Koa源码解析

Koa是一款设计优雅的轻量级Node.js框架，它主要提供了一套巧妙的中间件机制与简练的API封装，因此源码阅读起来也十分轻松，不论你从事前端或是后端研发，相信都会有所收获。

目录结构

首先将源码下载到本地，可以看到Koa的源码只包含下述四个文件：

lib
├── application.js
├── context.js
├── request.js
└── response.js

application.js

application.js为Koa的主程序入口文件，在package.json的main字段有定义。它主要负责HTTP服务的注册、封装请求相应对象，并初始化中间件数组并通过compose方法进行执行。

context.js

context.js的核心工作为将请求与响应方法集成到一个上下文(Context)中，上下文中的大多数方法都是直接委托到了请求与响应对象上，本身并没做什么改变，它能为编写Web应用程序提供便捷。

request.js

request.js将http库的request方法进行抽象与封装，通过它可以访问到各种请求信息。

response.js

response.js与request功能类似，它是对response对象的抽象与封装。

中间件

示例

对于Koa的中间件机制相信大家都耳熟能详了，现在让我们来看看源码实现。在这里还是先举一个最简单的例子：

const Koa = require('koa');
const app = new Koa();

app.use((ctx, next) => {
  console.log('enter 1');
  next();
  console.log('out 1');
});

app.use((ctx, next) => {
  console.log('enter 2');
  next();
  console.log('out 2');
});

app.use((ctx, next) => {
  console.log('enter 3');
  next();
  console.log('out 3');
});

app.listen(3000);

现在让我们来访问应用：curl 127.0.0.1:3000，可以看到以下输出结果：

enter 1
enter 2
enter 3
out 3
out 2
out 1

next是什么？

通过以上的结果进行分析，当我们执行next()的时候，可能程序的执行权交给了下一个中间件，next函数会等待下一个中间件执行完毕，然后接着执行，这样的执行机制被称为“洋葱模型”，因为它就像请求穿过一层洋葱一样，先从外向内一层一层执行，再从内向外一层一层返回，而next就是进行下一层的一把钥匙：

原理

聊完了理想，现在我们来聊现实。首先来看看app.use函数：

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;
  }

整个函数只做了一件事情，将中间件函数添加到了实例中的middleware数组，其他的即是对类型进行校验，若不为函数则直接报TypeError，若为生成器则发出deprecated警告并使用koa-convert[注1]对其转化。

中间件在什么时候执行的呢？首先我们找到listen的回调函数：

const server = http.createServer(this.callback());

然后来看看这个神奇的callback函数：

callback() {
    const fn = compose(this.middleware);

    if (!this.listenerCount('error')) this.on('error', this.onerror);

    const handleRequest = (req, res) => {
      const ctx = this.createContext(req, res);
      return this.handleRequest(ctx, fn);
    };

    return handleRequest;
  }

函数首先将中间件使用koa-compose进行处理，那个compose到底是个什么呢？不如直接来看源码吧（省略掉了注释与类型检测）：

function compose (middleware) {
  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)
      }
    }
  }
}

首先我们把目光放到index与i两个变量上，当执行执行compose(middleware)函数时，会返回一个闭包函数distpach(0)，闭包函数执行时，dispatch函数内部的判断逻辑如下：

1. 若i小于等于index 则报出错误：'next() called multiple times'。
2. 若i大于index时，将i赋予index，此时i与index相等。

逻辑很简单，但这样做的目的是什么呢？假若程序按着预期执行，每个中间件内部都执行next()，假若有3个中间件，那么当每次执行dispatch(i)时，到Line8之前index与i的值分别为：-1/0, 0/1, 1/2，可以看出i始终要大于index，index的闭包变量每次在执行完函数后都会加1，因此可以知道的是若同一个中间件执行了两次，index就会等于i，再执行一次index就会大于i，由此可知，index的存在意义在于限制next能执行不超过1次。

Line9到Line11用于取出middleware中的当前中间件，若数组为最大索引标识，则会将fn等于next函数，意味着将再执行一次越级的索引i + 1，由于取不到值，于是就执行到Line11返回Promise.resolve()。

当函数执行到Line13，则会运行当前中间件，并将是否执行下一个中间件dispatch(i + 1)的决定权传递到next参数，将运行结果返回，返回函数的运行结果的意义在于每次执行next的返回结果都是下一个中间件的执行结果的Promise对象。

回到callback

让我们继续看callback函数等剩余逻辑：

callback() {
    const fn = compose(this.middleware);
    if (!this.listenerCount('error')) this.on('error', this.onerror);

    const handleRequest = (req, res) => {
      const ctx = this.createContext(req, res);
      return this.handleRequest(ctx, fn);
    };

    return handleRequest;
  }

首先来看看Line3，因为Application继承与Emitter，故此方法是用于监听实例中的error事件的，当listenerCount的数值为0时，表示没有监听过，则注册监听函数。

接着生成一个handleRequest回调，当每个请求过来时，都会创建ctx上下文对象，并将中间件函数传入实例方法handleRequest，让我们来看看此时的处理函数：

handleRequest(ctx, fnMiddleware) {
    const res = ctx.res;
    res.statusCode = 404;
    const onerror = err => ctx.onerror(err);
    const handleResponse = () => respond(ctx);
    onFinished(res, onerror);
    return fnMiddleware(ctx).then(handleResponse).catch(onerror);
  }

在这里多出了几个函数：

• on-finished，监听请求是否正常结束。
• respond， 当中间件执行完毕后，处理response对象的status与body的字段。

回到示例

回到示例，是否恍如隔日？现在的代码还困扰你吗？让我们稍作修改：

app.use((ctx, next) => {
  console.log('enter 1');
  next();
  console.log('out 1');
});

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

app.use((ctx, next) => {
  console.log('enter 3');
  next();
  console.log('out 3');
});

此时你能准确的知道执行结果吗？此时打印顺序为：enter 1 -> enter 2 -> out 1。因为只有next才是进入到下一中间件的钥匙。若再将程序改一改：

app.use(async (ctx, next) => {
  console.log('enter 1');
  next();
  console.log('out 1');
});

app.use(async (ctx, next) => {
  console.log('enter 2');
  await next();
  console.log('out 2');
});

此时执行结果为：enter1 -> enter2 -> out 1 -> out2，这你能答对吗？你不需要记住范式与结果，回想一下核心的compose函数：return Promise.resolve(fn(context, dispatch.bind(null, i + 1)))，首先中间件全为async函数，若使用await next()，则会等待下一个中间件返回resolve状态才会执行此代码，如果某一个Promise中间件不使用await关键字呢？它会在主进程上进行排队等待，等到函数执行栈返回到当前函数后立即执行。对于此示例来讲，当进入到第二个中间件，遇到await关键字时，console.log('out 2')则不会再执行，而是进入到微任务队列中，此时主进程已无其他任务，则函数退出当前栈，返回到了第一个函数中，此时输出out 1，当第一个中间件执行结束后，事件循环才会将中间件2的微任务取出来执行，因此你见到了上述的输出顺序。

上下文

通过上述分析，我们了解到http.createServer中有一个callback函数，它不仅负责执行compose函数，也会调用createContext方法创建函数上下文，源码如下：

createContext(req, res) {
    const context = Object.create(this.context);
    const request = context.request = Object.create(this.request);
    const response = context.response = Object.create(this.response);
    context.app = request.app = response.app = this;
    context.req = request.req = response.req = req;
    context.res = request.res = response.res = res;
    request.ctx = response.ctx = context;
    request.response = response;
    response.request = request;
    context.originalUrl = request.originalUrl = req.url;
    context.state = {};
    return context;
  }

可以由这个函数得知，ctx对象包含了`context.js
request.js、response.js`的代码。通过访问req与res的源代码，大家可以发现在request与response对象中封装了许许多多http库的请求方法与各类工具函数，若对http底层实现感兴趣的小伙伴可以仔细读一下request与response文件，否则多查阅几遍官网文档，大概了解其中的api即可。

而对于context.js，其实十分简单，它也封装了部分工具方法，并使用node-delegates进行委托方法与属性，对于此类方法的时间，估计koa3会将这一部分进行重构为Proxy吧。

注解

1. koa-convert转化

在Koa版本号为1.x时，中间件都是使用Generator实现的，因此可以通过官方提供的koa-convert临时对其进行转化与兼容，基本用法为：

function * legacyMiddleware (next) {
  // before
  yield next
  // after
}
app.use(convert(legacyMiddleware))

然后打开源码发现，核心代码大概如下：

function convert (mw) {
  return (ctx, next) => co.call(ctx, mw.call(ctx, createGenerator(next)))
}

convert函数将生成器通过co进行包装为Promise函数，在ctx上下文进行执行，并传入next函数。

总结

凡是涉及到原理性的东西，感觉自己很难避免自顾自说，用图片进行可视化的方式会更加直观，易于理解，希望之后自己多多使用图片来阐述原理。

通过源码分析，我们知道了Koa的核心思想建立于中间件机制，它是一个设计十分简洁、巧妙的Web框架，扩展性极强，egg.js就是建立于Koa之上的上层框架。