Koa是一個(gè)非常輕量化的Node.js web應(yīng)用框架,其洋蔥圈模型是它獨(dú)特的設(shè)計(jì)理念和核心實(shí)現(xiàn)機(jī)制之一。本文將詳細(xì)介紹Koa的洋蔥圈模型背后的設(shè)計(jì)思想,以及它是如何實(shí)現(xiàn)的。

洋蔥圈模型設(shè)計(jì)思想

Koa的洋蔥圈模型主要是受函數(shù)式編程中的compose思想啟發(fā)而來(lái)的。Compose函數(shù)可以將需要順序執(zhí)行的多個(gè)函數(shù)復(fù)合起來(lái)，后一個(gè)函數(shù)將前一個(gè)函數(shù)的執(zhí)行結(jié)果作為參數(shù)。這種函數(shù)嵌套是一種函數(shù)式編程模式。

Koa借鑒了這個(gè)思想，其中的中間件(middleware)就相當(dāng)于compose中的函數(shù)。請(qǐng)求到來(lái)時(shí)會(huì)經(jīng)過(guò)一個(gè)中間件棧，每個(gè)中間件會(huì)順序執(zhí)行，并把執(zhí)行結(jié)果傳給下一個(gè)中間件。這就像洋蔥一樣，一層層剝開(kāi)。

這樣的洋蔥圈模型設(shè)計(jì)有以下幾點(diǎn)好處:

• 更好地封裝和復(fù)用代碼邏輯，每個(gè)中間件只需要關(guān)注自己的功能。
• 更清晰的程序邏輯，通過(guò)中間件的嵌套可以表明代碼的執(zhí)行順序。
• 更好的錯(cuò)誤處理，每個(gè)中間件可以選擇捕獲錯(cuò)誤或?qū)㈠e(cuò)誤傳遞給外層。
• 更高的擴(kuò)展性，可以很容易地在中間件棧中添加或刪除中間件。

洋蔥圈模型實(shí)現(xiàn)機(jī)制

Koa的洋蔥圈模型主要是通過(guò)Generator函數(shù)和Koa Context對(duì)象來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

Generator函數(shù)

Generator是ES6中新增的一種異步編程解決方案。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，Generator函數(shù)可以像正常函數(shù)那樣被調(diào)用，但其執(zhí)行體可以暫停在某個(gè)位置，待到外部重新喚起它的時(shí)候再繼續(xù)往后執(zhí)行。這使其非常適合表示異步操作。

// koa中使用generator函數(shù)表示中間件執(zhí)行鏈
function *logger(next){
  console.log('outer');
  yield next;
  console.log('inner');
}

function *main(){
  yield logger();
}

var gen = main();
gen.next(); // outer
gen.next(); // inner

Koa使用Generator函數(shù)來(lái)表示洋蔥圈模型中的中間件執(zhí)行鏈。外層不斷調(diào)用next重新執(zhí)行Generator函數(shù)體，Generator函數(shù)再按順序yield內(nèi)層中間件異步操作。這樣就可以很優(yōu)雅地表示中間件的異步串行執(zhí)行過(guò)程。

Koa Context對(duì)象

Koa Context封裝了請(qǐng)求上下文，作為所有中間件共享的對(duì)象，它保證了中間件之間可以通過(guò)Context對(duì)象傳遞信息。具體而言，Context對(duì)象在所有中間件間共享以下功能:

• ctx.request：請(qǐng)求對(duì)象。
• ctx.response：響應(yīng)對(duì)象。
• ctx.state：推薦的命名空間，用于中間件間共享數(shù)據(jù)。
• ctx.throw：手動(dòng)觸發(fā)錯(cuò)誤。
• ctx.app：應(yīng)用實(shí)例引用。

// Context對(duì)象示例
ctx = {
  request: {...}, 
  response: {...},
  state: {},
  throw: function(){...},
  app: {...}
}

// 中間件通過(guò)ctx對(duì)象傳遞信息
async function middleware1(ctx){
  ctx.response.body = 'hello';
}

async function middleware2(ctx){
  let body = ctx.response.body; 
  //...
}

每次請(qǐng)求上下文創(chuàng)建后，這個(gè)Context實(shí)例會(huì)在所有中間件間傳遞，中間件可以通過(guò)它寫(xiě)入響應(yīng)，傳遞數(shù)據(jù)等。

中間件執(zhí)行流程

當(dāng)請(qǐng)求到達(dá)Koa應(yīng)用時(shí)，會(huì)創(chuàng)建一個(gè)Context實(shí)例，然后按順序執(zhí)行中間件棧:

• 最內(nèi)層中間件首先執(zhí)行，可以操作Context進(jìn)行一些初始化工作。
• 用yield將執(zhí)行權(quán)轉(zhuǎn)交給下一個(gè)中間件。
• 下一個(gè)中間件執(zhí)行，并再次yield交還執(zhí)行權(quán)。
• 當(dāng)最后一個(gè)中間件執(zhí)行完畢后，倒序執(zhí)行中間件的剩余邏輯。
• 每個(gè)中間件都可以讀取之前中間件寫(xiě)入Context的狀態(tài)。
• 最外層獲得Context并響應(yīng)請(qǐng)求。

// 示意中間件執(zhí)行流程
app.use(async function(ctx, next){
  // 最內(nèi)層執(zhí)行
  ctx.message = 'hello';

  await next();
  
  // 最內(nèi)層剩余邏輯  
});

app.use(async function(ctx, next){
  // 第二層執(zhí)行
  
  await next();

  // 第二層剩余邏輯
  console.log(ctx.message); 
});

// 最外層獲得ctx并響應(yīng)

這就是洋蔥圈模型核心流程，通過(guò)Generator函數(shù)和Context對(duì)象實(shí)現(xiàn)了優(yōu)雅的異步中間件機(jī)制。

完整解析

Koa中間件是一個(gè)Generator函數(shù)，可以通過(guò)yield關(guān)鍵字來(lái)調(diào)用下一個(gè)中間件。例如:

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

app.use(async (ctx, next) => {
  console.log('中間件1開(kāi)始');
  
  await next();
  
  console.log('中間件1結(jié)束');
});

app.use(async (ctx, next) => {
  console.log('中間件2');

  await next();

  console.log('中間件2結(jié)束');  
});

app.use(async ctx => {
  console.log('中間件3')
});

app.listen(3000);

在代碼中，可以看到Koa注冊(cè)中間件是通過(guò)app.use實(shí)現(xiàn)的。所有中間件的回調(diào)函數(shù)中，await next()前面的邏輯是按照中間件注冊(cè)的順序從上往下執(zhí)行的，而await next()后面的邏輯是按照中間件注冊(cè)的順序從下往上執(zhí)行的。

執(zhí)行流程如下:

• 收到請(qǐng)求,進(jìn)入第一個(gè)中間件。
• 第一個(gè)中間件打印日志,調(diào)用next進(jìn)入第二個(gè)中間件。
• 第二個(gè)中間件打印日志,調(diào)用next進(jìn)入第三個(gè)中間件。
• 第三個(gè)中間件打印日志,并結(jié)束請(qǐng)求。
• control返回第二個(gè)中間件,打印結(jié)束日志。
• control返回第一個(gè)中間件,打印結(jié)束日志。
• 請(qǐng)求結(jié)束。

這樣每個(gè)中間件都可以控制請(qǐng)求前和請(qǐng)求后，形成洋蔥圈模型。

中間件的實(shí)現(xiàn)原理

Koa通過(guò)compose函數(shù)來(lái)組合中間件，實(shí)現(xiàn)洋蔥圈模型。compose接收一個(gè)中間件數(shù)組作為參數(shù)，執(zhí)行數(shù)組中的中間件，返回一個(gè)可以執(zhí)行所有中間件的函數(shù)。

compose函數(shù)的實(shí)現(xiàn)源碼如下:

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)
      }
    }
  }
}

這里利用了函數(shù)遞歸的機(jī)制。dispatch函數(shù)接收當(dāng)前中間件的索引i，如果i大于中間件數(shù)組長(zhǎng)度，則執(zhí)行next函數(shù)。如果i小于中間件數(shù)組長(zhǎng)度，則取出對(duì)應(yīng)索引的中間件函數(shù)執(zhí)行。

執(zhí)行中間件函數(shù)的時(shí)候，遞歸調(diào)用dispatch，同時(shí)將索引+1，表示執(zhí)行下一個(gè)中間件。

這樣通過(guò)遞歸不斷調(diào)用dispatch函數(shù)，就可以依次執(zhí)行每個(gè)中間件，實(shí)現(xiàn)洋蔥圈模型。

所以Koa的洋蔥圈模型實(shí)現(xiàn)得非常簡(jiǎn)潔優(yōu)雅，這也是Koa作為新一代Node框架，相比Express更優(yōu)秀的設(shè)計(jì)。

洋蔥圈模型的優(yōu)勢(shì)

提高中間件的復(fù)用性

洋蔥模型讓每個(gè)中間件都可以控制請(qǐng)求前和請(qǐng)求后,這樣中間件可以根據(jù)需要完成各種額外的功能,不會(huì)相互干擾,提高了中間件的復(fù)用性。

使代碼結(jié)構(gòu)更清晰

洋蔥模型層層嵌套，執(zhí)行流程一目了然，代碼閱讀性好，結(jié)構(gòu)清晰。不會(huì)像其他模型那樣回調(diào)多層嵌套，代碼難以維護(hù)。

異步編程更簡(jiǎn)單

洋蔥模型通過(guò)async/await，使異步代碼可以以同步的方式編寫(xiě)，沒(méi)有回調(diào)函數(shù)，代碼邏輯更清晰。

錯(cuò)誤處理更友好

每個(gè)中間件都可以捕獲自己的錯(cuò)誤，并且不會(huì)影響其他中間件的執(zhí)行，這樣對(duì)錯(cuò)誤處理更加友好。

方便Debug

通過(guò)洋蔥模型可以清楚看到每個(gè)中間件的進(jìn)入和離開(kāi)，方便Debug。

便于擴(kuò)展

可以隨意在洋蔥圈的任意層增加或刪除中間件，結(jié)構(gòu)靈活，便于擴(kuò)展。

總結(jié)

總體來(lái)說(shuō)，洋蔥模型使中間件更容易編寫(xiě)、維護(hù)和擴(kuò)展，這也是Koa等新框架選擇它的主要原因。它的嵌套結(jié)構(gòu)和異步編程支持，使Koa的中間件機(jī)制更優(yōu)雅和高效。