一、前言
Koa 为了保持自身的简洁，并没有捆绑中间件。但是在实际的开发中，我们需要和形形色色的中间件打交道，本文将要分析的是经常用到的路由中间件 — koa-router。
如果你对 Koa 的原理还不了解的话，可以先查看 Koa 原理解析。
二、koa-router 概述
koa-router 的源码只有两个文件：router.js 和 layer.js，分别对应 Router 对象和 Layer 对象。
Layer 对象是对单个路由的管理，其中包含的信息有路由路径 (path)、路由请求方法(method) 和路由执行函数(middleware)，并且提供路由的验证以及 params 参数解析的方法。
相比较 Layer 对象，Router 对象则是对所有注册路由的统一处理，并且它的 API 是面向开发者的。
接下来从以下几个方面全面解析 koa-router 的实现原理：
Layer 对象的实现
路由注册
路由匹配
路由执行流程
三、Layer
Layer 对象主要是对单个路由的管理，是整个 koa-router 中最小的处理单元，后续模块的处理都离不开 Layer 中的方法，这正是首先介绍 Layer 的重要原因。
function Layer(path, methods, middleware, opts) {
this.opts = opts || {};
// 支持路由别名
this.name = this.opts.name || null;
this.methods = [];
this.paramNames = [];
// 将路由执行函数保存在 stack 中，支持输入多个处理函数
this.stack = Array.isArray(middleware) ? middleware : [middleware];
methods.forEach(function(method) {
var l = this.methods.push(method.toUpperCase());
// HEAD 请求头部信息与 GET 一致，这里就一起处理了。
if (this.methods[l-1] === ‘GET’) {
this.methods.unshift(‘HEAD’);
}
}, this);
// 确保类型正确
this.stack.forEach(function(fn) {
var type = (typeof fn);
if (type !== ‘function’) {
throw new Error(
methods.toString() + ” `” + (this.opts.name || path) +”`: `middleware` ”
+ “must be a function, not `” + type + “`”
);
}
}, this);
this.path = path;
// 1、根据路由路径生成路由正则表达式
// 2、将 params 参数信息保存在 paramNames 数组中
this.regexp = pathToRegExp(path, this.paramNames, this.opts);
};
Layer 构造函数主要用来初始化路由路径、路由请求方法数组、路由处理函数数组、路由正则表达式以及 params 参数信息数组，其中主要采用 path-to-regexp 方法根据路径字符串生成正则表达式，通过该正则表达式，可以实现路由的匹配以及 params 参数的捕获：
// 验证路由
Layer.prototype.match = function (path) {
return this.regexp.test(path);
}
// 捕获 params 参数
Layer.prototype.captures = function (path) {
// 后续会提到 对于路由级别中间件 无需捕获 params
if (this.opts.ignoreCaptures) return [];
return path.match(this.regexp).slice(1);
}
根据 paramNames 中的参数信息以及 captrues 方法，可以获取到当前路由 params 参数的键值对：
Layer.prototype.params = function (path, captures, existingParams) {
var params = existingParams || {};
for (var len = captures.length, i=0; i<len; i++) {
if (this.paramNames[i]) {
var c = captures[i];
params[this.paramNames[i].name] = c ? safeDecodeURIComponent(c) : c;
}
}
return params;
};
需要注意上述代码中的 safeDecodeURIComponent 方法，为了避免服务器收到不可预知的请求，对于任何用户输入的作为 URI 部分的内容都需要采用 encodeURIComponent 进行转义，否则当用户输入的内容中含有 ’&’、’=’、’?’ 等字符时，会出现预料之外的情况。而当我们获取 URL 上的参数时，则需要通过 decodeURIComponent 进行解码，而 decodeURIComponent 只能解码由 encodeURIComponent 方法或者类似方法编码，如果编码方法不符合要求，decodeURIComponent 则会抛出 URIError，所以作者在这里对该方法进行了安全化的处理：
function safeDecodeURIComponent(text) {
try {
return decodeURIComponent(text);
} catch (e) {
// 编码方式不符合要求，返回原字符串
return text;
}
}
Layer 还提供了对于单个 param 前置处理的方法：
Layer.prototype.param = function (param, fn) {
var stack = this.stack;
var params = this.paramNames;
var middleware = function (ctx, next) {
return fn.call(this, ctx.params[param], ctx, next);
};
middleware.param = param;
var names = params.map(function (p) {
return p.name;
});
var x = names.indexOf(param);
if (x > -1) {
stack.some(function (fn, i) {
if (!fn.param || names.indexOf(fn.param) > x) {
// 将单个 param 前置处理函数插入正确的位置
stack.splice(i, 0, middleware);
return true; // 跳出循环
}
});
}
return this;
};
上述代码中通过 some 方法寻找单个 param 处理函数的原因在于以下两点：
保持 param 处理函数位于其他路由处理函数的前面；
路由中存在多个 param 参数，需要保持 param 处理函数的前后顺序。
Layer.prototype.setPrefix = function (prefix) {
if (this.path) {
this.path = prefix + this.path; // 拼接新的路由路径
this.paramNames = [];
// 根据新的路由路径字符串生成正则表达式
this.regexp = pathToRegExp(this.path, this.paramNames, this.opts);
}
return this;
};
Layer 中的 setPrefix 方法用于设置路由路径的前缀，这在嵌套路由的实现中尤其重要。
最后，Layer 还提供了根据路由生成 url 的方法，主要采用 path-to-regexp 的 compile 和 parse 对路由路径中的 param 进行替换，而在拼接 query 的环节，正如前面所说需要对键值对进行繁琐的 encodeURIComponent 操作，作者采用了 urijs 提供的简洁 api 进行处理。
四、路由注册
1、Router 构造函数
首先看了解一下 Router 构造函数：
function Router(opts) {
if (!(this instanceof Router)) {
// 限制必须采用 new 关键字
return new Router(opts);
}
this.opts = opts || {};
// 服务器支持的请求方法，后续 allowedMethods 方法会用到
this.methods = this.opts.methods || [
‘HEAD’,
‘OPTIONS’,
‘GET’,
‘PUT’,
‘PATCH’,
‘POST’,
‘DELETE’
];
this.params = {}; // 保存 param 前置处理函数
this.stack = []; // 存储 layer
};
在构造函数中初始化的 params 和 stack 属性最为重要，前者用来保存 param 前置处理函数，后者用来保存实例化的 Layer 对象。并且这两个属性与接下来要讲的路由注册息息相关。
koa-router 中提供两种方式注册路由：
具体的 HTTP 动词注册方式，例如：router.get(‘/users’, ctx => {})
支持所有的 HTTP 动词注册方式，例如：router.all(‘/users’, ctx => {})
2、http METHODS
源码中采用 methods 模块获取 HTTP 请求方法名，该模块内部实现主要依赖于 http 模块：
http.METHODS && http.METHODS.map(function lowerCaseMethod (method) {
return method.toLowerCase()
})
3、router.verb() and router.all()
这两种注册路由的方式的内部实现基本类似，下面以 router.verb()的源码为例：
methods.forEach(function (method) {
Router.prototype[method] = function (name, path, middleware) {
var middleware;
// 1、处理是否传入 name 参数
// 2、middleware 参数支持 middleware1, middleware2… 的形式
if (typeof path === ‘string’ || path instanceof RegExp) {
middleware = Array.prototype.slice.call(arguments, 2);
} else {
middleware = Array.prototype.slice.call(arguments, 1);
path = name;
name = null;
}
// 路由注册的核心处理逻辑
this.register(path, [method], middleware, {
name: name
});
return this;
};
});
该方法第一部分是对传入参数的处理，对于 middleware 参数的处理会让大家联想到 ES6 中的 rest 参数，但是 rest 参数与 arguments 其中一个致命的区别：
rest 参数只包含那些没有对应形参的实参，而 arguments 则包含传给函数的所有实参。
如果采用 rest 参数的方式，上述函数则必须要求开发者传入 name 参数。但是也可以将 name 和 path 参数整合成对象，再结合 rest 参数：
Router.prototype[method] = function (options, …middleware) {
let {name, path} = options
if (typeof options === ‘string’ || options instanceof RegExp) {
path = options
name = null
}
// …
return this;
};
采用 ES6 的新特性，代码变得简洁多了。
第二部分是 register 方法，传入的 method 参数的形式就是 router.verb()与 router.all()的最大区别，在 router.verb()中传入的 method 是单个方法，后者则是以数组的形式传入 HTTP 所有的请求方法，所以对于这两种注册方法的实现，本质上是没有区别的。
4、register
Router.prototype.register = function (path, methods, middleware, opts) {
opts = opts || {};
var router = this;
var stack = this.stack;
// 注册路由中间件时，允许 path 为数组
if (Array.isArray(path)) {
path.forEach(function (p) {
router.register.call(router, p, methods, middleware, opts);
});
return this;
}
// 实例化 Layer
var route = new Layer(path, methods, middleware, {
end: opts.end === false ? opts.end : true,
name: opts.name,
sensitive: opts.sensitive || this.opts.sensitive || false,
strict: opts.strict || this.opts.strict || false,
prefix: opts.prefix || this.opts.prefix || “”,
ignoreCaptures: opts.ignoreCaptures
});
// 设置前缀
if (this.opts.prefix) {
route.setPrefix(this.opts.prefix);
}
// 设置 param 前置处理函数
Object.keys(this.params).forEach(function (param) {
route.param(param, this.params[param]);
}, this);
stack.push(route);
return route;
};
register 方法主要负责实例化 Layer 对象、更新路由前缀和前置 param 处理函数，这些操作在 Layer 中已经提及过，相信大家应该轻车熟路了。
5、use
熟悉 Koa 的同学都知道 use 是用来注册中间件的方法，相比较 Koa 中的全局中间件，koa-router 的中间件则是路由级别的。
Router.prototype.use = function () {
var router = this;
var middleware = Array.prototype.slice.call(arguments);
var path;
// 支持多路径在于中间件可能作用于多条路由路径
if (Array.isArray(middleware[0]) && typeof middleware[0][0] === ‘string’) {
middleware[0].forEach(function (p) {
router.use.apply(router, [p].concat(middleware.slice(1)));
});
return this;
}
// 处理路由路径参数
var hasPath = typeof middleware[0] === ‘string’;
if (hasPath) {
path = middleware.shift();
}
middleware.forEach(function (m) {
// 嵌套路由
if (m.router) {
// 嵌套路由扁平化处理
m.router.stack.forEach(function (nestedLayer) {
// 更新嵌套之后的路由路径
if (path) nestedLayer.setPrefix(path);
// 更新挂载到父路由上的路由路径
if (router.opts.prefix) nestedLayer.setPrefix(router.opts.prefix);
router.stack.push(nestedLayer);
});
// 不要忘记将父路由上的 param 前置处理操作 更新到新路由上。
if (router.params) {
Object.keys(router.params).forEach(function (key) {
m.router.param(key, router.params[key]);
});
}
} else {
// 路由级别中间件 创建一个没有 method 的 Layer 实例
router.register(path || ‘(.*)’, [], m, { end: false, ignoreCaptures: !hasPath});
}
});
return this;
};
koa-router 中间件注册方法主要完成两项功能：
将路由嵌套结构扁平化，其中涉及到路由路径的更新和 param 前置处理函数的插入；
路由级别中间件通过注册一个没有 method 的 Layer 实例进行管理。
五、路由匹配
Router.prototype.match = function (path, method) {
var layers = this.stack;
var layer;
var matched = {
path: [],
pathAndMethod: [],
route: false
};
for (var len = layers.length, i = 0; i < len; i++) {
layer = layers[i];
if (layer.match(path)) {
// 路由路径满足要求
matched.path.push(layer);
if (layer.methods.length === 0 || ~layer.methods.indexOf(method)) {
// layer.methods.length === 0 该 layer 为路由级别中间件
// ~layer.methods.indexOf(method) 路由请求方法也被匹配
matched.pathAndMethod.push(layer);
// 仅当路由路径和路由请求方法都被满足才算是路由被匹配
if (layer.methods.length) matched.route = true;
}
}
}
return matched;
};
match 方法主要通过 layer.match 方法以及 methods 属性对 layer 进行筛选，返回的 matched 对象包含以下几个部分：
path: 保存所有路由路径被匹配的 layer；
pathAndMethod: 在路由路径被匹配的前提下，保存路由级别中间件和路由请求方法被匹配的 layer；
route: 仅当存在路由路径和路由请求方法都被匹配的 layer，才能算是本次路由被匹配上。
另外，在 ES7 之前，对于判断数组是否包含一个元素，都需要通过 indexOf 方法来实现，而该方法返回元素的下标，这样就不得不通过与 - 1 的比较得到布尔值：
if (layer.methods.indexOf(method) > -1) {
…
}
而作者巧妙地利用位运算省去了“讨厌的 -1”，当然在 ES7 中可以愉快地使用 includes 方法：
if (layer.methods.includes(method)) {
…
}
六、路由执行流程
理解 koa-router 中路由的概念以及路由注册的方式，接下来就是如何作为一个中间件在 koa 中执行。
koa 中注册 koa-router 中间件的方式如下：
const Koa = require(‘koa’);
const Router = require(‘koa-router’);
const app = new Koa();
const router = new Router();
router.get(‘/’, (ctx, next) => {
// ctx.router available
});
app
.use(router.routes())
.use(router.allowedMethods());
从代码中可以看出 koa-router 提供了两个中间件方法：routes 和 allowedMethods。
1、allowedMethods()
Router.prototype.allowedMethods = function (options) {
options = options || {};
var implemented = this.methods;
return function allowedMethods(ctx, next) {
return next().then(function() {
var allowed = {};
if (!ctx.status || ctx.status === 404) {
ctx.matched.forEach(function (route) {
route.methods.forEach(function (method) {
allowed[method] = method;
});
});
var allowedArr = Object.keys(allowed);
if (!~implemented.indexOf(ctx.method)) {
// 服务器不支持该方法的情况
if (options.throw) {
var notImplementedThrowable;
if (typeof options.notImplemented === ‘function’) {
notImplementedThrowable = options.notImplemented();
} else {
notImplementedThrowable = new HttpError.NotImplemented();
}
throw notImplementedThrowable;
} else {
// 响应 501 Not Implemented
ctx.status = 501;
ctx.set(‘Allow’, allowedArr.join(‘, ‘));
}
} else if (allowedArr.length) {
if (ctx.method === ‘OPTIONS’) {
// 获取服务器对该路由路径支持的方法集合
ctx.status = 200;
ctx.body = ”;
ctx.set(‘Allow’, allowedArr.join(‘, ‘));
} else if (!allowed[ctx.method]) {
if (options.throw) {
var notAllowedThrowable;
if (typeof options.methodNotAllowed === ‘function’) {
notAllowedThrowable = options.methodNotAllowed();
} else {
notAllowedThrowable = new HttpError.MethodNotAllowed();
}
throw notAllowedThrowable;
} else {
// 响应 405 Method Not Allowed
ctx.status = 405;
ctx.set(‘Allow’, allowedArr.join(‘, ‘));
}
}
}
}
});
};
};
allowedMethods()中间件主要用于处理 options 请求，响应 405 和 501 状态。上述代码中的 ctx.matched 中保存的正是前面 matched 对象中的 path（在 routes 方法中设置，后面会提到。），在 matched 对象中的 path 数组不为空的前提条件下：
服务器不支持当前请求方法，返回 501 状态码；
当前请求方法为 OPTIONS，返回 200 状态码；
path 中的 layer 不支持该方法，返回 405 状态；
对于上述三种情况，服务器都会设置 Allow 响应头，返回该路由路径上支持的请求方法。
2、routes()
Router.prototype.routes = Router.prototype.middleware = function () {
var router = this;
// 返回中间件处理函数
var dispatch = function dispatch(ctx, next) {
var path = router.opts.routerPath || ctx.routerPath || ctx.path;
var matched = router.match(path, ctx.method);
var layerChain, layer, i;
//【1】为后续的 allowedMethods 中间件准备
if (ctx.matched) {
ctx.matched.push.apply(ctx.matched, matched.path);
} else {
ctx.matched = matched.path;
}
ctx.router = router;
// 未匹配路由 直接跳过
if (!matched.route) return next();
var matchedLayers = matched.pathAndMethod
var mostSpecificLayer = matchedLayers[matchedLayers.length – 1]
ctx._matchedRoute = mostSpecificLayer.path;
if (mostSpecificLayer.name) {
ctx._matchedRouteName = mostSpecificLayer.name;
}
layerChain = matchedLayers.reduce(function(memo, layer) {
//【3】路由的前置处理中间件 主要负责将 params、路由别名以及捕获数组属性挂载在 ctx 上下文对象中。
memo.push(function(ctx, next) {
ctx.captures = layer.captures(path, ctx.captures);
ctx.params = layer.params(path, ctx.captures, ctx.params);
ctx.routerName = layer.name;
return next();
});
return memo.concat(layer.stack);
}, []);
//【4】利用 koa 中间件组织的方式，形成一个‘小洋葱’模型
return compose(layerChain)(ctx, next);
};
//【2】router 属性用来 use 方法中区别路由级别中间件
dispatch.router = this;
return dispatch;
};
routes()中间件主要实现了四大功能。
将 matched 对象的 path 属性挂载在 ctx.matched 上，提供给后续的 allowedMethods 中间件使用。（见代码中的【1】）
将返回的 dispatch 函数设置 router 属性，以便在前面提到的 Router.prototype.use 方法中区别路由级别中间件和嵌套路由。（见代码中的【2】）
插入一个新的路由前置处理中间件，将 layer 解析出来的 params 对象、路由别名以及捕获数组挂载在 ctx 上下文中，这种操作同理 Koa 在处理请求之前先构建 context 对象。（见代码中的【3】）
而对于路由匹配到众多 layer，koa-router 通过 koa-compose 进行处理，这和 koa 对于中间件处理的方式一样的，所以 koa-router 完全就是一个小型洋葱模型。
七、总结
koa-router 虽然是 koa 的一个中间件，但是其内部也包含众多的中间件，这些中间件通过 Layer 对象根据路由路径的不同进行划分，使得它们不再像 koa 的中间件那样每次请求都执行，而是针对每次请求采用 match 方法匹配出相应的中间件，再利用 koa-compose 形成一个中间件执行链。
以上便是 koa-router 实现原理的全部内容，希望可以帮助你更好的理解 koa-router。