route._handles_method(method);
      // 如果没有对应的method，其实也是没匹配上，跳出当次循环
      if (!has_method) {
        match = false;
        continue;
      }
    }

    // 循环完了还没有匹配的，就done了，其实就是404
    if (match !== true) {
      return done();
    }

    // 如果匹配上了，就执行对应的回调函数
    return layer.handle_request(req, res, next);
  }
};

上面代码还用到了几个Layer和Route的实例方法：

layer.match(path): 检测当前 layer的 path是否匹配。
route._handles_method(method)：检测当前route的method是否匹配。

layer.handle_request(req, res, next)：使用layer的回调函数来处理请求。

这几个方法看起来并不复杂，我们后面一个一个来实现。

到这里其实还有个疑问。从他整个的匹配流程来看，他寻找的其实是router.stack.layer这一层，但是最终应该执行的回调却是在router.stack.layer.route.stack.layer.handle。这是怎么通过router.stack.layer找到最终的router.stack.layer.route.stack.layer.handle来执行的呢？

这要回到我们前面的router.route方法：

proto.route = function route(path) {
  var route = new Route();
  var layer = new Layer(path, route.dispatch.bind(route));

  layer.route = route;

  this.stack.push(layer);

  return route;
}

这里我们new Layer的时候给的回调其实是route.dispatch.bind(route)，这个方法会再去route.stack上找到正确的layer来执行。所以router.handle真正的流程其实是：

找到path匹配的layer

拿出layer上的route，看看有没有匹配的method

layer和method都有匹配的，再调用route.dispatch去找出真正的回调函数来执行。

所以又多了一个需要实现的函数,route.dispatch。

layer.match

layer.match是用来检测当前path是否匹配的函数，用到了一个第三方库path-to-regexp，这个库可以将path转为正则表达式，方便后面的匹配，这个库在之前写过的react-router源码中也出现过。

var pathRegexp = require("path-to-regexp");

module.exports = Layer;

function Layer(path, fn) {
  this.path = path;

  this.handle = fn;
  this.method = "";

  // 添加一个匹配正则
  this.regexp = pathRegexp(path);
  // 快速匹配/
  this.regexp.fast_slash = path === "/";
}

然后就可以添加match实例方法了：

Layer.prototype.match = function match(path) {
  var match;

  if (path != null) {
    if (this.regexp.fast_slash) {
      return true;
    }

    match = this.regexp.exec(path);
  }

  // 没匹配上，返回false
  if (!match) {
    return false;
  }

  // 不然返回true
  return true;
};

layer.handle_request

layer.handle_request是用来调用具体的回调函数的方法，其实就是拿出layer.handle来执行：

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

  fn(req, res, next);
};

route._handles_method

route._handles_method就是检测当前route是否包含需要的method，因为之前添加了一个methods对象，可以用它来进行快速查找：

Route.prototype._handles_method = function _handles_method(method) {
  var name = method.toLowerCase();

  return Boolean(this.methods[name]);
};

route.dispatch

route.dispatch其实是router.stack.layer的回调函数，作用是找到对应的router.stack.layer.route.stack.layer.handle并执行。

Route.prototype.dispatch = function dispatch(req, res, done) {
  var idx = 0;
  var stack = this.stack; // 注意这个stack是route.stack

  // 如果stack为空，直接done
  // 这里的done其实是router.stack.layer的next
  // 也就是执行下一个router.stack.layer
  if (stack.length === 0) {
    return done();
  }

  var method = req.method.toLowerCase();

  // 这个next方法其实是在router.stack.layer.route.stack上寻找method匹配的layer
  // 找到了就执行layer的回调函数
  next();
  function next() {
    var layer = stack[idx++];
    if (!layer) {
      return done();
    }

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

    layer.handle_request(req, res, next);
  }
};

到这里其实Express整体的路由结构，注册和执行流程都完成了，贴下对应的官方源码：

Router类： https://github.com/expressjs/express/blob/master/lib/router/index.js
Layer类：https://github.com/expressjs/express/blob/master/lib/router/layer.js

Route类：https://github.com/expressjs/express/blob/master/lib/router/route.js

中间件

其实我们前面已经隐含了中间件，从前面的结构可以看出，一个网络请求过来，会到router的第一个layer，然后调用next到到第二个layer，匹配上layer的path就执行回调，然后一直这样把所有的layer都走完。所以中间件是啥？中间件就是一个layer，他的path默认是/，也就是对所有请求都生效。按照这个思路，代码就简单了：

// application.js

// app.use就是调用router.use
app.use = function use(fn) {
  var path = "/";

  this.lazyrouter();
  var router = this._router;
  router.use(path, fn);
};

然后在router.use里面再加一层layer就行了：

proto.use = function use(path, fn) {
  var layer = new Layer(path, fn);

  this.stack.push(layer);
};

总结

Express也是用原生APIhttp.createServer来实现的。
Express的主要工作是将http.createServer的回调函数拆出来了，构建了一个路由结构Router。
这个路由结构由很多层layer组成。
一个中间件就是一个layer。
路由也是一个layer，layer上有一个path属性来表示他可以处理的API路径。
path可能有不同的method，每个method对应layer.route上的一个layer。
layer.route上的layer虽然名字和router上的layer一样，但是功能侧重点并不一样，这也是源码中让人困惑的一个点。
layer.route上的layer的主要参数是method和handle，如果method匹配了，就执行对应的handle。
整个路由匹配过程其实就是遍历router.layer的一个过程。
每个请求来了都会遍历一遍所有的layer，匹配上就执行回调，一个请求可能会匹配上多个layer。
总体来看，Express代码给人的感觉并不是很完美，特别是Layer类肩负两种职责，跟软件工程强调的单一职责原则不符，这也导致Router，Layer，Route三个类的调用关系有点混乱。而且对于继承和原型的使用都是很老的方式。可能也是这种不完美催生了Koa的诞生，下一篇文章我们就来看看Koa的源码吧。
Express其实还对原生的req和res进行了扩展，让他们变得更好用，但是这个其实只相当于一个语法糖，对整体架构没有太大影响，所以本文就没涉及了。