如何从头实现一个node.js的koa框架

内容导读

互联网集市收集整理的这篇技术教程文章主要介绍了如何从头实现一个node.js的koa框架，小编现在分享给大家，供广大互联网技能从业者学习和参考。文章包含18341字，纯文字阅读大概需要27分钟。

内容图文

前言

koa.js是最流行的node.js后端框架之一，有很多网站都使用koa进行开发，同时社区也涌现出了一大批基于koa封装的企业级框架。然而，在这些亮眼的成绩背后，作为核心引擎的koa代码库本身，却非常的精简，不得不让人惊叹于其巧妙的设计。

在平时的工作开发中，笔者是koa的重度用户，因此对其背后的原理自然也是非常感兴趣，因此在闲暇之余进行了研究。不过本篇文章，并不是源码分析，而是从相反的角度，向大家展示如何从头开发实现一个koa框架，在这个过程中，koa中最重要的几个概念和原理都会得到展现。相信大家在看完本文之后，会对koa有一个更深入的理解，同时在阅读本文之后再去阅读koa源码，思路也将非常的顺畅。

首先放出笔者实现的这个koa框架代码库地址：simpleKoa

需要说明的是，本文实现的koa是koa 2版本，也就是基于async/await的，因此需要node版本在7.6以上。如果读者的node版本较低，建议升级，或者安装babel-cli，利用其中的babel-node来运行例子。

四条主线

笔者认为，理解koa，主要需要搞懂四条主线，其实也是实现koa的四个步骤，分别是

• 封装node http Server
• 构造resquest, response, context对象
• 中间件机制
• 错误处理

下面就一一进行分析。

主线一：封装node http Server: 从hello world说起

首先，不考虑框架，如果使用原生http模块来实现一个返回hello world的后端app，代码如下：

let http = require('http');
let server = http.createServer((req, res) => {
res.writeHead(200);
res.end('hello world');
});
server.listen(3000, () => {
console.log('listenning on 3000');
});

实现koa的第一步，就是对这个原生的过程进行封装，为此，我们首先创建application.js实现一个Application对象：

// application.js
let http = require('http');
class Application {
/**
* 构造函数
*/
constructor() {
this.callbackFunc;
}
/**
* 开启http server并传入callback
*/
listen(...args) {
let server = http.createServer(this.callback());
server.listen(...args);
}
/**
* 挂载回调函数
* @param {Function} fn 回调处理函数
*/
use(fn) {
this.callbackFunc = fn;
}
/**
* 获取http server所需的callback函数
* @return {Function} fn
*/
callback() {
return (req, res) => {
this.callbackFunc(req, res);
};
}
}
module.exports = Application;

然后创建example.js:

let simpleKoa = require('./application');
let app = new simpleKoa();
app.use((req, res) => {
res.writeHead(200);
res.end('hello world');
});
app.listen(3000, () => {
console.log('listening on 3000');
});

可以看到，我们已经初步完成了对于http server的封装，主要实现了app.use注册回调函数，app.listen语法糖开启server并传入回调函数了，典型的koa风格。

但是美中不足的是，我们传入的回调函数，参数依然使用的是req和res，也就是node原生的request和response对象，这些原生对象和api提供的方法不够便捷，不符合一个框架需要提供的易用性。因此，我们需要进入第二条主线了。

主线二：构造request, response, context对象

如果阅读koa文档，会发现koa有三个重要的对象，分别是request, response, context。其中request是对node原生的request的封装，response是对node原生response对象的封装，context对象则是回调函数上下文对象，挂载了koa request和response对象。下面我们一一来说明。

首先要明确的是，对于koa的request和response对象，只是提供了对node原生request和response对象的一些方法的封装，明确了这一点，我们的思路是，使用js的getter和setter属性，基于node的对象req/res对象封装koa的request/response对象。

规划一下我们要封装哪些易用的方法。这里在文章中为了易懂，姑且只实现以下方法：

对于simpleKoa request对象，实现query读取方法，能够读取到url中的参数，返回一个对象。

对于simpleKoa response对象，实现status读写方法，分别是读取和设置http response的状态码，以及body方法，用于构造返回信息。

而simpleKoa context对象，则挂载了request和response对象，并对一些常用方法进行了代理。

首先创建request.js:

// request.js
let url = require('url');
module.exports = {
get query() {
return url.parse(this.req.url, true).query;
}
};

很简单，就是导出了一个对象，其中包含了一个query的读取方法，通过url.parse方法解析url中的参数，并以对象的形式返回。需要注意的是，代码中的this.req代表的是node的原生request对象，this.req.url就是node原生request中获取url的方法。稍后我们修改application.js的时候，会为koa的request对象挂载这个req。

然后创建response.js:

// response.js
module.exports = {
get body() {
return this._body;
},
/**
* 设置返回给客户端的body内容
*
* @param {mixed} data body内容
*/
set body(data) {
this._body = data;
},
get status() {
return this.res.statusCode;
},
/**
* 设置返回给客户端的stausCode
*
* @param {number} statusCode 状态码
*/
set status(statusCode) {
if (typeof statusCode !== 'number') {
throw new Error('statusCode must be a number!');
}
this.res.statusCode = statusCode;
}
};

也很简单。status读写方法分别设置或读取this.res.statusCode。同样的，这个this.res是挂载的node原生response对象。而body读写方法分别设置、读取一个名为this._body的属性。这里设置body的时候并没有直接调用this.res.end来返回信息，这是考虑到koa当中我们可能会多次调用response的body方法覆盖性设置数据。真正的返回消息操作会在application.js中存在。

然后我们创建context.js文件，构造context对象的原型：

// context.js
module.exports = {
get query() {
return this.request.query;
},
get body() {
return this.response.body;
},
set body(data) {
this.response.body = data;
},
get status() {
return this.response.status;
},
set status(statusCode) {
this.response.status = statusCode;
}
};

可以看到主要是做一些常用方法的代理，通过context.query直接代理了context.request.query，context.body和context.status代理了context.response.body与context.response.status。而context.request，context.response则会在application.js中挂载。

由于context对象定义比较简单并且规范，当实现更多代理方法时候，这样一个一个通过声明的方式显然有点笨，js中，设置setter/getter，可以通过对象的__defineSetter__和__defineSetter__来实现。为此，我们精简了上面的context.js实现方法，精简版本如下：

let proto = {};
// 为proto名为property的属性设置setter
function delegateSet(property, name) {
proto.__defineSetter__(name, function (val) {
this[property][name] = val;
});
}
// 为proto名为property的属性设置getter
function delegateGet(property, name) {
proto.__defineGetter__(name, function () {
return this[property][name];
});
}
// 定义request中要代理的setter和getter
let requestSet = [];
let requestGet = ['query'];
// 定义response中要代理的setter和getter
let responseSet = ['body', 'status'];
let responseGet = responseSet;
requestSet.forEach(ele => {
delegateSet('request', ele);
});
requestGet.forEach(ele => {
delegateGet('request', ele);
});
responseSet.forEach(ele => {
delegateSet('response', ele);
});
responseGet.forEach(ele => {
delegateGet('response', ele);
});
module.exports = proto;

这样，当我们希望代理更多request和response方法的时候，可以直接向requestGet/requestSet/responseGet/responseSet数组中添加method的名称即可（前提是在request和response中实现了）。

最后让我们来修改application.js，基于刚才的3个对象原型来创建request, response, context对象：

// application.js
let http = require('http');
let context = require('./context');
let request = require('./request');
let response = require('./response');
class Application {
/**
* 构造函数
*/
constructor() {
this.callbackFunc;
this.context = context;
this.request = request;
this.response = response;
}
/**
* 开启http server并传入callback
*/
listen(...args) {
let server = http.createServer(this.callback());
server.listen(...args);
}
/**
* 挂载回调函数
* @param {Function} fn 回调处理函数
*/
use(fn) {
this.callbackFunc = fn;
}
/**
* 获取http server所需的callback函数
* @return {Function} fn
*/
callback() {
return (req, res) => {
let ctx = this.createContext(req, res);
let respond = () => this.responseBody(ctx);
this.callbackFunc(ctx).then(respond);
};
}
/**
* 构造ctx
* @param {Object} req node req实例
* @param {Object} res node res实例
* @return {Object} ctx实例
*/
createContext(req, res) {
// 针对每个请求，都要创建ctx对象
let ctx = Object.create(this.context);
ctx.request = Object.create(this.request);
ctx.response = Object.create(this.response);
ctx.req = ctx.request.req = req;
ctx.res = ctx.response.res = res;
return ctx;
}
/**
* 对客户端消息进行回复
* @param {Object} ctx ctx实例
*/
responseBody(ctx) {
let content = ctx.body;
if (typeof content === 'string') {
ctx.res.end(content);
}
else if (typeof content === 'object') {
ctx.res.end(JSON.stringify(content));
}
}
}

可以看到，最主要的是增加了createContext方法，基于我们之前创建的context 为原型，使用Object.create(this.context)方法创建了ctx，并同样通过Object.create(this.request)和Object.create(this.response)创建了request/response对象并挂在到了ctx对象上面。此外，还将原生node的req/res对象挂载到了ctx.request.req/ctx.req和ctx.response.res/ctx.res对象上。

回过头去看我们之前的context/request/response.js文件，就能知道当时使用的this.res或者this.response之类的是从哪里来的了，原来是在这个createContext方法中挂载到了对应的实例上。一张图来说明其中的关系：

构建了运行时上下文ctx之后，我们的app.use回调函数参数就都基于ctx了。

下面一张图描述了ctx对象的结构和继承关系：

最后回忆我们的ctx.body方法，并没有直接返回消息体，而是将消息存储在了一个变量属性中。为了每次回调函数处理结束之后返回消息，我们创建了responseBody方法，主要作用就是通过ctx.body读取存储的消息，然后调用ctx.res.end返回消息并关闭连接。从方法中知道，我们的body消息体可以是字符串，也可以是对象（会序列化为字符串返回）。注意这个方法的调用是在回调函数结束之后调用的，而我们的回调函数是一个async函数，其执行结束后会返回一个Promise对象，因此我们只需要在其后通过.then方法调用我们的responseBody即可，这就是this.callbackFunc(ctx).then(respond)的意义。

然后我们来测试一下目前为止的框架。修改example.js如下：

let simpleKoa = require('./application');
let app = new simpleKoa();
app.use(async ctx => {
ctx.body = 'hello ' + ctx.query.name;
});
app.listen(3000, () => {
console.log('listening on 3000');
});

可以看到这个时候我们通过app.use传入的已经不再是原生的function (req, res)回调函数，而是koa2中的async函数，接收ctx作为参数。为了测试，在浏览器访问localhost:3000?name=tom，可以看到返回了'hello tom'，符合预期。

这里再插入分析一个知识概念。从刚才的实现中，我们知道了this.context是我们的中间件中上下文ctx对象的原型。因此在实际开发中，我们可以将一些常用的方法挂载到this.context上面，这样，在中间件ctx中，我们也可以方便的使用这些方法了，这个概念就叫做ctx的扩展，一个例子是阿里的egg.js框架已经把这个扩展机制作为一部分，融入到了框架开发中。

下面就展示一个例子，我们写一个echoData的方法作为扩展，传入errno, data, errmsg，能够给客户端返回结构化的消息结果：

let SimpleKoa = require('./application');
let app = new SimpleKoa();
// 对ctx进行扩展
app.context.echoData = function (errno = 0, data = null, errmsg = '') {
this.res.setHeader('Content-Type', 'application/json;charset=utf-8');
this.body = {
errno: errno,
data: data,
errmsg: errmsg
};
};
app.use(async ctx => {
let data = {
name: 'tom',
age: 16,
sex: 'male'
}
// 这里使用扩展，方便的返回utf-8格式编码，带有errno和errmsg的消息体
ctx.echoData(0, data, 'success');
});
app.listen(3000, () => {
console.log('listenning on 3000');
});

主线三：中间件机制

到目前为止，我们成功封装了http server，并构造了context, request, response对象。但最重要的一条主线却还没有实现，那就是koa的中间件机制。

关于koa的中间件洋葱执行模型，koa 1中使用的是generator + co.js执行的方式，koa 2中则使用了async/await。关于koa 1中的中间件原理，我曾写过一篇文章进行解释，请移步：深入探析koa之中间件流程控制篇

这里我们实现的是基于koa 2的，因此再描述一下原理。为了便于理解，假设我们有3个async函数:

async function m1(next) {
console.log('m1');
await next();
}
async function m2(next) {
console.log('m2');
await next();
}
async function m3() {
console.log('m3');
}

我们希望能够构造出一个函数，实现的效果是让三个函数依次执行。首先考虑想让m2执行完毕后，await next()去执行m3函数，那么显然，需要构造一个next函数，作用是调用m3，然后作为参数传给m2

let next1 = async function () {
await m3();
}
m2(next1);
// 

输出：m2,m3

进一步，考虑从m1开始执行，那么，m1的next参数需要是一个执行m2的函数，并且给m2传入的参数是m3,下面来模拟：

let next1 = async function () {
await m3();
}
let next2 = async function () {
await m2(next1);
}
m1(next2);
// 

输出：m1,m2,m3

那么对于n个async函数，希望他们按顺序依次执行呢？可以看到，产生nextn的过程能够抽象为一个函数：

function createNext(middleware, oldNext) {
return async function () {
await middleware(oldNext);
}
}
let next1 = createNext(m3, null);
let next2 = createNext(m2, next1);
let next3 = createNext(m1, next2);
next3();
// 

输出m1, m2, m3

进一步精简：

let middlewares = [m1, m2, m3];
let len = middlewares.length;
// 最后一个中间件的next设置为一个立即resolve的promise函数
let next = async function () {
return Promise.resolve();
}
for (let i = len - 1; i >= 0; i--) {
next = createNext(middlewares[i], next);
}
next();
// 

输出m1, m2, m3

至此，我们也有了koa中间件机制实现的思路，新的application.js如下：

/**
* @file simpleKoa application对象
*/
let http = require('http');
let context = require('./context');
let request = require('./request');
let response = require('.//response');
class Application {
/**
* 构造函数
*/
constructor() {
this.middlewares = [];
this.context = context;
this.request = request;
this.response = response;
}
// ...省略中间
/**
* 中间件挂载
* @param {Function} middleware 中间件函数
*/
use(middleware) {
this.middlewares.push(middleware);
}
/**
* 中间件合并方法，将中间件数组合并为一个中间件
* @return {Function}
*/
compose() {
// 将middlewares合并为一个函数，该函数接收一个ctx对象
return async ctx => {
function createNext(middleware, oldNext) {
return async () => {
await middleware(ctx, oldNext);
}
}
let len = this.middlewares.length;
let next = async () => {
return Promise.resolve();
};
for (let i = len - 1; i >= 0; i--) {
let currentMiddleware = this.middlewares[i];
next = createNext(currentMiddleware, next);
}
await next();
};
}
/**
* 获取http server所需的callback函数
* @return {Function} fn
*/
callback() {
return (req, res) => {
let ctx = this.createContext(req, res);
let respond = () => this.responseBody(ctx);
let fn = this.compose();
return fn(ctx).then(respond);
};
}
// ...省略后面
}
module.exports = Application;

可以看到，首先对app.use进行改造了，每次调用app.use，就向this.middlewares中push一个回调函数。然后增加了一个compose()方法，利用我们前文分析的原理，对middlewares数组中的函数进行组装，返回一个最终的函数。最后，在callback()方法中，调用compose()得到最终回调函数，并执行。

改写example.js验证一下中间件机制：

let simpleKoa = require('./application');
let app = new simpleKoa();
let responseData = {};
app.use(async (ctx, next) => {
responseData.name = 'tom';
await next();
ctx.body = responseData;
});
app.use(async (ctx, next) => {
responseData.age = 16;
await next();
});
app.use(async ctx => {
responseData.sex = 'male';
});
app.listen(3000, () => {
console.log('listening on 3000');
});
// 返回{ name: "tom", age: 16, sex: "male"}

例子中一共三个中间件，分别对responseData增加了name, age, sex属性，最后返回该数据。

至此，一个koa框架基本已经浮出水面了，不过我们还需要进行最后一个主线的分析：错误处理。

主线四：错误处理

一个健壮的框架，必须保证在发生错误的时候，能够捕获错误并有降级方案返回给客户端。但显然现在我们的框架还做不到这一点，假设我们修改一下例子，我们的中间件中，有一个发生错误抛出了异常：

let simpleKoa = require('./application');
let app = new simpleKoa();
let responseData = {};
app.use(async (ctx, next) => {
responseData.name = 'tom';
await next();
ctx.body = responseData;
});
app.use(async (ctx, next) => {
responseData.age = 16;
await next();
});
app.use(async ctx => {
responseData.sex = 'male';
// 这里发生了错误，抛出了异常
throw new Error('oooops');
});
app.listen(3000, () => {
console.log('listening on 3000');
});

这个时候访问浏览器，是得不到任何响应的，这是因为异常并没有被我们的框架捕获并进行降级处理。回顾我们application.js中的中间件执行代码：

// application.js
// ...
callback() {
return (req, res) => {
let ctx = this.createContext(req, res);
let respond = () => this.responseBody(ctx);
let fn = this.compose();
return fn(ctx).then(respond);
};
}
// ...

其中我们知道，fn是一个async函数，执行后返回一个promise，回想promise的错误处理是怎样的？没错，我们只需要定义一个onerror函数，里面进行错误发生时候的降级处理，然后在promise的catch方法中引用这个函数即可。

于此同时，回顾koa框架，我们知道在错误发生的时候，app对象可以通过app.on('error', callback)订阅错误事件，这有助于我们几种处理错误，比如打印日志之类的操作。为此，我们也要对Application对象进行改造，让其继承nodejs中的events对象，然后在onerror方法中emit错误事件。改造后的application.js如下：

/**
* @file simpleKoa application对象
*/
let EventEmitter = require('events');
let http = require('http');
let context = require('./context');
let request = require('./request');
let response = require('./response');
class Application extends EventEmitter {
/**
* 构造函数
*/
constructor() {
super();
this.middlewares = [];
this.context = context;
this.request = request;
this.response = response;
}
// ...
/**
* 获取http server所需的callback函数
* @return {Function} fn
*/
callback() {
return (req, res) => {
let ctx = this.createContext(req, res);
let respond = () => this.responseBody(ctx);
let onerror = (err) => this.onerror(err, ctx);
let fn = this.compose();
// 在这里catch异常，调用onerror方法处理异常
return fn(ctx).then(respond).catch(onerror);
};
}
// ...
/**
* 错误处理
* @param {Object} err Error对象
* @param {Object} ctx ctx实例
*/
onerror(err, ctx) {
if (err.code === 'ENOENT') {
ctx.status = 404;
}
else {
ctx.status = 500;
}
let msg = err.message || 'Internal error';
ctx.res.end(msg);
// 触发error事件
this.emit('error', err);
}
}
module.exports = Application;

可以看到，onerror方法的对异常的处理主要是获取异常状态码，当err.code为'ENOENT'的时候，返回的消息头设置为404，否则默认设置为500，然后消息体设置为err.message，如果异常中message属性为空，则默认消息体设置为'Internal error'。此后调用ctx.res.end返回消息，这样就能保证即使异常情况下，客户端也能收到返回值。最后通过this.emit出发error事件。

然后我们写一个example来验证错误处理：

let simpleKoa = require('./application');
let app = new simpleKoa();
app.use(async ctx => {
throw new Error('ooops');
});
app.on('error', (err) => {
console.log(err.stack);
});
app.listen(3000, () => {
console.log('listening on 3000');
});

浏览器访问'localhost:3000'的时候，得到返回'ooops'，同时http状态码为500 。同时app.on('error')订阅到了异常事件，在回调函数中打印出了错误栈信息。

关于错误处理，这里多说一点。虽然koa中内置了错误处理机制，但是实际业务开发中，我们往往希望能够自定义错误处理方式，这个时候，比较好的办法是在最开头增加一个错误捕获中间件，然后根据错误进行定制化的处理，比如：

// 错误处理中间件
app.use(async (ctx, next) => {
try {
await next();
}
catch (err) {
// 在这里进行定制化的错误处理
}
});
// ...其他中间件

至此，我们就完整实现了一个轻量版的koa框架。

结语

完整的simpleKoa代码库地址为：simpleKoa，里面还附带了一些example。

理解了这个轻量版koa的实现原理，读者还可以去看看koa的源码，会发现机制和我们实现的框架是非常类似的，无非是多了一些细节，比如说，完整koa的context/request/response方法上面挂载了更多好用的method，或者很多方法中容错处理更好等等。具体在本文中就不展开讲了，留给感兴趣的读者去探索吧~。

以上就是本文的全部内容，希望对大家的学习有所帮助，也希望大家多多支持脚本之家。

内容总结

以上是互联网集市为您收集整理的如何从头实现一个node.js的koa框架全部内容，希望文章能够帮你解决如何从头实现一个node.js的koa框架所遇到的程序开发问题。 如果觉得互联网集市技术教程内容还不错，欢迎将互联网集市网站推荐给程序员好友。

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