前言

用了那么多年的express.js，终于有时间来深入学习express，然后顺便再和koa2的实现方式对比一下。

老实说，还没看express.js源码之前，一直觉得express.js还是很不错的，无论从api设计，还是使用上都是可以的。但是这次阅读完express代码之后，我可能改变想法了。

虽然express.js有着精妙的中间件设计，但是以当前js标准来说，这种精妙的设计在现在可以说是太复杂。里面的层层回调和递归，不花一定的时间还真的很难读懂。而koa2的代码呢？简直可以用四个字评论：精简彪悍！仅仅几个文件，用上最新的js标准，就很好实现了中间件，代码读起来一目了然。

老规矩，读懂这篇文章，我们依然有一个简单的demo来演示： express-vs-koa

1、express用法和koa用法简单展示

如果你使用express.js启动一个简单的服务器，那么基本写法应该是这样：

const express = require('express')

const app = express()
const router = express.Router()

app.use(async (req, res, next) => {
  console.log('I am the first middleware')
  next()
  console.log('first middleware end calling')
})
app.use((req, res, next) => {
  console.log('I am the second middleware')
  next()
  console.log('second middleware end calling')
})

router.get('/api/test1', async(req, res, next) => {
  console.log('I am the router middleware => /api/test1')
  res.status(200).send('hello')
})

router.get('/api/testerror', (req, res, next) => {
  console.log('I am the router middleware => /api/testerror')
  throw new Error('I am error.')
})

app.use('/', router)

app.use(async(err, req, res, next) => {
  if (err) {
    console.log('last middleware catch error', err)
    res.status(500).send('server Error')
    return
  }
  console.log('I am the last middleware')
  next()
  console.log('last middleware end calling')
})

app.listen(3000)
console.log('server listening at port 3000')

换算成等价的koa2，那么用法是这样的：

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

const app = new koa()
const router = Router()

app.use(async(ctx, next) => {
  console.log('I am the first middleware')
  await next()
  console.log('first middleware end calling')
})

app.use(async (ctx, next) => {
  console.log('I am the second middleware')
  await next()
  console.log('second middleware end calling')
})

router.get('/api/test1', async(ctx, next) => {
  console.log('I am the router middleware => /api/test1')
  ctx.body = 'hello'
})

router.get('/api/testerror', async(ctx, next) => {
  throw new Error('I am error.')
})

app.use(router.routes())

app.listen(3000)
console.log('server listening at port 3000')

如果你还感兴趣原生nodejs启动服务器是怎么使用的，可以参考demo中的这个文件：node.js

于是二者的使用区别通过表格展示如下：

上表展示了二者的使用区别，从初始化就看出koa语法都是用的新标准。在挂载路由中间件上也有一定的差异性，这是因为二者内部实现机制的不同。其他都是大同小异的了。

那么接下去，我们的重点便是放在二者的中间件的实现上。

2、express.js中间件实现原理

我们先来看一个demo，展示了express.js的中间件在处理某些问题上的弱势。demo代码如下：

const express = require('express')

const app = express()

const sleep = (mseconds) => new Promise((resolve) => setTimeout(() => {
  console.log('sleep timeout...')
  resolve()
}, mseconds))

app.use(async (req, res, next) => {
  console.log('I am the first middleware')
  const startTime = Date.now()
  console.log(`================ start ${req.method} ${req.url}`, { query: req.query, body: req.body });
  next()
  const cost = Date.now() - startTime
  console.log(`================ end ${req.method} ${req.url} ${res.statusCode} - ${cost} ms`)
})
app.use((req, res, next) => {
  console.log('I am the second middleware')
  next()
  console.log('second middleware end calling')
})

app.get('/api/test1', async(req, res, next) => {
  console.log('I am the router middleware => /api/test1')
  await sleep(2000)
  res.status(200).send('hello')
})

app.use(async(err, req, res, next) => {
  if (err) {
    console.log('last middleware catch error', err)
    res.status(500).send('server Error')
    return
  }
  console.log('I am the last middleware')
  await sleep(2000)
  next()
  console.log('last middleware end calling')
})

app.listen(3000)
console.log('server listening at port 3000')

该demo中当请求/api/test1的时候打印结果是什么呢？

I am the first middleware
================ start GET /api/test1
I am the second middleware
I am the router middleware => /api/test1
second middleware end calling
================ end GET /api/test1 200 - 3 ms
sleep timeout...

如果你清楚这个打印结果的原因，想必对express.js的中间件实现有一定的了解。

我们先看看第一节demo的打印结果是：

I am the first middleware
I am the second middleware
I am the router middleware => /api/test1
second middleware end calling
first middleware end calling

这个打印符合大家的期望，但是为什么刚才的demo打印的结果就不符合期望了呢？二者唯一的区别就是第二个demo加了异步处理。有了异步处理，整个过程就乱掉了。因为我们期望的执行流程是这样的：

I am the first middleware
================ start GET /api/test1
I am the second middleware
I am the router middleware => /api/test1
sleep timeout...
second middleware end calling
================ end GET /api/test1 200 - 3 ms

那么是什么导致这样的结果呢？我们在接下去的分析中可以得到答案。

2.1、express挂载中间件的方式

要理解其实现，我们得先知道express.js到底有多少种方式可以挂载中间件进去？熟悉express.js的童鞋知道吗？知道的童鞋可以心里默默列举一下。

目前可以挂载中间件进去的有：(HTTP Method指代那些http请求方法，诸如Get/Post/Put等等)

• app.use
• app.[HTTP Method]
• app.all
• app.param
• router.all
• router.use
• router.param
• router.[HTTP Method]

2.2、express中间件初始化

express代码中依赖于几个变量(实例)：app、router、layer、route，这几个实例之间的关系决定了中间件初始化后形成一个数据模型，画了下面一张图片来展示：

image

图中存在两块Layer实例，挂载的地方也不一样，以express.js为例子，我们通过调试找到更加形象的例子：

image

结合二者，我们来聊聊express中间件初始化。为了方便，我们把上图1叫做初始化模型图，上图2叫做初始化实例图

看上面两张图，我们抛出下面几个问题，搞懂问题便是搞懂了初始化。

• 初始化模型图Layer实例为什么分两种？
• 初始化模型图Layer实例中route字段什么时候会存在？
• 初始化实例图中挂载的中间件为什么有7个？
• 初始化实例图中圈2和圈3的route字段不一样，而且name也不一样，为什么？
• 初始化实例图中的圈4里也有Layer实例，这个时候的Layer实例和上面的Layer实例不一样吗？

首先我们先输出这样的一个概念：Layer实例是path和handle互相映射的实体，每一个Layer便是一个中间件。

这样的话，我们的中间件中就有可能嵌套中间件，那么对待这种情形，express就在Layer中做手脚。我们分两种情况挂载中间件：

1. 使用app.use、router.use来挂载的
   • app.use经过一系列处理之后最终也是调用router.use的
2. 使用app.all、app.[Http Method]、app.route、router.all、router.[Http Method]、router.route来挂载的
   • app.all、app.[Http Method]、app.route、router.all、router.[Http Method]经过一系列处理之后最终也是调用router.route的

因此我们把焦点聚焦在router.use和router.route这两个方法。

2.2.1、router.use

该方法的最核心一段代码是：

for (var i = 0; i < callbacks.length; i++) {
  var fn = callbacks[i];

  if (typeof fn !== 'function') {
    throw new TypeError('Router.use() requires a middleware function but got a ' + gettype(fn))
  }

  // add the middleware
  debug('use %o %s', path, fn.name || '<anonymous>')

  var layer = new Layer(path, {
    sensitive: this.caseSensitive,
    strict: false,
    end: false
  }, fn);

  // 注意这个route字段设置为undefined
  layer.route = undefined;

  this.stack.push(layer);
}

此时生成的Layer实例对应的便是初始化模型图1指示的多个Layer实例，此时以express.js为例子，我们看初始化实例图圈1的所有Layer实例，会发现除了我们自定义的中间件(共5个)，还有两个系统自带的，看初始化实例图的Layer的名字分别是：query和expressInit。二者的初始化是在[application.js]中的lazyrouter方法：

app.lazyrouter = function lazyrouter() {
  if (!this._router) {
    this._router = new Router({
      caseSensitive: this.enabled('case sensitive routing'),
      strict: this.enabled('strict routing')
    });

    this._router.use(query(this.get('query parser fn'))); // 最终调用的就是router.use方法
    this._router.use(middleware.init(this)); // 最终调用的就是router.use方法
  }
};

于是回答了我们刚才的第三个问题。7个中间件，2个系统自带、3个APP级别的中间、2个路由级别的中间件

2.2.2、router.route

我们说过app.all、app.[Http Method]、app.route、router.all、router.[Http Method]经过一系列处理之后最终也是调用router.route的，所以我们在demo中的express.js，使用了两次app.get，其最后调用了router.route，我们看该方法核心实现：

proto.route = function route(path) {
  var route = new Route(path);

  var layer = new Layer(path, {
    sensitive: this.caseSensitive,
    strict: this.strict,
    end: true
  }, route.dispatch.bind(route));

  layer.route = route;

  this.stack.push(layer);
  return route;
};

这么简单的实现，与上一个方法的实现唯一的区别就是多了new Route这个。通过二者对比，我们可以回答上面的好几个问题：

• 初始化模型图Layer实例为什么分两种? 因为调用方式的不同决定了Layer实例的不同，第二种Layer实例是挂载在route实例之下的。
• 初始化模型图Layer实例中route字段什么时候会存在？使用router.route的时候就会存在
• 初始化实例图中圈2和圈3的route字段不一样，而且name也不一样，为什么？圈2的Layer因为我们使用箭头函数，不存在函数名，所以name是anonymous，但是圈3因为使用的router.route，所以其统一的回调函数都是route.dispath，因此其函数名字都统一是bound dispatch，同时二者的route字段是否赋值也一目了然

最后一个问题，既然实例化route之后，route有了自己的Layer，那么它的初始化又是在哪里的？初始化核心代码：

// router/route.js/Route.prototype[method]
for (var i = 0; i < handles.length; i++) {
    var handle = handles[i];

    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);
    }

    debug('%s %o', method, this.path)

    var layer = Layer('/', {}, handle);
    layer.method = method;

    this.methods[method] = true;
    this.stack.push(layer);
  }

可以看到新建的route实例，维护的是一个path，对应多个method的handle的映射。每一个method对应的handle都是一个layer，path统一为/。这样就轻松回答了最后一个问题了。

至此，再回去看初始化模型图，相信大家可以有所明白了吧~

2.3、express中间件的执行逻辑

整个中间件的执行逻辑无论是外层Layer，还是route实例的Layer，都是采用递归调用形式，一个非常重要的函数next()实现了这一切，这里做了一张流程图，希望对你理解这个有点用处：

image

我们再把express.js的代码使用另外一种形式实现，这样你就可以完全搞懂整个流程了。

为了简化，我们把系统挂载的两个默认中间件去掉，把路由中间件去掉一个，最终的效果是：

((req, res) => {
  console.log('I am the first middleware');
  ((req, res) => {
    console.log('I am the second middleware');
    (async(req, res) => {
      console.log('I am the router middleware => /api/test1');
      await sleep(2000)
      res.status(200).send('hello')
    })(req, res)
    console.log('second middleware end calling');
  })(req, res)
  console.log('first middleware end calling')
})(req, res)

因为没有对await或者promise的任何处理，所以当中间件存在异步函数的时候，因为整个next的设计原因，并不会等待这个异步函数resolve,于是我们就看到了sleep函数的打印被放在了最后面，并且第一个中间件想要记录的请求时间也变得不再准确了~

但是有一点需要申明的是虽然打印变得奇怪，但是绝对不会影响整个请求，因为response是在我们await之后，所以请求是否结束还是取决于我们是否调用了res.send这类函数

至此，希望整个express中间件的执行流程你可以熟悉一二，更多细节建议看看源码，这种精妙的设计确实不是这篇文章能够说清楚的。本文只是想你在面试的过程中可以做到有话要说~

接下去，我们分析牛逼的Koa2，这个就不需要费那么大篇幅去讲，因为实在是太太容易理解了。

3、koa2中间件

koa2中间件的主处理逻辑放在了koa-compose，也就是仅仅一个函数的事情：

function compose (middleware) {
  if (!Array.isArray(middleware)) throw new TypeError('Middleware stack must be an array!')
  for (const fn of middleware) {
    if (typeof fn !== 'function') throw new TypeError('Middleware must be composed of functions!')
  }

  /**
   * @param {Object} context
   * @return {Promise}
   * @api public
   */

  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)
      }
    }
  }
}

每个中间件调用的next()其实就是这个：

dispatch.bind(null, i + 1)

还是利用闭包和递归的性质，一个个执行，并且每次执行都是返回promise，所以最后得到的打印结果也是如我们所愿。那么路由的中间件是否调用就不是koa2管的，这个工作就交给了koa-router，这样koa2才可以保持精简彪悍的风格。

再贴出koa中间件的执行流程吧：

middleware

最后

有了这篇文章，相信你再也不怕面试官问你express和koa的区别了~

参考

1. koa
2. express
3. http