Express框架核心

Express框架是Node.js中最流行的Web应用框架之一，以其轻量级、灵活性和强大的中间件机制著称。它简化了HTTP请求处理、路由管理和模板渲染等常见任务，成为构建高效后端服务的首选工具。

Express框架的核心概念

Express的核心设计围绕中间件（Middleware）和路由（Router）展开。中间件是处理HTTP请求的函数，可以访问请求对象（req）、响应对象（res）和下一个中间件函数（next）。路由则定义了URL路径与处理逻辑之间的映射关系。

const express = require('express');
const app = express();

// 最简单的中间件示例
app.use((req, res, next) => {
  console.log('Time:', Date.now());
  next();
});

// 基本路由
app.get('/', (req, res) => {
  res.send('Hello World!');
});

app.listen(3000);

中间件工作机制

Express中间件按照声明顺序执行，形成所谓的"中间件栈"。每个中间件可以决定是否终止请求-响应循环，或者将控制权交给下一个中间件。

常见中间件类型包括：

• 应用级中间件：通过app.use()或app.METHOD()绑定
• 路由级中间件：通过router.use()绑定
• 错误处理中间件：接收四个参数(err, req, res, next)
• 内置中间件：如express.static
• 第三方中间件：如body-parser

// 多个中间件串联示例
app.use('/user/:id', (req, res, next) => {
  console.log('Request URL:', req.originalUrl);
  next();
}, (req, res, next) => {
  console.log('Request Type:', req.method);
  next();
});

// 错误处理中间件
app.use((err, req, res, next) => {
  console.error(err.stack);
  res.status(500).send('Something broke!');
});

路由系统详解

Express的路由系统支持动态路由参数、正则表达式匹配和链式路由定义。路由处理器可以接受多个回调函数，这些函数行为类似中间件。

// 路由参数示例
app.get('/users/:userId/books/:bookId', (req, res) => {
  res.send(req.params); // 返回 { userId: '123', bookId: '456' }
});

// 路由链示例
app.route('/book')
  .get((req, res) => {
    res.send('Get a random book');
  })
  .post((req, res) => {
    res.send('Add a book');
  });

请求和响应对象

Express扩展了Node.js原生的HTTP请求和响应对象，添加了许多实用方法和属性。

请求对象(req)常用属性：

• req.params：路由参数
• req.query：查询字符串
• req.body：请求体（需要body-parser中间件）
• req.cookies：客户端cookies

响应对象(res)常用方法：

• res.send()：发送响应
• res.json()：发送JSON响应
• res.render()：渲染视图模板
• res.status()：设置状态码

app.post('/login', (req, res) => {
  const { username, password } = req.body;
  
  if (!username || !password) {
    return res.status(400).json({ error: 'Missing credentials' });
  }
  
  // 验证逻辑...
  res.json({ token: 'generated-jwt-token' });
});

模板引擎集成

Express支持多种模板引擎，如EJS、Pug和Handlebars。通过app.set()方法配置视图引擎和视图目录。

// 配置EJS模板引擎
app.set('view engine', 'ejs');
app.set('views', path.join(__dirname, 'views'));

// 渲染视图
app.get('/profile', (req, res) => {
  res.render('profile', { user: 'John' });
});

高级路由技巧

Express Router可以创建模块化的路由处理器，适合大型应用开发。

// routes/users.js
const express = require('express');
const router = express.Router();

router.get('/', (req, res) => {
  res.send('User list');
});

router.get('/:id', (req, res) => {
  res.send(`User ID: ${req.params.id}`);
});

module.exports = router;

// app.js
const userRouter = require('./routes/users');
app.use('/users', userRouter);

性能优化实践

Express应用可以通过以下方式优化性能：

• 使用helmet增强安全性
• 启用gzip压缩
• 实现请求限流
• 使用集群模式利用多核CPU

const compression = require('compression');
const helmet = require('helmet');

app.use(helmet());
app.use(compression());

// 限流中间件示例
const rateLimit = require('express-rate-limit');
const limiter = rateLimit({
  windowMs: 15 * 60 * 1000, // 15分钟
  max: 100 // 每个IP限制100个请求
});
app.use(limiter);

错误处理最佳实践

完善的错误处理机制对生产环境应用至关重要。Express支持同步错误自动捕获，但异步错误需要显式传递。

// 同步错误自动处理
app.get('/error', (req, res) => {
  throw new Error('BROKEN'); // Express会自动捕获
});

// 异步错误需要next
app.get('/async-error', (req, res, next) => {
  fs.readFile('/file-not-exist', (err, data) => {
    if (err) {
      next(err); // 手动传递错误
    } else {
      res.send(data);
    }
  });
});

// 最终错误处理器
app.use((err, req, res, next) => {
  console.error(err);
  res.status(500).render('error', { error: err });
});

Express与现代化JavaScript

现代Express应用可以结合ES6+特性如async/await，使代码更简洁。

app.get('/api/data', async (req, res, next) => {
  try {
    const data = await fetchDataFromDB();
    const processed = await processData(data);
    res.json(processed);
  } catch (err) {
    next(err);
  }
});

测试Express应用

测试是保证应用质量的关键环节。可以使用Jest、Mocha等测试框架配合supertest进行HTTP测试。

const request = require('supertest');
const app = require('../app');

describe('GET /api/users', () => {
  it('responds with JSON', async () => {
    const response = await request(app)
      .get('/api/users')
      .expect('Content-Type', /json/)
      .expect(200);
    
    expect(response.body).toBeInstanceOf(Array);
  });
});

部署注意事项

部署Express应用需要考虑环境变量管理、进程管理和日志记录等。

// 使用dotenv管理环境变量
require('dotenv').config();

// 生产环境配置
if (process.env.NODE_ENV === 'production') {
  app.use(express.static('client/build'));
  
  const path = require('path');
  app.get('*', (req, res) => {
    res.sendFile(path.resolve(__dirname, 'client', 'build', 'index.html'));
  });
}

// 使用winston记录日志
const winston = require('winston');
const logger = winston.createLogger({
  level: 'info',
  format: winston.format.json(),
  transports: [
    new winston.transports.File({ filename: 'error.log', level: 'error' }),
    new winston.transports.File({ filename: 'combined.log' })
  ]
});

app.use((req, res, next) => {
  logger.info(`${req.method} ${req.url}`);
  next();
});

Express生态系统

围绕Express形成了丰富的生态系统，包括各种中间件和扩展：

• 身份验证：passport.js
• 请求解析：body-parser、multer
• 会话管理：express-session
• API文档：swagger-ui-express
• 数据库集成：各种ORM/ODM

// 使用passport进行认证
const passport = require('passport');
const LocalStrategy = require('passport-local').Strategy;

passport.use(new LocalStrategy(
  (username, password, done) => {
    User.findOne({ username }, (err, user) => {
      if (err) return done(err);
      if (!user) return done(null, false);
      if (!user.verifyPassword(password)) return done(null, false);
      return done(null, user);
    });
  }
));

app.post('/login', 
  passport.authenticate('local', { failureRedirect: '/login' }),
  (req, res) => {
    res.redirect('/');
  }
);

Express 5的新特性

虽然仍处于beta阶段，Express 5带来了一些改进：

• 路由方法返回promise
• 移除已弃用的方法
• 改进的错误处理
• 更好的异步支持

// Express 5中路由处理器可以返回promise
app.get('/async-route', async (req, res) => {
  const data = await fetchData();
  res.json(data);
});