玩转Koa之koa-router原理解析

一、前言

Koa为了保持自身的简洁，并没有捆绑中间件。但是在实际的开发中，我们需要和形形色色的中间件打交道，本文将要分析的是经常用到的路由中间件 -- koa-router。

如果你对Koa的原理还不了解的话，可以先查看Koa原理解析。

二、koa-router概述

koa-router的源码只有两个文件：router.js和layer.js，分别对应Router对象和Layer对象。

Layer对象是对单个路由的管理，其中包含的信息有路由路径(path)、路由请求方法(method)和路由执行函数(middleware)，并且提供路由的验证以及params参数解析的方法。

相比较Layer对象，Router对象则是对所有注册路由的统一处理，并且它的API是面向开发者的。

接下来从以下几个方面全面解析koa-router的实现原理：

• Layer对象的实现
• 路由注册
• 路由匹配
• 路由执行流程

三、Layer

Layer对象主要是对单个路由的管理，是整个koa-router中最小的处理单元，后续模块的处理都离不开Layer中的方法，这正是首先介绍Layer的重要原因。

function Layer(path, methods, middleware, opts) {
 this.opts = opts || {};
 // 支持路由别名
 this.name = this.opts.name || null;
 this.methods = [];
 this.paramNames = [];
 // 将路由执行函数保存在stack中，支持输入多个处理函数
 this.stack = Array.isArray(middleware) ? middleware : [middleware];

 methods.forEach(function(method) {
  var l = this.methods.push(method.toUpperCase());
  // HEAD请求头部信息与GET一致，这里就一起处理了。
  if (this.methods[l-1] === 'GET') {
   this.methods.unshift('HEAD');
  }
 }, this);

 // 确保类型正确
 this.stack.forEach(function(fn) {
  var type = (typeof fn);
  if (type !== 'function') {
   throw new Error(
    methods.toString() + " `" + (this.opts.name || path) +"`: `middleware` "
    + "must be a function, not `" + type + "`"
   );
  }
 }, this);

 this.path = path;
 // 1、根据路由路径生成路由正则表达式
 // 2、将params参数信息保存在paramNames数组中
 this.regexp = pathToRegExp(path, this.paramNames, this.opts);
};

Layer构造函数主要用来初始化路由路径、路由请求方法数组、路由处理函数数组、路由正则表达式以及params参数信息数组，其中主要采用path-to-regexp方法根据路径字符串生成正则表达式，通过该正则表达式，可以实现路由的匹配以及params参数的捕获：

// 验证路由
Layer.prototype.match = function (path) {
 return this.regexp.test(path);
}

// 捕获params参数
Layer.prototype.captures = function (path) {
 // 后续会提到 对于路由级别中间件 无需捕获params
 if (this.opts.ignoreCaptures) return [];
 return path.match(this.regexp).slice(1);
}

根据paramNames中的参数信息以及captrues方法，可以获取到当前路由params参数的键值对：

Layer.prototype.params = function (path, captures, existingParams) {
 var params = existingParams || {};
 for (var len = captures.length, i=0; i<len; i++) {
  if (this.paramNames[i]) {
   var c = captures[i];
   params[this.paramNames[i].name] = c ? safeDecodeURIComponent(c) : c;
  }
 }
 return params;
};

需要注意上述代码中的safeDecodeURIComponent方法，为了避免服务器收到不可预知的请求，对于任何用户输入的作为URI部分的内容都需要采用encodeURIComponent进行转义，否则当用户输入的内容中含有'&'、'='、'?'等字符时，会出现预料之外的情况。而当我们获取URL上的参数时，则需要通过decodeURIComponent进行解码，而decodeURIComponent只能解码由encodeURIComponent方法或者类似方法编码，如果编码方法不符合要求，decodeURIComponent则会抛出URIError，所以作者在这里对该方法进行了安全化的处理：

function safeDecodeURIComponent(text) {
 try {
  return decodeURIComponent(text);
 } catch (e) {
  // 编码方式不符合要求，返回原字符串
  return text;
 }
}

Layer还提供了对于单个param前置处理的方法：

Layer.prototype.param = function (param, fn) {
 var stack = this.stack;
 var params = this.paramNames;
 var middleware = function (ctx, next) {
  return fn.call(this, ctx.params[param], ctx, next);
 };
 middleware.param = param;
 var names = params.map(function (p) {
  return p.name;
 });
 var x = names.indexOf(param);
 if (x > -1) {
  stack.some(function (fn, i) {
   if (!fn.param || names.indexOf(fn.param) > x) {
    // 将单个param前置处理函数插入正确的位置
    stack.splice(i, 0, middleware);
    return true; // 跳出循环
   }
  });
 }

 return this;
};

上述代码中通过some方法寻找单个param处理函数的原因在于以下两点：

• 保持param处理函数位于其他路由处理函数的前面；
• 路由中存在多个param参数，需要保持param处理函数的前后顺序。

Layer.prototype.setPrefix = function (prefix) {
 if (this.path) {
  this.path = prefix + this.path; // 拼接新的路由路径
  this.paramNames = [];
  // 根据新的路由路径字符串生成正则表达式
  this.regexp = pathToRegExp(this.path, this.paramNames, this.opts);
 }
 return this;
};

Layer中的setPrefix方法用于设置路由路径的前缀，这在嵌套路由的实现中尤其重要。

最后，Layer还提供了根据路由生成url的方法，主要采用path-to-regexp的compile和parse对路由路径中的param进行替换，而在拼接query的环节，正如前面所说需要对键值对进行繁琐的encodeURIComponent操作，作者采用了urijs提供的简洁api进行处理。

四、路由注册

1、Router构造函数

首先看了解一下Router构造函数：

function Router(opts) {
 if (!(this instanceof Router)) {
  // 限制必须采用new关键字
  return new Router(opts);
 }

 this.opts = opts || {};
 // 服务器支持的请求方法， 后续allowedMethods方法会用到
 this.methods = this.opts.methods || [
  'HEAD',
  'OPTIONS',
  'GET',
  'PUT',
  'PATCH',
  'POST',
  'DELETE'
 ];

 this.params = {}; // 保存param前置处理函数
 this.stack = []; // 存储layer
};

在构造函数中初始化的params和stack属性最为重要，前者用来保存param前置处理函数，后者用来保存实例化的Layer对象。并且这两个属性与接下来要讲的路由注册息息相关。

koa-router中提供两种方式注册路由：

• 具体的HTTP动词注册方式，例如：router.get('/users', ctx => {})
• 支持所有的HTTP动词注册方式，例如：router.all('/users', ctx => {})

2、http METHODS

源码中采用methods模块获取HTTP请求方法名，该模块内部实现主要依赖于http模块：

http.METHODS && http.METHODS.map(function lowerCaseMethod (method) {
 return method.toLowerCase()
})

3、router.verb() and router.all()

这两种注册路由的方式的内部实现基本类似，下面以router.verb()的源码为例：

methods.forEach(function (method) {
 Router.prototype[method] = function (name, path, middleware) {
  var middleware;

  // 1、处理是否传入name参数
  // 2、middleware参数支持middleware1, middleware2...的形式
  if (typeof path === 'string' || path instanceof RegExp) {
   middleware = Array.prototype.slice.call(arguments, 2);
  } else {
   middleware = Array.prototype.slice.call(arguments, 1);
   path = name;
   name = null;
  }
  
  // 路由注册的核心处理逻辑
  this.register(path, [method], middleware, {
   name: name
  });

  return this;
 };
});

该方法第一部分是对传入参数的处理，对于middleware参数的处理会让大家联想到ES6中的rest参数，但是rest参数与arguments其中一个致命的区别：

rest参数只包含那些没有对应形参的实参，而arguments则包含传给函数的所有实参。

如果采用rest参数的方式，上述函数则必须要求开发者传入name参数。但是也可以将name和path参数整合成对象，再结合rest参数：

Router.prototype[method] = function (options, ...middleware) {
 let { name, path } = options
 if (typeof options === 'string' || options instanceof RegExp) {
  path = options
  name = null
 }
 // ...
 return this;
};

采用ES6的新特性，代码变得简洁多了。

第二部分是register方法，传入的method参数的形式就是router.verb()与router.all()的最大区别，在router.verb()中传入的method是单个方法，后者则是以数组的形式传入HTTP所有的请求方法，所以对于这两种注册方法的实现，本质上是没有区别的。

4、register

Router.prototype.register = function (path, methods, middleware, opts) {
 opts = opts || {};

 var router = this;
 var stack = this.stack;

 // 注册路由中间件时，允许path为数组
 if (Array.isArray(path)) {
  path.forEach(function (p) {
   router.register.call(router, p, methods, middleware, opts);
  });
  return this;
 }

 // 实例化Layer
 var route = new Layer(path, methods, middleware, {
  end: opts.end === false ? opts.end : true,
  name: opts.name,
  sensitive: opts.sensitive || this.opts.sensitive || false,
  strict: opts.strict || this.opts.strict || false,
  prefix: opts.prefix || this.opts.prefix || "",
  ignoreCaptures: opts.ignoreCaptures
 });

 // 设置前缀
 if (this.opts.prefix) {
  route.setPrefix(this.opts.prefix);
 }

 // 设置param前置处理函数
 Object.keys(this.params).forEach(function (param) {
  route.param(param, this.params[param]);
 }, this);

 stack.push(route);

 return route;
};

register方法主要负责实例化Layer对象、更新路由前缀和前置param处理函数，这些操作在Layer中已经提及过，相信大家应该轻车熟路了。

5、use

熟悉Koa的同学都知道use是用来注册中间件的方法，相比较Koa中的全局中间件，koa-router的中间件则是路由级别的。
Router.prototype.use = function () {

var router = this;
 var middleware = Array.prototype.slice.call(arguments);
 var path;

 // 支持多路径在于中间件可能作用于多条路由路径
 if (Array.isArray(middleware[0]) && typeof middleware[0][0] === 'string') {
  middleware[0].forEach(function (p) {
   router.use.apply(router, [p].concat(middleware.slice(1)));
  });

  return this;
 }
 // 处理路由路径参数
 var hasPath = typeof middleware[0] === 'string';
 if (hasPath) {
  path = middleware.shift();
 }

 middleware.forEach(function (m) {
  // 嵌套路由
  if (m.router) {
   // 嵌套路由扁平化处理
   m.router.stack.forEach(function (nestedLayer) {
    // 更新嵌套之后的路由路径
    if (path) nestedLayer.setPrefix(path);
    // 更新挂载到父路由上的路由路径
    if (router.opts.prefix) nestedLayer.setPrefix(router.opts.prefix);

    router.stack.push(nestedLayer);
   }); 

   // 不要忘记将父路由上的param前置处理操作 更新到新路由上。
   if (router.params) {
    Object.keys(router.params).forEach(function (key) {
     m.router.param(key, router.params[key]);
    });
   }
  } else {
   // 路由级别中间件 创建一个没有method的Layer实例
   router.register(path || '(.*)', [], m, { end: false, ignoreCaptures: !hasPath });
  }
 });

 return this;
};

koa-router中间件注册方法主要完成两项功能：

• 将路由嵌套结构扁平化，其中涉及到路由路径的更新和param前置处理函数的插入；
• 路由级别中间件通过注册一个没有method的Layer实例进行管理。

五、路由匹配

Router.prototype.match = function (path, method) {
 var layers = this.stack;
 var layer;
 var matched = {
  path: [],
  pathAndMethod: [],
  route: false
 };

 for (var len = layers.length, i = 0; i < len; i++) {
  layer = layers[i];
  if (layer.match(path)) {
   // 路由路径满足要求
   matched.path.push(layer);

   if (layer.methods.length === 0 || ~layer.methods.indexOf(method)) {
    // layer.methods.length === 0 该layer为路由级别中间件
    // ~layer.methods.indexOf(method) 路由请求方法也被匹配
    matched.pathAndMethod.push(layer);
    // 仅当路由路径和路由请求方法都被满足才算是路由被匹配
    if (layer.methods.length) matched.route = true;
   }
  }
 }
 return matched;
};

match方法主要通过layer.match方法以及methods属性对layer进行筛选，返回的matched对象包含以下几个部分：

• path: 保存所有路由路径被匹配的layer；
• pathAndMethod: 在路由路径被匹配的前提下，保存路由级别中间件和路由请求方法被匹配的layer；
• route: 仅当存在路由路径和路由请求方法都被匹配的layer，才能算是本次路由被匹配上。

另外，在ES7之前，对于判断数组是否包含一个元素，都需要通过indexOf方法来实现， 而该方法返回元素的下标，这样就不得不通过与-1的比较得到布尔值：

if (layer.methods.indexOf(method) > -1) {
  ...
 }

而作者巧妙地利用位运算省去了“讨厌的-1”，当然在ES7中可以愉快地使用includes方法：

if (layer.methods.includes(method)) {
  ...
 }

六、路由执行流程

理解koa-router中路由的概念以及路由注册的方式，接下来就是如何作为一个中间件在koa中执行。

koa中注册koa-router中间件的方式如下：

const Koa = require('koa');
const Router = require('koa-router');

const app = new Koa();
const router = new Router();

router.get('/', (ctx, next) => {
 // ctx.router available
});

app
 .use(router.routes())
 .use(router.allowedMethods());

从代码中可以看出koa-router提供了两个中间件方法：routes和allowedMethods。

1、allowedMethods()

Router.prototype.allowedMethods = function (options) {
 options = options || {};
 var implemented = this.methods;

 return function allowedMethods(ctx, next) {
  return next().then(function() {
   var allowed = {};

   if (!ctx.status || ctx.status === 404) {
    ctx.matched.forEach(function (route) {
     route.methods.forEach(function (method) {
      allowed[method] = method;
     });
    });

    var allowedArr = Object.keys(allowed);

    if (!~implemented.indexOf(ctx.method)) {
     // 服务器不支持该方法的情况
     if (options.throw) {
      var notImplementedThrowable;
      if (typeof options.notImplemented === 'function') {
       notImplementedThrowable = options.notImplemented();
      } else {
       notImplementedThrowable = new HttpError.NotImplemented();
      }
      throw notImplementedThrowable;
     } else {
      // 响应 501 Not Implemented
      ctx.status = 501;
      ctx.set('Allow', allowedArr.join(', '));
     }
    } else if (allowedArr.length) {
     if (ctx.method === 'OPTIONS') {
      // 获取服务器对该路由路径支持的方法集合
      ctx.status = 200;
      ctx.body = '';
      ctx.set('Allow', allowedArr.join(', '));
     } else if (!allowed[ctx.method]) {
      if (options.throw) {
       var notAllowedThrowable;
       if (typeof options.methodNotAllowed === 'function') {
        notAllowedThrowable = options.methodNotAllowed();
       } else {
        notAllowedThrowable = new HttpError.MethodNotAllowed();
       }
       throw notAllowedThrowable;
      } else {
       // 响应 405 Method Not Allowed
       ctx.status = 405;
       ctx.set('Allow', allowedArr.join(', '));
      }
     }
    }
   }
  });
 };
};

allowedMethods()中间件主要用于处理options请求，响应405和501状态。上述代码中的ctx.matched中保存的正是前面matched对象中的path（在routes方法中设置，后面会提到。），在matched对象中的path数组不为空的前提条件下：

• 服务器不支持当前请求方法，返回501状态码；
• 当前请求方法为OPTIONS，返回200状态码；
• path中的layer不支持该方法，返回405状态；

对于上述三种情况，服务器都会设置Allow响应头，返回该路由路径上支持的请求方法。

2、routes()

Router.prototype.routes = Router.prototype.middleware = function () {
 var router = this;
 // 返回中间件处理函数
 var dispatch = function dispatch(ctx, next) {
  var path = router.opts.routerPath || ctx.routerPath || ctx.path;
  var matched = router.match(path, ctx.method);
  var layerChain, layer, i;

  // 【1】为后续的allowedMethods中间件准备
  if (ctx.matched) {
   ctx.matched.push.apply(ctx.matched, matched.path);
  } else {
   ctx.matched = matched.path;
  }

  ctx.router = router;

  // 未匹配路由 直接跳过
  if (!matched.route) return next();

  var matchedLayers = matched.pathAndMethod
  var mostSpecificLayer = matchedLayers[matchedLayers.length - 1]
  ctx._matchedRoute = mostSpecificLayer.path;
  if (mostSpecificLayer.name) {
   ctx._matchedRouteName = mostSpecificLayer.name;
  }
  layerChain = matchedLayers.reduce(function(memo, layer) {
   // 【3】路由的前置处理中间件 主要负责将params、路由别名以及捕获数组属性挂载在ctx上下文对象中。
   memo.push(function(ctx, next) {
    ctx.captures = layer.captures(path, ctx.captures);
    ctx.params = layer.params(path, ctx.captures, ctx.params);
    ctx.routerName = layer.name;
    return next();
   });
   return memo.concat(layer.stack);
  }, []);
  // 【4】利用koa中间件组织的方式，形成一个‘小洋葱'模型
  return compose(layerChain)(ctx, next);
 };

 // 【2】router属性用来use方法中区别路由级别中间件
 dispatch.router = this;
 return dispatch;
};

routes()中间件主要实现了四大功能。

• 将matched对象的path属性挂载在ctx.matched上，提供给后续的allowedMethods中间件使用。（见代码中的【1】）
• 将返回的dispatch函数设置router属性，以便在前面提到的Router.prototype.use方法中区别路由级别中间件和嵌套路由。（见代码中的【2】）
• 插入一个新的路由前置处理中间件，将layer解析出来的params对象、路由别名以及捕获数组挂载在ctx上下文中，这种操作同理Koa在处理请求之前先构建context对象。（见代码中的【3】）
• 而对于路由匹配到众多layer，koa-router通过koa-compose进行处理，这和koa对于中间件处理的方式一样的，所以koa-router完全就是一个小型洋葱模型。

七、总结

koa-router虽然是koa的一个中间件，但是其内部也包含众多的中间件，这些中间件通过Layer对象根据路由路径的不同进行划分，使得它们不再像koa的中间件那样每次请求都执行，而是针对每次请求采用match方法匹配出相应的中间件，再利用koa-compose形成一个中间件执行链。