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 相信用過(guò) Koa、Redux 或 Express 的小伙伴對(duì)中間件都不會(huì)陌生，特別是在學(xué)習(xí) Koa 的過(guò)程中，還會(huì)接觸到 “洋蔥模型”。

本文阿寶哥將跟大家一起來(lái)學(xué)習(xí) Koa 的中間件，不過(guò)這里阿寶哥不打算一開(kāi)始就亮出廣為人知的 “洋蔥模型圖”，而是先來(lái)介紹一下 Koa 中的中間件是什么?

一、Koa 中間件

在 @types/koa-compose 包下的 index.d.ts 頭文件中我們找到了中間件類型的定義：

// @types/koa-compose/index.d.ts 
declare namespace compose { 
  type Middleware<T> = (context: T, next: Koa.Next) => any; 
  type ComposedMiddleware<T> = (context: T, next?: Koa.Next) => Promise<void>; 
} 
   
// @types/koa/index.d.ts => Koa.Next 
type Next = () => Promise<any>; 

通過(guò)觀察 Middleware 類型的定義，我們可以知道在 Koa 中，中間件就是普通的函數(shù)，該函數(shù)接收兩個(gè)參數(shù)：context 和 next。其中 context 表示上下文對(duì)象，而 next 表示一個(gè)調(diào)用后返回 Promise 對(duì)象的函數(shù)對(duì)象。

了解完 Koa 的中間件是什么之后，我們來(lái)介紹 Koa 中間件的核心，即 compose 函數(shù)：

function wait(ms) { 
  return new Promise((resolve) => setTimeout(resolve, ms || 1)); 
} 
 
const arr = []; 
const stack = []; 
 
// type Middleware<T> = (context: T, next: Koa.Next) => any; 
stack.push(async (context, next) => { 
  arr.push(1); 
  await wait(1); 
  await next(); 
  await wait(1); 
  arr.push(6); 
}); 
 
stack.push(async (context, next) => { 
  arr.push(2); 
  await wait(1); 
  await next(); 
  await wait(1); 
  arr.push(5); 
}); 
 
stack.push(async (context, next) => { 
  arr.push(3); 
  await wait(1); 
  await next(); 
  await wait(1); 
  arr.push(4); 
}); 
 
await compose(stack)({}); 

對(duì)于以上的代碼，我們希望執(zhí)行完 compose(stack)({}) 語(yǔ)句之后，數(shù)組 arr 的值為 [1, 2, 3, 4, 5, 6]。這里我們先不關(guān)心 compose 函數(shù)是如何實(shí)現(xiàn)的。我們來(lái)分析一下，如果要求數(shù)組 arr 輸出期望的結(jié)果，上述 3 個(gè)中間件的執(zhí)行流程：

1.開(kāi)始執(zhí)行第 1 個(gè)中間件，往 arr 數(shù)組壓入 1，此時(shí) arr 數(shù)組的值為 [1]，接下去等待 1 毫秒。為了保證 arr 數(shù)組的第 1 項(xiàng)為 2，我們需要在調(diào)用 next 函數(shù)之后，開(kāi)始執(zhí)行第 2 個(gè)中間件。

2.開(kāi)始執(zhí)行第 2 個(gè)中間件，往 arr 數(shù)組壓入 2，此時(shí) arr 數(shù)組的值為 [1, 2]，繼續(xù)等待 1 毫秒。為了保證 arr 數(shù)組的第 2 項(xiàng)為 3，我們也需要在調(diào)用 next 函數(shù)之后，開(kāi)始執(zhí)行第 3 個(gè)中間件。

3.開(kāi)始執(zhí)行第 3 個(gè)中間件，往 arr 數(shù)組壓入 3，此時(shí) arr 數(shù)組的值為 [1, 2, 3]，繼續(xù)等待 1 毫秒。為了保證 arr 數(shù)組的第 3 項(xiàng)為 4，我們要求在調(diào)用第 3 個(gè)中間的 next 函數(shù)之后，要能夠繼續(xù)往下執(zhí)行。

4.當(dāng)?shù)?3 個(gè)中間件執(zhí)行完成后，此時(shí) arr 數(shù)組的值為 [1, 2, 3, 4]。因此為了保證 arr 數(shù)組的第 4 項(xiàng)為 5，我們就需要在第 3 個(gè)中間件執(zhí)行完成后，返回第 2 個(gè)中間件 next 函數(shù)之后語(yǔ)句開(kāi)始執(zhí)行。

5.當(dāng)?shù)?2 個(gè)中間件執(zhí)行完成后，此時(shí) arr 數(shù)組的值為 [1, 2, 3, 4, 5]。同樣，為了保證 arr 數(shù)組的第 5 項(xiàng)為 6，我們就需要在第 2 個(gè)中間件執(zhí)行完成后，返回第 1 個(gè)中間件 next函數(shù)之后語(yǔ)句開(kāi)始執(zhí)行。

6.當(dāng)?shù)?1 個(gè)中間件執(zhí)行完成后，此時(shí) arr 數(shù)組的值為 [1, 2, 3, 4, 5, 6]。

為了更直觀地理解上述的執(zhí)行流程，我們可以把每個(gè)中間件當(dāng)做 1 個(gè)大任務(wù)，然后在以 next 函數(shù)為分界點(diǎn)，在把每個(gè)大任務(wù)拆解為 3 個(gè) beforeNext、next 和 afterNext 3 個(gè)小任務(wù)。

在上圖中，我們從中間件一的 beforeNext 任務(wù)開(kāi)始執(zhí)行，然后按照紫色箭頭的執(zhí)行步驟完成中間件的任務(wù)調(diào)度。在 77.9K 的 Axios 項(xiàng)目有哪些值得借鑒的地方 這篇文章中，阿寶哥從 任務(wù)注冊(cè)、任務(wù)編排和任務(wù)調(diào)度 3 個(gè)方面去分析 Axios 攔截器的實(shí)現(xiàn)。同樣，阿寶哥將從上述 3 個(gè)方面來(lái)分析 Koa 中間件機(jī)制。

1.1 任務(wù)注冊(cè)

在 Koa 中，我們創(chuàng)建 Koa 應(yīng)用程序?qū)ο笾?，就可以通過(guò)調(diào)用該對(duì)象的 use 方法來(lái)注冊(cè)中間件：

const Koa = require('koa'); 
const app = new Koa(); 
 
app.use(async (ctx, next) => { 
  const start = Date.now(); 
  await next(); 
  const ms = Date.now() - start; 
  console.log(`${ctx.method} ${ctx.url} - ${ms}ms`); 
}); 

其實(shí) use 方法的實(shí)現(xiàn)很簡(jiǎn)單，在 lib/application.js 文件中，我們找到了它的定義：

// lib/application.js 
module.exports = class Application extends Emitter {   
  constructor(options) { 
    super(); 
    // 省略部分代碼  
    this.middleware = []; 
  } 
   
 use(fn) { 
   if (typeof fn !== 'function') throw new TypeError('middleware must be a function!'); 
   // 省略部分代碼  
   this.middleware.push(fn); 
   return this; 
  } 
} 

由以上代碼可知，在 use 方法內(nèi)部會(huì)對(duì) fn 參數(shù)進(jìn)行類型校驗(yàn)，當(dāng)校驗(yàn)通過(guò)時(shí)，會(huì)把 fn 指向的中間件保存到 middleware 數(shù)組中，同時(shí)還會(huì)返回 this 對(duì)象，從而支持鏈?zhǔn)秸{(diào)用。

1.2 任務(wù)編排

在 77.9K 的 Axios 項(xiàng)目有哪些值得借鑒的地方 這篇文章中，阿寶哥參考 Axios 攔截器的設(shè)計(jì)模型，抽出以下通用的任務(wù)處理模型：

在該通用模型中，阿寶哥是通過(guò)把前置處理器和后置處理器分別放到 CoreWork 核心任務(wù)的前后來(lái)完成任務(wù)編排。而對(duì)于 Koa 的中間件機(jī)制來(lái)說(shuō)，它是通過(guò)把前置處理器和后置處理器分別放到 await next() 語(yǔ)句的前后來(lái)完成任務(wù)編排

// 統(tǒng)計(jì)請(qǐng)求處理時(shí)長(zhǎng)的中間件 
app.use(async (ctx, next) => { 
  const start = Date.now(); 
  await next(); 
  const ms = Date.now() - start; 
  console.log(`${ctx.method} ${ctx.url} - ${ms}ms`); 
}); 

1.3 任務(wù)調(diào)度

通過(guò)前面的分析，我們已經(jīng)知道了，使用 app.use 方法注冊(cè)的中間件會(huì)被保存到內(nèi)部的 middleware 數(shù)組中。要完成任務(wù)調(diào)度，我們就需要不斷地從 middleware 數(shù)組中取出中間件來(lái)執(zhí)行。中間件的調(diào)度算法被封裝到 koa-compose 包下的 compose 函數(shù)中，該函數(shù)的具體實(shí)現(xiàn)如下：

/** 
 * Compose `middleware` returning 
 * a fully valid middleware comprised 
 * of all those which are passed. 
 * 
 * @param {Array} middleware 
 * @return {Function} 
 * @api public 
 */ 
function compose(middleware) { 
  // 省略部分代碼 
  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); 
      } 
    } 
  }; 
} 

compose 函數(shù)接收一個(gè)參數(shù)，該參數(shù)的類型是數(shù)組，調(diào)用該函數(shù)之后會(huì)返回一個(gè)新的函數(shù)。接下來(lái)我們將以前面的例子為例，來(lái)分析一下 await compose(stack)({}); 語(yǔ)句的執(zhí)行過(guò)程。

1.3.1 dispatch(0)

由上圖可知，當(dāng)在第一個(gè)中間件內(nèi)部調(diào)用 next 函數(shù)，其實(shí)就是繼續(xù)調(diào)用 dispatch 函數(shù)，此時(shí)參數(shù) i 的值為 1。

1.3.2 dispatch(1)

由上圖可知，當(dāng)在第二個(gè)中間件內(nèi)部調(diào)用 next 函數(shù)，仍然是調(diào)用 dispatch 函數(shù)，此時(shí)參數(shù) i 的值為 2。

1.3.3 dispatch(2)

由上圖可知，當(dāng)在第三個(gè)中間件內(nèi)部調(diào)用 next 函數(shù)，仍然是調(diào)用 dispatch 函數(shù)，此時(shí)參數(shù) i 的值為 3。

1.3.4 dispatch(3)

由上圖可知，當(dāng) middleware 數(shù)組中的中間件都開(kāi)始執(zhí)行之后，如果調(diào)度時(shí)未顯式地設(shè)置 next 參數(shù)的值，則會(huì)開(kāi)始返回 next 函數(shù)之后的語(yǔ)句繼續(xù)往下執(zhí)行。當(dāng)?shù)谌齻€(gè)中間件執(zhí)行完成后，就會(huì)返回第二中間件 next 函數(shù)之后的語(yǔ)句繼續(xù)往下執(zhí)行，直到所有中間件中定義的語(yǔ)句都執(zhí)行完成。

分析完 compose 函數(shù)的實(shí)現(xiàn)代碼，我們來(lái)看一下 Koa 內(nèi)部如何利用 compose 函數(shù)來(lái)處理已注冊(cè)的中間件。

const Koa = require('koa'); 
const app = new Koa(); 
 
// 響應(yīng) 
app.use(ctx => { 
  ctx.body = '大家好，我是阿寶哥'; 
}); 
 
app.listen(3000); 

利用以上的代碼，我就可以快速啟動(dòng)一個(gè)服務(wù)器。其中 use 方法我們前面已經(jīng)分析過(guò)了，所以接下來(lái)我們來(lái)分析 listen 方法，該方法的實(shí)現(xiàn)如下所示：

// lib/application.js 
module.exports = class Application extends Emitter {   
  listen(...args) { 
    debug('listen'); 
    const server = http.createServer(this.callback()); 
    return server.listen(...args); 
  } 
} 

很明顯在 listen 方法內(nèi)部，會(huì)先通過(guò)調(diào)用 Node.js 內(nèi)置 HTTP 模塊的 createServer 方法來(lái)創(chuàng)建服務(wù)器，然后開(kāi)始監(jiān)聽(tīng)指定的端口，即開(kāi)始等待客戶端的連接。

另外，在調(diào)用 http.createServer 方法創(chuàng)建 HTTP 服務(wù)器時(shí)，我們傳入的參數(shù)是 this.callback()，該方法的具體實(shí)現(xiàn)如下所示：

// lib/application.js 
const compose = require('koa-compose'); 
 
module.exports = class Application extends Emitter {   
  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; 
  } 

在 callback 方法內(nèi)部，我們終于見(jiàn)到了久違的 compose 方法。當(dāng)調(diào)用 callback 方法之后，會(huì)返回 handleRequest 函數(shù)對(duì)象用來(lái)處理 HTTP 請(qǐng)求。每當(dāng) Koa 服務(wù)器接收到一個(gè)客戶端請(qǐng)求時(shí)，都會(huì)調(diào)用 handleRequest 方法，在該方法會(huì)先創(chuàng)建新的 Context 對(duì)象，然后在執(zhí)行已注冊(cè)的中間件來(lái)處理已接收的 HTTP 請(qǐng)求：

module.exports = class Application extends Emitter {   
  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); 
  } 
} 

好的，Koa 中間件的內(nèi)容已經(jīng)基本介紹完了，對(duì) Koa 內(nèi)核感興趣的小伙伴，可以自行研究一下。接下來(lái)我們來(lái)介紹洋蔥模型及其應(yīng)用。

二、洋蔥模型2.1 洋蔥模型簡(jiǎn)介

(圖片來(lái)源：https://eggjs.org/en/intro/egg-and-koa.html)

在上圖中，洋蔥內(nèi)的每一層都表示一個(gè)獨(dú)立的中間件，用于實(shí)現(xiàn)不同的功能，比如異常處理、緩存處理等。每次請(qǐng)求都會(huì)從左側(cè)開(kāi)始一層層地經(jīng)過(guò)每層的中間件，當(dāng)進(jìn)入到最里層的中間件之后，就會(huì)從最里層的中間件開(kāi)始逐層返回。因此對(duì)于每層的中間件來(lái)說(shuō)，在一個(gè) 請(qǐng)求和響應(yīng) 周期中，都有兩個(gè)時(shí)機(jī)點(diǎn)來(lái)添加不同的處理邏輯。

2.2 洋蔥模型應(yīng)用

除了在 Koa 中應(yīng)用了洋蔥模型之外，該模型還被廣泛地應(yīng)用在 Github 上一些不錯(cuò)的項(xiàng)目中，比如 koa-router 和阿里巴巴的 midway、umi-request 等項(xiàng)目中。

介紹完 Koa 的中間件和洋蔥模型，阿寶哥根據(jù)自己的理解，抽出以下通用的任務(wù)處理模型：

上圖中所述的中間件，一般是與業(yè)務(wù)無(wú)關(guān)的通用功能代碼，比如用于設(shè)置響應(yīng)時(shí)間的中間件：

// x-response-time 
async function responseTime(ctx, next) { 
  const start = new Date(); 
  await next(); 
  const ms = new Date() - start; 
  ctx.set("X-Response-Time", ms + "ms"); 
} 

其實(shí)，對(duì)于每個(gè)中間件來(lái)說(shuō)，前置處理器和后置處理器都是可選的。比如以下中間件用于設(shè)置統(tǒng)一的響應(yīng)內(nèi)容：

// response 
async function respond(ctx, next) { 
  await next(); 
  if ("/" != ctx.url) return; 
  ctx.body = "Hello World"; 
} 

盡管以上介紹的兩個(gè)中間件都比較簡(jiǎn)單，但你也可以根據(jù)自己的需求來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯。Koa 的內(nèi)核很輕量，麻雀雖小五臟俱全。它通過(guò)提供了優(yōu)雅的中間件機(jī)制，讓開(kāi)發(fā)者可以靈活地?cái)U(kuò)展 Web 服務(wù)器的功能，這種設(shè)計(jì)思想值得我們學(xué)習(xí)與借鑒。

好的，這次就先介紹到這里，后面有機(jī)會(huì)的話，阿寶哥在單獨(dú)介紹一下 Redux 或 Express 的中間件機(jī)制。