Koa框架實踐與中間件原理剖析

　　 最近嘗試用了一下Koa，並在此記錄一下使用心得。

　　注意：本文是以讀者已經了解Generator和Promise為前提在寫的，因為單單Generator和Promise都能夠寫一篇博文來講解介紹了，所以就不在這里贅述。網上資料很多，可以自行查閱。

　　Koa是Express原班人馬打造的一個更小，基於nodejs平台的下一代web開發框架。Koa的精妙之處就在於其使用generator和promise，實現了一種更為有趣的中間件系統，Koa的中間件是一系列generator函數的對象，執行起來有點類似於棧的結構，依次執行。同時也類似於Python的django框架的中間件系統，以前蘇千大神做分享的時候把這種模型稱作為洋蔥模型。如圖：

　　

　　當一個請求過來的時候，會依次經過各個中間件進行處理，中間件跳轉的信號是yield next，當到某個中間件后，該中間件處理完不執行yield next的時候，然后就會逆序執行前面那些中間件剩下的邏輯。直接上個官網的例子：

var koa = require('koa');
var app = koa();

// response-time中間件
app.use(function *(next){
  var start = new Date;
  yield next;
  var ms = new Date - start;
  this.set('X-Response-Time', ms + 'ms');
});

// logger中間件
app.use(function *(next){
  var start = new Date;
  yield next;
  var ms = new Date - start;
  console.log('%s %s - %s', this.method, this.url, ms);
});

// 響應中間件
app.use(function *(){
  this.body = 'Hello World';
});

app.listen(3000);

　　上面的執行順序就是：請求 ==> response-time中間件 ==> logger中間件 ==> 響應中間件 ==> logger中間件 ==> response-time中間件 ==> 響應。

　　更詳細描述就是：請求進來，先進到response-time中間件，執行 var start = new Date; 然后遇到yield next，則暫停response-time中間件的執行，跳轉進logger中間件，同理，最后進入響應中間件，響應中間件中沒有yield next代碼，則開始逆序執行，也就是再先是回到logger中間件，執行yield next之后的代碼，執行完后再回到response-time中間件執行yield next之后的代碼。

　　至此，整個Koa的中間件執行完畢 ，整個中間件執行過程相當有意思。

　　而Koa的中間件是運行在 co 函數下的，而tj大神的co函數能夠把異步變同步，也就說，編寫Koa的中間件的時候可以這樣寫，就拿上面那個demo最后的響應中間件來說可以改成這樣：

app.use(function*(){
    var text = yield new Promise(function(resolve){
        fs.readFile('./index.html', 'utf-8', function(err, data){
            resolve(data);
        })
    });

    this.body = text;
});

　　通過Promise可以把獲取的文件數據data通過resolve函數，傳到最外層的text中，而且，整個異步操作變成了同步操作。

　　再比如使用mongodb做一個數據庫查詢功能，就可以寫成這樣，整個數據的查詢原來是異步操作，也可以變成了同步，因為mongodb官方驅動的接口提供了返回Promise的功能，在co函數里只用yield的時候能夠直接把異步變成同步，再也不用寫那惡心的回調嵌套了。

var MongoClient = require("mongodb").MongoClient;
app.use(function *(){
    var db = yield MongoClient.connect('mongodb://127.0.0.1:27017/myblog');
    
    var collection = db.collection('document');

    var result = yield collection.find({}).toArray();
    
    db.close()
});

　　tj的co函數就如同一個魔法，把所有異步都變成了同步，看起來好像很高大上。但是co函數做的事其實並不復雜。

　　整個co函數說白了，就是使用Promise遞歸調用generator的next方法，並且在后一次調用的時候把前一次返回的數據傳入，直到調用完畢。而co函數同時把非Promise對象的function、generator、array等也組裝成了Promise對象。所以可以在yield后面不僅僅可以接Promise，還可以接generator對象等。

 

　　自己實現了一個簡單的co函數，傳入一個generator，獲取generator的函數對象，然后定義一個next方法用於遞歸，在next方法里執行generator.next()並且傳入data，執行完generator.next()會獲取到{value:XX, done: true|false}的對象，如果done為true，說明generator已經迭代完畢，退出。

　　否則，假設當前執行到yield new Promise()，也就是返回的result.value就是Promise對象的，直接執行Promise的then方法，並且在then方法的onFulfilled回調（也就是Promise中的異步執行完畢后，調用resolve的時候會觸發該回調函數）中執行next方法進行遞歸，並且將onFulfilled中傳入的數據傳入next方法，也就可以在下一次generator.next()中把數據傳進去。

// co簡易實現
function co(generator){
    var gen = generator();

    var next = function(data){
        var result = gen.next(data);

        if(result.done) return;

        if (result.value instanceof Promise) {
            result.value.then(function (d) {
                next(d);
            }, function (err) {
                next(err);
            })
        }else {
            next();
        }
    };

    next();
}

　　寫個demo測試一下：

// test
co(function*(){
    var text1 = yield new Promise(function(resolve){
        setTimeout(function(){
            resolve("I am text1");
        }, 1000);
    });

    console.log(text1);

    var text2 = yield new Promise(function(resolve){
        setTimeout(function(){
            resolve("I am text2");
        }, 1000);
    });

    console.log(text2);
});

　　運行結果：

　　 運行成功！

 

　　既然了解了co函數的原理，再來說說koa的中間件是怎么實現的。整個實現原理就是把所有generator放到一個數組里保存，然后對所有generator進行相應的鏈式調用。

　　起初是自己按照自己的想法實現了一次，大概原理如下：

　　用個數組，在每次執行use方法的時候把generator傳入gens數組保存，然后在執行的時候，先定義一個generator的執行索引index、跳轉標記ne（也就是yield next里的next）、還有一個是用於保存generator函數對象的數組gs，。然后獲取當前中間件generator，並且獲取到該generator的函數對象，將函數對象放入gs數組中保存，再執行generator.next()。

　　接着根據返回的value，做不同處理，如果是Promise，則跟上面的co函數一樣，在其onFulfilled的回調中執行下一次generator.next()，如果是ne，也就是當前執行到了yield next，說明要跳轉到下一個中間件，此時對index++，然后從gens數組里獲取下一個中間件重復上一個中間件的操作。

　　當執行到的中間件里沒有yield next時，並且當該generator已經執行完畢，也就是返回的done為true的時候，再逆序執行，從此前用於保存generator的函數對象gs數組獲取到上一個generator函數對象，然后執行該generator的next方法。直到全部執行完畢。

 　  整個過程就像，先是入棧，然后出棧的操作。

//簡易實現koa的中間件效果

var gens = [];

function use(generetor){
    gens.push(generetor);
}

function trigger(){
    var index = 0;
    var ne = {};
    var gs = [],
        g;

    next();

    function next(){
        //獲取當前中間件，傳入next標記，即當yield next時處理下一個中間件
        var gen = gens[index](ne);

        //保存實例化的中間件
        gs.push(gen);

        co(gen)
    }

    function co(gen, data){
        if(!gen) return;

        var result = gen.next(data);

        // 當當前的generator中間件執行完畢，將執行索引減一，獲取上一級的中間件並且執行
        if(result.done){
            index--;

            if(g = gs[index]){
                co(g);
            }

            return;
        }

        // 如果執行到Promise，則當Promise執行完畢再進行遞歸
        if(result.value instanceof Promise){
            result.value.then(function(data){
                co(gen, data);
            })
        }else if(result.value === ne){
            // 當遇到yield next時，執行下一個中間件
            index++;

            next();
        }else {
            co(gen);
        }
    }
}

　　然后再寫個demo測試一下：

// test

use(function*(next){
    var d = yield new Promise(function(resolve){
        setTimeout(function(){
            resolve("step1")
        }, 1000)
    });

    console.log(d);

    yield next;

    console.log("step2");
});

use(function*(next){
    console.log("step3");

    yield next;

    var d = yield new Promise(function(resolve){
        setTimeout(function(){
            resolve("step4")
        }, 1000)
    });

    console.log(d);
});

use(function*(){
    var d = yield new Promise(function(resolve){
        setTimeout(function(){
            resolve("step5")
        }, 1000)
    });

    console.log(d);

    console.log("step6");
});

trigger();

　　運行結果：

　　   運行成功！

 

　　上面的只是我自己的覺得的實現原理，但是其實koa自己的實現更精簡，在看了koa的源碼后，也大概實現了一下，其實就是把上面的那個co函數進行適當改造一下，然后用個while循環，把所有generator鏈式綁定起來，再放到co函數里進行yield即可。下面貼出源碼：

var gens = [];

function use(generetor){
    gens.push(generetor);
}

// 實現co函數
function co(flow, isGenerator){
    var gen;

    if (isGenerator) {
        gen = flow;
    } else {
        gen = flow();
    }

    return new Promise(function(resolve){
        var next = function(data){
            var result = gen.next(data);
            var value = result.value;

            // 如果調用完畢，調用resolve
            if(result.done){
                resolve(value);
                return;
            }

            // 如果為yield后面接的為generator，傳入co進行遞歸，並且將promise返回
            if (typeof value.next === "function" && typeof value.throw === "function") {
                value = co(value, true);
            }

            if(value.then){
                // 當promise執行完畢，調用next處理下一個yield
                value.then(function(data){
                    next(data);
                })
            }
        };

        next();
    });

}

function trigger(){
    var prev = null;
    var m = gens.length;
    co(function*(){
        while(m--){
            // 形成鏈式generator
            prev = gens[m].call(null, prev);
        }

        // 執行最外層generator方法
        yield prev;
    })
}

　　執行結果也是無問題，運行demo和運行結果跟上一個一樣，就不貼出來了。

　　

　　上面寫的三個代碼放在了github：

　　https://github.com/whxaxes/node-test/blob/master/other/myco.js

　　https://github.com/whxaxes/node-test/blob/master/other/mykoa.js

　　https://github.com/whxaxes/node-test/blob/master/other/mykoa_2.js

 

　　以及能幫助理解的文章：http://www.infoq.com/cn/articles/generator-and-asynchronous-programming/