原文链接 https://syaning.github.io/2015/10/22/express-in-depth/
注：以下为加速网络访问所做的原文缓存，经过重新格式化，可能存在格式方面的问题，或偶有遗漏信息，请以原文为准。
本文基于Express 4.13.3。
一、使用Express
通常情况下，创建一个简单的服务器，代码如下：
var http = require('http');
http.createServer(function(req, res) {
res.write('hello world');
res.end();
})
.listen(4000);
如果使用Express，代码如下：
var express = require('express');
var app = express();
app.get('/', function(req, res) {
res.write('hello world');
res.end();
});
app.listen(4000);
为了对Express的运行机制有所深入了解，不可避免地需要研究部分源码。Express的主要源码结构如下：
- lib/
- middleware/
- init.js
- query.js
- router/
- index.js
- layer.js
- route.js
- application.js
- express.js
- request.js
- response.js
- utils.js
- view.js
- index.js
首先，需要理解上面例子中的express和app是什么。部分相关源码如下：
// in express.js
exports = module.exports = createApplication;
function createApplication() {
var app = function(req, res, next) {
app.handle(req, res, next);
};
// ... ...
return app;
}
// in application.js
app.listen = function listen() {
var server = http.createServer(this);
return server.listen.apply(server, arguments);
};
可以看出，调用express()返回的app其实是一个函数，调用app.listen()其实执行的是http.createServer(app).listen()。因此，app其实就是一个请求处理函数，作为http.createServer的参数。而express其实是一个工厂函数，用来生成请求处理函数。
二、中间件
Express中一个非常核心的概念就是中间件（middleware）。在官方文档中，有这样一句话：
An Express application is essentially a series of middleware calls.
也就是说，一个Express应用，从本质上来说，就是一系列中间件的调用。那么，中间件到底是什么呢？其实，一个中间件，就是一个函数。通常情况下，一个中间件函数的形式如下：
function middlewareName(req, res, next) {
// do something
}
如果是错误处理的中间件，形式如下：
function middlewareName(err, req, res, next) {
// do something
}
参数中，req和res分别表示请求的request和response，next本身也是一个函数，调用next()就会继续执行下一个中间件。其实，请求的处理过程大致如下，就是依次经过各个中间件。
↓
---------------
| middleware1 |
---------------
↓
---------------
| ... ... ... |
---------------
↓
---------------
| middlewareN |
---------------
↓
中间件大体上可以分为两种：普通中间件和路由中间件。注册普通中间件，通常是通过app.use()方法；而注册路由中间件，通常是通过app.METHOD()方法。例如：
app.use('/user', function(req, res, next) {
// do something
});
app.get('/user', function(req, res, next) {
// do something
});
例子中的两者有以下区别：
- 前者匹配所有以
/user开始的路径，而后者会精确匹配/user路径； - 前者对于请求的方法没有限制，而后者只能处理方法为GET的请求。
在上面提到了如下源码：
// in express.js
exports = module.exports = createApplication;
function createApplication() {
var app = function(req, res, next) {
app.handle(req, res, next);
};
// ... ...
return app;
}
可以看到，所有的请求，其实都是由app.handle()来处理的。在了解请求处理的详细过程之前，需要先来了解Router。
三、Router
简单来说，Router（源码在router/index.js）就是一个中间件的容器。事实上，Router是Express中一个非常核心的东西，基本上就是一个简化版的Express框架。app的很多API，例如：app.use()，app.param()，app.handle()等，事实上都是对Router的API的一个简单包装。可以通过app._router来访问默认的Router对象。
Router对象有一个stack属性，为一个数组，存放着所有的中间件。当调用app.use()的时候，实际上是执行了router.use()，从而向router.stack数组中添加中间件。router.stack中的每一项是一个Layer（源码在router/layer.js）对象，它是对中间件函数的一个封装。添加中间件的部分相关源码如下：
// in router/index.js, proto.use()
var layer = new Layer(path, {
sensitive: this.caseSensitive,
strict: false,
end: false
}, fn);
layer.route = undefined;
this.stack.push(layer);
对于普通的中间件，添加过程就大致如此。不过，对于路由中间件，就稍微复杂了一些。在此之前，先来看一下添加路由中间件的几种方法：
// app.METHOD --> router.route --> route.METHOD
app.get('/user', function(req, res) {});
// app.all --> router.route --> route.METHOD
app.all('/user', function(req, res) {});
// app.route --> router.route --> route.METHOD
app.route('/user')
.get(function(req, res) {})
.post(function(req, res) {});
// router.METHOD/all --> router.route --> route.METHOD/all
router.get('/user', function(req, res) {});
可以看到，无论是哪一种方法添加路由中间件，都需要通过router.route()来创建一条新的路由，然后调用route.METHOD()/all()来注册相关的处理函数。因此，首先需要了解Route（源码在router/route.js）对象。
Route可以简单理解为存放路由处理函数的容器，它也有一个stack属性，为一个数组，其中的每一项也是一个Layer对象，是对路由处理函数的包装。下面来看当执行router.route()的时候发生了什么：
// in router/index.j
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;
};
也就是说，当调用router.route()的时候，实际上是新建了一个layer放在router.stack中；并设置layer.route为新建的Route对象。
下面来看route.METHOD的时候发生了什么：
// in router/route.js
var layer = Layer('/', {}, handle);
layer.method = method;
this.methods[method] = true;
this.stack.push(layer);
即，当调用route.METHOD()的时候，新建一个layer放在route.stack中。
通过上面的分析可以发现，Router其实是一个二维的结构。例如，一个可能的router.stack结构如下所示：
----------------
| layer1 |
----------------
↓
---------------- layer2.route.stack ------------ ------------ ------------
| layer2 | ------------------> | layer2-1 |-->| layer2-2 |-->| layer2-3 |
---------------- ------------ ------------ ------------
↓
---------------- layer3.route.stack ------------ ------------
| layer3 | ------------------> | layer3-1 |-->| layer3-2 |
---------------- ------------ ------------
↓
----------------
| ...... |
----------------
↓
----------------
| layerN |
----------------
四、参数处理
在很多时候，路由中是带有参数的，尤其是Restful风格的API。例如/user/name，可能name是个动态的值，从而去数据库中查询出相关的用户。因此，在Router中，通常会涉及到参数的处理。
先看如下例子：
app.get('/user/:name', function(req, res, next) {
res.send(req.user);
});
app.param('name', function(req, res, next, val) {
queryUser(val, function(err, user) {
if (err) {
return next(err);
}
req.user = user;
next();
});
});
通过app.param()可以注册参数处理函数，事实上，app.param()调用了router.param()。Router有一个params属性，其值是一个对象，用来存储参数的处理函数。例如，一个可能的router.params如下：
{
name: [processName, queryName],
id: [queryId]
}
其中processName，queryName，queryId表示的都是函数，即通过app.param()或router.param()所注册的参数处理函数。
然后在处理客户端请求的时候，会使用相应的与处理函数对请求URL中的参数进行处理。
五、请求处理
前面所提到的，无论是添加中间件，还是参数处理函数，都是应用的构建过程。当应用构建好了之后，客户端发起请求，这个时候，应用就开始使用前面的中间件和参数处理函数，来处理客户端的请求。
前面提到，所有的请求，都是由app.handle()来处理的，通过看源码，可以发现，其实app.handle()是调用了router.handle()。router.handle的源码比较复杂，在这里有一个简单的分析。
当请求到来时，经过中间件的顺序大致如下所示：
↓
----------------
| layer1 |
----------------
↓
----------------
| layer2 |
----------------
↓
---------------- layer3.route.stack ------------ ------------ ------------
| layer3 | ------------------> | layer3-1 |-->| layer3-2 |-->| layer3-3 | ---
---------------- ------------ ------------ ------------ |
|
---------------------------------------------------------------------------
↓
---------------- layer4.route.stack ------------ ------------
| layer4 | ------------------> | layer4-1 |-->| layer4-2 | ---
---------------- ------------ ------------ |
|
------------------------------------------------------------
↓
----------------
| ...... |
----------------
↓
----------------
| layerN |
----------------
↓
即，请求会依次经过各个中间件，如果是路由中间件，则会依次经过其中的各个路由函数。当请求到达一个中间件的时候，会进行如下判断：
↓
No --------------------
------| path match |
| --------------------
| ↓ Yes
| -------------------- Yes --------------------- No
| | has route |-------| http method match |------
| -------------------- --------------------- |
| ↓ No | Yes |
| -------------------- | |
| | process params |<----------------- |
| -------------------- |
| ↓ |
| -------------------- |
| | execute function | |
| -------------------- |
| ↓ |
| -------------------- |
----->| next layer |<---------------------------------
--------------------
↓
- 首先判断路径是否匹配，如果路径不匹配，则直接跳过该中间件
- 然后判断是否为路由中间件，如果不是，即如果是普通的中间件，则进行参数处理，并执行中间件函数
- 如果是路由中间件，则判断HTTP请求方法是否匹配，如果匹配，则进行参数处理，并执行中间件函数（该中间件函数实际上是
route.dispatch()）；否则跳过该中间件
会发现，如果有多个中间件匹配的话，在每个中间件函数执行之前，都有一个参数处理的过程，那么，参数与处理函数会不会被多次执行呢？事实上，在router.handle()的时候，针对参数的处理，引入了缓存机制，因此，每个参数的处理函数只会执行一次，并将结果保存在缓存中。在处理同一个请求的过程中，如果需要处理某个参数，会首先检查缓存，如果缓存中不存在，才会执行其处理函数。
六、内置中间件
在初始化app._router的时候，就加载了middleware/query.js和middleware/init.js这两个中间件：
// in application.js
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')));
this._router.use(middleware.init(this));
}
};
第一个中间件的作用主要是解析URL query。query(this.get('query parser fn'))的作用是设置URL query的解析器，并返回相应的中间件函数。该部分代码比较简单，不做赘述。
第二个中间件的作用主要是将req和res分别暴露给对方，并且让它们分别继承自app.request和app.response。涉及到的相关源码为：
// in middleware/init.js
exports.init = function(app) {
return function expressInit(req, res, next) {
// ... ...
req.res = res;
res.req = req;
req.next = next;
req.__proto__ = app.request;
res.__proto__ = app.response;
// ... ...
};
};
// in express.js
function createApplication() {
// ... ...
app.request = { __proto__: req, app: app };
app.response = { __proto__: res, app: app };
// ... ...
}
因此，其实是让req和res分别继承自了request.js和response.js的导出对象，简单来说，就是对req和res进行了属性和方法的扩展。
另外，Express中还有一个内置的中间件，即express.static，它依赖的是serve-static模块，主要用于创建静态资源服务。
七、视图渲染
渲染模板使用的是res.render()，例如：
app.get('/user', function(req, res) {
res.render('user', { name: 'alex' });
});
其实，res.render()调用了app.render()。在app.render()中，先创建一个view对象（相关源码为view.js），然后调用view.render()。如果允许缓存，即app.enabled('view cache')的话，则会优先检查缓存，如果缓存中已有相关视图，则直接取出；否则才会新创建一个视图对象。
该部分比较简单，不做赘述。