如何讓你的 Express 飛起來

作者：阿寶哥 2020-09-29 07:54:05

本文阿寶哥將以 Github 上的 OvernightJS 開源項目為例，來介紹一下如何使用 TypeScript 裝飾器來裝飾 Express，從而讓你的 Express 好用得飛起來。

接下來本文的重心將圍繞裝飾器的應用展開，不過在分析裝飾器在 OvernightJS 的應用之前，阿寶哥先來簡單介紹一下 OvernightJS。

一、OvernightJS 簡介

TypeScript decorators for the ExpressJS Server.

OvernightJS 是一個簡單的庫，用于為要調用 Express 路由的方法添加 TypeScript 裝飾器。此外，該項目還包含了用于管理 json-web-token 和打印日志的包。

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1.1 OvernightJS 特性
OvernightJS 并不是為了替代 Express，如果你之前已經掌握了 Express，那你就可以快速地學會它。OvernightJS 為開發者提供了以下特性：

使用 @Controller 裝飾器定義基礎路由；
提供了把類方法轉化為 Express 路由的裝飾器（比如 @Get，@Put，@Post，@Delete）；
提供了用于處理中間件的 @Middleware 和 @ClassMiddleware 裝飾器；
提供了用于處理異常的 @ErrorMiddleware 裝飾器；
提供了 @Wrapper 和 @ClassWrapper 裝飾器用于包裝函數；
通過 @ChildControllers 裝飾器支持子控制器。

出于篇幅考慮，阿寶哥只介紹了 OvernightJS 與裝飾器相關的部分特性。了解完這些特性，我們來快速體驗一下 OvernightJS。

1.2 OvernightJS 入門
1.2.1 初始化項目
首先新建一個 overnight-quickstart 項目，然后使用 npm init -y 命令初始化項目，然后在命令行中輸入以下命令來安裝項目依賴包：

$ npm i @overnightjs/core express -S

在 Express 項目中要集成 TypeScript 很簡單，只需安裝 typescript 這個包就可以了。但為了在開發階段能夠在命令行直接運行使用 TypeScript 開發的服務器，我們還需要安裝 ts-node 這個包。要安裝這兩個包，我們只需在命令行中輸入以下命令：

$ npm i typescript ts-node -D

1.2.2 為 Node.js 和 Express 安裝聲明文件
聲明文件是預定義的模塊，用于告訴 TypeScript 編譯器的 JavaScript 值的形狀。類型聲明通常包含在擴展名為 .d.ts 的文件中。這些聲明文件可用于所有最初用 JavaScript 而非 TypeScript 編寫的庫。

幸運的是，我們不需要重頭開始為 Node.js 和 Express 定義聲明文件，因為在 Github 上有一個名為 DefinitelyTyped 項目已經為我們提供了現成的聲明文件。

要安裝 Node.js 和 Express 對應的聲明文件，我們只需要在命令行執行以下命令就可以了：

$ npm i @types/node @types/express -D

該命令成功執行之后，package.json 中的 devDependencies 屬性就會新增 Node.js 和 Express 對應的依賴包版本信息：

{ 
  "devDependencies": { 
     "@types/express": "^4.17.8", 
     "@types/node": "^14.11.2", 
     "ts-node": "^9.0.0", 
     "typescript": "^4.0.3" 
  } 
}

1.2.3 初始化 TypeScript 配置文件
為了能夠靈活地配置 TypeScript 項目，我們還需要為本項目生成 TypeScript 配置文件，在命令行輸入 tsc --init 之后，項目中就會自動創建一個 tsconfig.json 的文件。對于本項目來說，我們將使用以下配置項：

{ 
  "compilerOptions": { 
    "target": "es6", 
    "module": "commonjs", 
    "rootDir": "./src", 
    "outDir": "./build", 
    "esModuleInterop": true, 
    "experimentalDecorators": true, 
    "strict": true 
  } 
}

1.2.4 創建簡單的 Web 服務器
在創建簡單的 Web 服務器之前，我們先來初始化項目的目錄結構。首先在項目的根目錄下創建一個 src 目錄及 controllers 子目錄：

├── src 
│   ├── controllers 
│   │   └── UserController.ts 
│   └── index.ts

接著新建 UserController.ts 和 index.ts 這兩個文件并分別輸入以下內容：

UserController.ts

import { Controller, Get } from "@overnightjs/core"; 
import { Request, Response } from "express"; 
 
@Controller("api/users") 
export class UserController { 
  @Get("") 
  private getAll(req: Request, res: Response) { 
    return res.status(200).json({ 
      message: "成功獲取所有用戶", 
    }); 
  } 
}

index.ts

import { Server } from "@overnightjs/core"; 
import { UserController } from "./controllers/UserController"; 
 
const PORT = 3000; 
 
export class SampleServer extends Server { 
  constructor() { 
    super(process.env.NODE_ENV === "development"); 
    this.setupControllers(); 
  } 
 
  private setupControllers(): void { 
    const userController = new UserController(); 
    super.addControllers([userController]); 
  } 
 
  public start(port: number): void { 
    this.app.listen(port, () => { 
      console.log(`⚡️[server]: Server is running at http://localhost:${PORT}`); 
    }); 
  } 
} 
 
const sampleServer = new SampleServer(); 
sampleServer.start(PORT);

完成上述步驟之后，我們在項目的 package.json 中添加一個 start 命令來啟動項目：

{ 
  "scripts": { 
    "start": "ts-node ./src/index.ts" 
  }, 
}

添加完 start 命令，我們就可以在命令行中通過 npm start 來啟動 Web 服務器了。當服務器成功啟動之后，命令行會輸出以下消息：

> ts-node ./src/index.ts 
 
⚡️[server]: Server is running at http://localhost:3000

接著我們打開瀏覽器訪問 http://localhost:3000/api/users 這個地址，你就會看到 {"message":"成功獲取所有用戶"} 這個信息。

1.2.5 安裝 nodemon
為了方便后續的開發，我們還需要安裝一個第三方包 nodemon。對于寫過 Node.js 應用的小伙伴來說，對 nodemon 這個包應該不會陌生。nodemon 這個包會自動檢測目錄中文件的更改，當發現文件異動時，會自動重啟 Node.js 應用程序。

同樣，我們在命令行執行以下命令來安裝它：

$ npm i nodemon -D

安裝完成后，我們需要更新一下前面已經創建的 start 命令：

{ 
  "scripts": { 
    "start": "nodemon ./src/index.ts" 
  } 
}

好的，現在我們已經知道如何使用 OvernightJS 來開發一個簡單的 Web 服務器。接下來，阿寶哥將帶大家一起來分析 OvernightJS 是如何使用 TypeScript 裝飾器實現上述的功能。

二、OvernightJS 原理分析
在分析前面示例中 @Controller 和 @Get 裝飾器原理前，我們先來看一下直接使用 Express 如何實現同樣的功能：

import express, { Router, Request, Response } from "express"; 
const app = express(); 
 
const PORT = 3000; 
class UserController { 
  public getAll(req: Request, res: Response) { 
    return res.status(200).json({ 
      message: "成功獲取所有用戶", 
    }); 
  } 
} 
 
const userRouter = Router(); 
const userCtrl = new UserController(); 
userRouter.get("/", userCtrl.getAll); 
 
app.use("/api/users", userRouter); 
 
app.listen(PORT, () => { 
  console.log(`⚡️[server]: Server is running at http://localhost:${PORT}`); 
});

在以上代碼中，我們先通過調用 Router 方法創建了一個 userRouter 對象，然后進行相關路由的配置，接著使用 app.use 方法應用 userRouter 路由。下面我們用一張圖來直觀感受一下 OvernightJS 與 Express 在使用上的差異：

通過以上對比可知，利用 OvernightJS 提供的裝飾器，可以讓我們開發起來更加便捷。但大家要記住 OvernightJS 底層還是基于 Express，其內部最終還是通過 Express 提供的 API 來處理路由。

接下來為了能更好理解后續的內容，我們先來簡單回顧一下 TypeScript 裝飾器。

2.1 TypeScript 裝飾器簡介
裝飾器是一個表達式，該表達式執行后，會返回一個函數。在 TypeScript 中裝飾器可以分為以下 4 類：

需要注意的是，若要啟用實驗性的裝飾器特性，你必須在命令行或 tsconfig.json 里啟用 experimentalDecorators 編譯器選項：

命令行：

tsc --target ES5 --experimentalDecorators

tsconfig.json：

{ 
  "compilerOptions": { 
     "experimentalDecorators": true 
   } 
}

了解完 TypeScript 裝飾器的分類，我們來開始分析 OvernightJS 框架中提供的裝飾器。

2.2 @Controller 裝飾器
在前面創建的簡單 Web 服務器中，我們通過以下方式來使用 @Controller 裝飾器：

@Controller("api/users") 
export class UserController {}

很明顯該裝飾器應用在 UserController 類上，它屬于類裝飾器。OvernightJS 的項目結構很簡單，我們可以很容易找到 @Controller 裝飾器的定義：

// src/core/lib/decorators/class.ts 
export function Controller(path: string): ClassDecorator { 
  return <TFunction extends Function>(target: TFunction): void => { 
    addBasePathToClassMetadata(target.prototype, "/" + path); 
  }; 
}

通過觀察以上代碼可知，Controller 函數是一個裝飾器工廠，即調用該工廠方法之后會返回一個 ClassDecorator 對象。在 ClassDecorator 內部，會繼續調用 addBasePathToClassMetadata 方法，把基礎路徑添加到類的元數據中：

// src/core/lib/decorators/class.ts 
export function addBasePathToClassMetadata(target: Object, basePath: string): void { 
  let metadata: IClassMetadata | undefined = Reflect.getOwnMetadata(classMetadataKey, target); 
  if (!metadata) { 
      metadata = {}; 
  } 
  metadata.basePath = basePath; 
  Reflect.defineMetadata(classMetadataKey, metadata, target); 
}

addBasePathToClassMetadata 函數的實現很簡單，主要是利用 Reflect API 實現元數據的存取操作。在以上代碼中，會先獲取 target 對象上已保存的 metadata 對象，如果不存在的話，會創建一個空的對象，然后把參數 basePath 的值添加該對象的 basePath 屬性中，元數據設置完成后，在通過 Reflect.defineMetadata 方法進行元數據的保存。

下面我們用一張圖來說明一下 @Controller 裝飾器的處理流程：

在 OvernightJS 項目中，所使用的 Reflect API 是來自 reflect-metadata 這個第三方庫。該庫提供了很多 API 用于操作元數據，這里我們只簡單介紹幾個常用的 API：

// define metadata on an object or property 
Reflect.defineMetadata(metadataKey, metadataValue, target); 
Reflect.defineMetadata(metadataKey, metadataValue, target, propertyKey); 
 
// check for presence of a metadata key on the prototype chain of an object or property 
let result = Reflect.hasMetadata(metadataKey, target); 
let result = Reflect.hasMetadata(metadataKey, target, propertyKey); 
 
// get metadata value of an own metadata key of an object or property 
let result = Reflect.getOwnMetadata(metadataKey, target); 
let result = Reflect.getOwnMetadata(metadataKey, target, propertyKey); 
 
// get metadata value of a metadata key on the prototype chain of an object or property 
let result = Reflect.getMetadata(metadataKey, target); 
let result = Reflect.getMetadata(metadataKey, target, propertyKey); 
 
// delete metadata from an object or property 
let result = Reflect.deleteMetadata(metadataKey, target); 
let result = Reflect.deleteMetadata(metadataKey, target, propertyKey);

相信看到這里，可能有一些小伙伴會有疑問，通過 Reflect API 保存的元數據什么時候使用呢？這里我們先記住這個問題，后面我們再來分析它，接下來我們來開始分析 @Get 裝飾器。

2.3 @Get 裝飾器
在前面創建的簡單 Web 服務器中，我們通過以下方式來使用 @Get 裝飾器，該裝飾器用于配置 Get 請求：

export class UserController { 
  @Get("") 
  private getAll(req: Request, res: Response) { 
    return res.status(200).json({ 
      message: "成功獲取所有用戶", 
    }); 
  } 
}

@Get 裝飾器應用在 UserController 類的 getAll 方法上，它屬于方法裝飾器。它的定義如下所示：

// src/core/lib/decorators/method.ts 
export function Get(path?: string | RegExp): MethodDecorator & PropertyDecorator { 
  return helperForRoutes(HttpVerb.GET, path); 
}

與 Controller 函數一樣，Get 函數也是一個裝飾器工廠，調用該函數之后會返回 MethodDecorator & PropertyDecorator 的交叉類型。除了 Get 請求方法之外，常見的 HTTP 請求方法還有 Post、Delete、Put、Patch 和 Head 等。為了統一處理這些請求方法，OvernightJS 內部封裝了一個 helperForRoutes 函數，該函數的具體實現如下：

// src/core/lib/decorators/method.ts 
function helperForRoutes(httpVerb: HttpDecorator, path?: string | RegExp): MethodDecorator & PropertyDecorator { 
  return (target: Object, propertyKey: string | symbol): void => { 
      let newPath: string | RegExp; 
      if (path === undefined) { 
          newPath = ''; 
      } else if (path instanceof RegExp) { 
          newPath = addForwardSlashToFrontOfRegex(path); 
      } else { // assert (path instanceof string) 
          newPath = '/' + path; 
      } 
      addHttpVerbToMethodMetadata(target, propertyKey, httpVerb, newPath); 
    }; 
}

觀察以上代碼可知，在 helperForRoutes 方法內部，會繼續調用 addHttpVerbToMethodMetadata 方法把請求方法和請求路徑這些元數據保存起來。

// src/core/lib/decorators/method.ts 
export function addHttpVerbToMethodMetadata(target: Object, metadataKey: any,  
  httpDecorator: HttpDecorator, path: string | RegExp): void { 
    let metadata: IMethodMetadata | undefined = Reflect.getOwnMetadata(metadataKey, target); 
    if (!metadata) { 
        metadata = {}; 
    } 
    if (!metadata.httpRoutes) { 
        metadata.httpRoutes = []; 
    } 
    const newArr: IHttpRoute[] = [{ 
      httpDecorator, 
      path, 
    }]; 
    newArr.push(...metadata.httpRoutes); 
    metadata.httpRoutes = newArr; 
    Reflect.defineMetadata(metadataKey, metadata, target);

在 addHttpVerbToMethodMetadata 方法中，會先獲取已保存的元數據，如果 metadata 對象不存在則會創建一個空的對象。然后會繼續判斷該對象上是否含有 httpRoutes 屬性，沒有的話會使用 [] 對象來作為該屬性的屬性值。而請求方法和請求路徑這些元數據會以對象的形式保存到數組中，最終在通過 Reflect.defineMetadata 方法進行元數據的保存。

同樣，我們用一張圖來說明一下 @Get 裝飾器的處理流程：

分析完 @Controller 和 @Get 裝飾器，我們已經知道元數據是如何進行保存的。下面我們來回答 “通過 Reflect API 保存的元數據什么時候使用呢？” 這個問題。

2.4 元數據的使用
要搞清楚通過 Reflect API 保存的元數據什么時候使用，我們就需要來回顧一下前面開發的 SampleServer 服務器：

export class SampleServer extends Server { 
  constructor() { 
    super(process.env.NODE_ENV === "development"); 
    this.setupControllers(); 
  } 
 
  private setupControllers(): void { 
    const userController = new UserController(); 
    super.addControllers([userController]); 
  } 
 
  public start(port: number): void { 
    this.app.listen(port, () => { 
      console.log(`⚡️[server]: Server is running at http://localhost:${PORT}`); 
    }); 
  } 
} 
 
const sampleServer = new SampleServer(); 
sampleServer.start(PORT);

在以上代碼中 SampleServer 類繼承于 OvernightJS 內置的 Server 類，對應的 UML 類圖如下所示：

此外，在 SampleServer 類中我們定義了 setupControllers 和 start 方法，分別用于初始化控制器和啟動服務器。我們在自定義的控制器上使用了 @Controller 和 @Get 裝飾器，因此接下來我們的重點就是分析 setupControllers 方法。該方法的內部實現很簡單，就是手動創建控制器實例，然后調用父類的 addControllers 方法。

下面我們來分析 addControllers 方法，該方法位于 src/core/lib/Server.ts 文件中，具體實現如下：

// src/core/lib/Server.ts 
export class Server { 
  public addControllers( 
    controllers: Controller | Controller[], 
    routerLib?: RouterLib, 
    globalMiddleware?: RequestHandler, 
  ): void { 
       controllers = (controllers instanceof Array) ? controllers : [controllers]; 
       // ① 支持動態設置路由庫 
       const routerLibrary: RouterLib = routerLib || Router;  
       controllers.forEach((controller: Controller) => { 
         if (controller) { 
             // ② 為每個控制器創建對應的路由對象 
             const routerAndPath: IRouterAndPath | null = this.getRouter(routerLibrary, controller); 
             // ③ 注冊路由 
             if (routerAndPath) { 
                  if (globalMiddleware) { 
                      this.app.use(routerAndPath.basePath, globalMiddleware, routerAndPath.router); 
                  } else { 
                      this.app.use(routerAndPath.basePath, routerAndPath.router); 
                  } 
              } 
            } 
        }); 
    } 
}

addControllers 方法的整個執行過程還是比較清晰，最核心的部分就是 getRouter 方法。在該方法內部就會處理通過裝飾器保存的元數據。其實 getRouter 方法內部還會處理其他裝飾器保存的元數據，簡單起見我們只考慮與 @Controller 和 @Get 裝飾器相關的處理邏輯。

// src/core/lib/Server.ts 
export class Server { 
 private getRouter(routerLibrary: RouterLib, controller: Controller): IRouterAndPath | null { 
        const prototype: any = Object.getPrototypeOf(controller); 
        const classMetadata: IClassMetadata | undefined = Reflect.getOwnMetadata(classMetadataKey, prototype); 
 
        // 省略部分代碼 
        const { basePath, options, ...}: IClassMetadata = classMetadata; 
 
        // ① 基于配置項創建Router對象 
        const router: IRouter = routerLibrary(options); 
 
        // ② 為路由對象添加路徑和請求處理器 
        let members: any = Object.getOwnPropertyNames(controller); 
        members = members.concat(Object.getOwnPropertyNames(prototype)); 
        members.forEach((member: any) => { 
            // ③ 獲取方法中保存的元數據 
            const methodMetadata: IMethodMetadata | undefined = Reflect.getOwnMetadata(member, prototype); 
            if (methodMetadata) { 
                const { httpRoutes, ...}: IMethodMetadata = methodMetadata; 
                let callBack: (...args: any[]) => any = (...args: any[]): any => { 
                    return controller[member](...args); 
                }; 
                // 省略部分代碼 
                if (httpRoutes) { // httpRoutes數組中包含了請求的方法和路徑 
                    // ④ 處理控制器類中通過@Get、@Post、@Put或@Delete裝飾器保存的元數據 
                    httpRoutes.forEach((route: IHttpRoute) => { 
                        const { httpDecorator, path }: IHttpRoute = route; 
                        // ⑤ 為router對象設置對應的路由信息 
                        if (middlewares) { 
                            router[httpDecorator](path, middlewares, callBack); 
                        } else { 
                            router[httpDecorator](path, callBack); 
                        } 
                    }); 
                } 
            } 
        }); 
        return { basePath, router, }; 
    } 
}

現在我們已經知道 OvernightJS 內部如何利用裝飾器來為控制器類配置路由信息，這里阿寶哥用一張圖來總結 OvernightJS 的工作流程：

在 OvernightJS 內部除了 @Controller、@Get、@Post、@Delete 等裝飾器之外，還提供了用于注冊中間件的 @Middleware 裝飾器及用于設置異常處理中間件的 @ErrorMiddleware 裝飾器。感興趣的小伙伴可以參考一下阿寶哥的學習思路，自行閱讀 OvernightJS 項目的源碼。

希望通過這篇文章，可以讓小伙伴們對裝飾器的應用場景有一些更深刻的理解。如果你還意猶未盡的話，可以閱讀阿寶哥之前寫的了不起的 IoC 與 DI 這篇文章，該文章介紹了如何利用 TypeScript 裝飾器和 reflect-metadata 這個庫提供的 Reflect API 實現一個 IoC 容器。

三、參考資源

Github - overnight
expressjs.com

責任編輯：姜華來源：全棧修仙之路

Express 飛起來

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