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中间件的基本概念与工作原理

中间件的基本概念

中间件是Express框架的核心机制之一,本质上是一个函数,能够访问请求对象(req)、响应对象(res)以及应用程序的请求-响应循环中的下一个中间件函数。中间件可以执行以下操作:

  • 执行任何代码
  • 修改请求和响应对象
  • 结束请求-响应循环
  • 调用堆栈中的下一个中间件

在Express中,中间件按照定义的顺序依次执行,形成一个"中间件栈"。每个中间件都可以决定是否将控制权传递给下一个中间件,或者直接结束请求处理流程。

中间件的工作原理

Express中间件的工作流程遵循洋葱模型,请求从外向内穿过各层中间件,响应则从内向外返回。典型的工作流程如下:

  1. 请求到达服务器
  2. 第一个中间件处理请求
  3. 调用next()将控制权传递给下一个中间件
  4. 重复上述过程直到响应被发送
  5. 响应按相反顺序穿过中间件栈返回
const express = require('express');
const app = express();

// 第一个中间件
app.use((req, res, next) => {
  console.log('第一个中间件 - 开始');
  req.customData = '中间件添加的数据';
  next();
  console.log('第一个中间件 - 结束');
});

// 第二个中间件
app.use((req, res, next) => {
  console.log('第二个中间件 - 开始');
  console.log(`获取到数据: ${req.customData}`);
  next();
  console.log('第二个中间件 - 结束');
});

// 路由处理
app.get('/', (req, res) => {
  console.log('路由处理');
  res.send('Hello World');
});

app.listen(3000);

执行上述代码并访问/路由时,控制台输出顺序为:

第一个中间件 - 开始
第二个中间件 - 开始
路由处理
第二个中间件 - 结束
第一个中间件 - 结束

中间件的类型

Express中的中间件主要分为以下几种类型:

应用级中间件

通过app.use()或app.METHOD()绑定到应用实例的中间件,对所有请求或特定路由的请求生效。

// 对所有请求生效
app.use((req, res, next) => {
  console.log('时间:', Date.now());
  next();
});

// 只对/user/:id路径的GET请求生效
app.get('/user/:id', (req, res, next) => {
  res.send('用户信息');
});

路由级中间件

与应用级中间件类似,但绑定到特定的路由器实例。

const router = express.Router();

router.use((req, res, next) => {
  console.log('路由中间件');
  next();
});

router.get('/user', (req, res) => {
  res.send('用户列表');
});

app.use('/api', router);

错误处理中间件

专门处理错误的中间件,需要四个参数(err, req, res, next)。

app.use((err, req, res, next) => {
  console.error(err.stack);
  res.status(500).send('服务器错误!');
});

内置中间件

Express提供的内置中间件,如express.static处理静态文件。

app.use(express.static('public'));

第三方中间件

社区开发的中间件,需要额外安装,如body-parser。

const bodyParser = require('body-parser');
app.use(bodyParser.json());

中间件的执行顺序

中间件的执行顺序至关重要,它决定了请求处理的流程。Express严格按照中间件注册的顺序执行它们。

app.use((req, res, next) => {
  console.log('第一个中间件');
  next();
});

app.use((req, res, next) => {
  console.log('第二个中间件');
  next();
});

app.get('/', (req, res) => {
  res.send('首页');
});

在这个例子中,访问/路由时,控制台会先输出"第一个中间件",然后是"第二个中间件",最后才会执行路由处理函数。

中间件的常见用途

中间件在Express应用中有广泛的应用场景:

日志记录

记录请求的详细信息,如方法、URL、时间等。

app.use((req, res, next) => {
  console.log(`${req.method} ${req.url} - ${new Date()}`);
  next();
});

身份验证

验证用户身份,决定是否允许访问。

app.use('/admin', (req, res, next) => {
  if (req.headers['x-auth-token'] === 'secret') {
    next();
  } else {
    res.status(401).send('未授权');
  }
});

请求体解析

解析请求体内容,如JSON、URL编码数据等。

app.use(express.json());
app.use(express.urlencoded({ extended: true }));

响应时间计算

计算请求处理时间并添加到响应头。

app.use((req, res, next) => {
  const start = Date.now();
  res.on('finish', () => {
    const duration = Date.now() - start;
    console.log(`请求处理时间: ${duration}ms`);
  });
  next();
});

CORS处理

处理跨域资源共享。

app.use((req, res, next) => {
  res.header('Access-Control-Allow-Origin', '*');
  res.header('Access-Control-Allow-Headers', 'Content-Type');
  next();
});

编写自定义中间件

开发自定义中间件时需要考虑几个关键点:

  1. 明确中间件的功能边界
  2. 正确处理next()调用
  3. 考虑错误处理
  4. 保持中间件的单一职责
// 自定义请求时间中间件
function requestTime(req, res, next) {
  req.requestTime = Date.now();
  next();
}

app.use(requestTime);

app.get('/', (req, res) => {
  res.send(`请求时间: ${req.requestTime}`);
});

中间件的错误处理

错误处理中间件有特殊的签名,需要四个参数。它们应该放在其他中间件之后。

// 模拟错误
app.get('/error', (req, res, next) => {
  try {
    throw new Error('故意抛出的错误');
  } catch (err) {
    next(err); // 将错误传递给错误处理中间件
  }
});

// 错误处理中间件
app.use((err, req, res, next) => {
  console.error(err.stack);
  res.status(500).json({
    error: err.message,
    stack: process.env.NODE_ENV === 'development' ? err.stack : undefined
  });
});

中间件的性能考虑

使用中间件时需要注意性能影响:

  1. 避免不必要的中间件
  2. 将常用中间件放在前面
  3. 考虑中间件的执行时间
  4. 使用异步中间件时正确处理Promise
// 异步中间件示例
app.use(async (req, res, next) => {
  try {
    await someAsyncOperation();
    next();
  } catch (err) {
    next(err);
  }
});

中间件的组合与重用

为了提高代码复用性,可以将中间件组合起来:

// 基础认证中间件
function basicAuth(req, res, next) {
  const auth = req.headers.authorization;
  if (!auth || auth !== 'secret') {
    return res.status(401).send('需要认证');
  }
  next();
}

// 日志中间件
function requestLogger(req, res, next) {
  console.log(`${req.method} ${req.url}`);
  next();
}

// 组合中间件
const protectedRoutes = [basicAuth, requestLogger];

app.get('/secure', protectedRoutes, (req, res) => {
  res.send('受保护的内容');
});

中间件的测试

测试中间件需要模拟请求和响应对象:

const testMiddleware = require('./middleware');

describe('测试中间件', () => {
  it('应该添加自定义头', (done) => {
    const req = {};
    const res = {
      header: jest.fn(),
      send: jest.fn()
    };
    const next = jest.fn();
    
    testMiddleware(req, res, next);
    
    expect(res.header).toHaveBeenCalledWith('X-Custom-Header', 'value');
    expect(next).toHaveBeenCalled();
    done();
  });
});

中间件与Express应用的架构

在大型应用中,合理的中间件组织可以提高可维护性:

  1. 按功能划分中间件文件
  2. 使用中间件工厂模式
  3. 创建中间件配置系统
  4. 实现中间件的依赖注入
// middleware/logger.js
module.exports = function createLogger(options = {}) {
  return function logger(req, res, next) {
    const message = options.format 
      ? options.format(req) 
      : `${req.method} ${req.url}`;
    
    console.log(message);
    next();
  };
};

// app.js
const createLogger = require('./middleware/logger');
app.use(createLogger({
  format: req => `[${new Date()}] ${req.ip} ${req.method} ${req.url}`
}));

中间件的进阶模式

条件中间件

根据条件决定是否使用某个中间件。

function conditionalMiddleware(condition, middleware) {
  return function(req, res, next) {
    if (condition(req)) {
      middleware(req, res, next);
    } else {
      next();
    }
  };
}

app.use(conditionalMiddleware(
  req => req.path.startsWith('/api'),
  (req, res, next) => {
    console.log('API请求');
    next();
  }
));

中间件管道

将多个中间件组合成一个管道顺序执行。

function middlewarePipeline(middlewares) {
  return function(req, res, next) {
    let index = 0;
    
    function runNext() {
      if (index < middlewares.length) {
        middlewares[index++](req, res, runNext);
      } else {
        next();
      }
    }
    
    runNext();
  };
}

const pipeline = middlewarePipeline([
  (req, res, next) => { console.log('第一步'); next(); },
  (req, res, next) => { console.log('第二步'); next(); },
  (req, res, next) => { console.log('第三步'); next(); }
]);

app.use(pipeline);

中间件与Express 5的变化

Express 5对中间件系统做了一些改进:

  1. 异步中间件支持更好
  2. 错误处理更一致
  3. 路由系统更灵活
// Express 5中可以直接返回Promise
app.use(async (req, res, next) => {
  try {
    await someAsyncWork();
    next();
  } catch (err) {
    next(err);
  }
});

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