大前端领域Middleware有几种实现方式？

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一、前言

Middleware（中间件）本意是指位于服务器的操作系统之上，管理计算资源和网络通信的一种通用独立的系统软件服务程序。分布式应用软件借助这种软件在不同的技术之间共享资源。而在大前端领域，Middleware 的含义则简单得多，一般指提供通用独立功能的数据处理函数。典型的 Middleware 包括日志记录、数据叠加和错误处理等。本文将横向对比大前端领域内各大框架的 Middleware 使用场景和实现原理，包括Express, Koa, Redux和Axios。

二、大前端领域的Middleware

这里说的大前端领域自然就包括了服务器端和客户端了。最早提出 Middleware 概念的是Express, 随后由原班人马打造的Koa不但沿用了 Middleware 的架构设计，还更加彻底的把自己定义为中间件框架。

在客户端领域，Redux也引入了 Middleware 的概念，方便独立功能的函数对 Action 进行处理。Axios虽然没有中间件，但其拦截器的用法却跟中间件十分相似，也顺便拉进来一起比较。下面的表格横向比较了几个框架的中间件或类中间件的使用方式。

Express	Y	Y	N	req & res
Koa	Y	Y	Y	ctx
Redux	N	Y	Y	action
Axios	Y	N	N	config/data

下面我们一起来拆解这些框架的内部实现方式。

三、Express

3.1 用法

app.use(function logMethod(req, res, next) {
  console.log('Request Type:', req.method)
  next()
})

Express的 Middleware 有多种层级的注册方式，在此以应用层级的中间件为例子。这里看到 2 个关键字，use和next。Express通过use注册，next触发下一中间件执行的方式，奠定了中间件架构的标准用法。

3.2 原理

原理部分会对源码做极端的精简，只保留核心。

Middleware 注册（use）

var stack = [];
function use(fn) {
  stack.push(fn);
}

Middleware 调度（next）

function handle(req, res) {
  var idx = 0;
  next();
  function next() {
    var fn = stack[idx++];
    fn(req, res, next)
  }
}

当请求到达的时候，会触发handle方法。接着next函数从队列中顺序取出 Middleware 并执行。

四、Koa

4.1 用法

app.use(async (ctx, next) => {
  const start = Date.now();
  await next();
  const ms = Date.now() - start;
  console.log(`${ctx.method} ${ctx.url} - ${ms}ms`);
});

跟Express相比，Koa的 Middleware 注册跟路由无关，所有的请求都会经过注册的中间件。同时Koa与生俱来支持async/await异步编程模式，代码风格更加简洁。至于洋葱模型什么的大家都清楚，就不废话了。

4.2 原理

Middleware 注册（use）

var middleware = [];
function use(fn) {
  middleware.push(fn);
}

Middleware 编排（koa-compose）

function compose (middleware) {
  return function (context, next) {
    let index = -1
    return dispatch(0)
    function dispatch (i) {
      index = i
      let fn = middleware[i]
      // middleware执行完的后续操作，结合koa的源码，这里的next=undefined
      if (i === middleware.length) fn = next
      if (!fn) return Promise.resolve()
      try {
        return Promise.resolve(fn(context, dispatch.bind(null, i + 1)));
      } catch (err) {
        return Promise.reject(err)
      }
    }
  }
}

跟Express类似，Koa的 Middleware 也是顺序执行的，通过dispatch函数来控制。代码的编写模式也很像：调用dispatch/next -> 定义dispatch/next -> dispatch/next作为回调递归调用。这里有个地方要注意下，对于 Middleware 来说，它们的await next()实际上就是await dispatch(i)。当执行到最后一个 Middleware 的时候，会触发条件if (i === middleware.length) fn = next，这里的next是undefined，会触发条if (!fn) return Promise.resolve()，继续执行最后一个 Middleware await next()后面的代码，也是洋葱模型由内往外执行的时间点。

五、Redux

Redux是我所知的第一个将 Middleware 概念应用到客户端的前端框架，它的源码处处体现出函数式编程的思想，让人眼前一亮。

5.1 用法

const logger = store => next => action => {
  console.info('dispatching', action)
  let result = next(action)
  console.log('next state', store.getState())
  return result
}
const crashReporter = store => next => action => {
  try {
    return next(action)
  } catch (err) {
    console.error('Caught an exception!', err)
  }
}
const store = createStore(appReducer, applyMiddleware(logger, crashReporter))

Redux中间件的参数做过柯里化，store是applyMiddleware内部传进来的，next是compose后传进来的，action是dispatch传进来的。这里的设计确实十分巧妙，下面我们结合源码来进行分析。

5.2 原理

Middleware 编排（applyMiddleware）

export default function applyMiddleware(...middlewares) {
  return (createStore) => (reducer, preloadedState) => {
    const store = createStore(reducer, preloadedState)
    let dispatch = store.dispatch
    let chain = []
    const middlewareAPI = {
      getState: store.getState,
      dispatch: (action) => dispatch(action)
    }
    // 先执行一遍middleware，把第一个参数store传进去
    chain = middlewares.map(middleware => middleware(middlewareAPI))
    // 传入原始的dispatch
    dispatch = compose(...chain)(store.dispatch)
    return {
      ...store,
      dispatch
    }
  }
}

这里compose的返回值又重新赋值给dispatch，说明我们在应用内调用的dispatch并不是store自带的，而是经过 Middleware 处理的升级版。

Middleware 编排（compose）

function compose (...funcs) {
  if (funcs.length === 0) {
    return arg => arg
  }
  if (funcs.length === 1) {
    return funcs[0]
  }
  return funcs.reduce((a, b) => (...args) => a(b(...args)))
}

compose的核心代码只有一行，像套娃一样的将 Middleware 一层一层的套起来，最底层的args就是store.dispatch。

六、Axios

Axios中没有 Middleware 的概念，但却有类似功能的拦截器(interceptors)，本质上都是在数据处理链路的 2 点之间，提供独立的、配置化的、可叠加的额外功能。

6.1 用法

// 请求拦截器
axios.interceptors.request.use(function (config) {
  config.headers.token = 'added by interceptor';
  return config;
});
// 响应拦截器
axios.interceptors.response.use(function (data) {
  data.data = data.data + ' - modified by interceptor';
  return data;
});

Axios的 interceptors 分请求和响应 2 种，注册后会自动按注册的顺序执行，无需像其他框架一样要手动调用next()。

6.2 原理

interceptors 注册（use）

function Axios(instanceConfig) {
  this.defaults = instanceConfig;
  this.interceptors = {
    request: new InterceptorManager(),
    response: new InterceptorManager()
  };
}
function InterceptorManager() {
  this.handlers = [];
}
InterceptorManager.prototype.use = function use(fulfilled, rejected) {
  this.handlers.push({
    fulfilled: fulfilled,
    rejected: rejected
  });
  return this.handlers.length - 1;
};

可以看到Axios内部会维护 2 个 interceptors，它们有独立的 handlers 数组。use就是往数组添加元素而已，跟其它框架不同的是这里的数组元素不是一个函数，而是一个对象，包含fulfilled和rejected 2 个属性。第二个参数不传的时候rejected就是 undefined。

任务编排

// 精简后的代码
Axios.prototype.request = function request(config) {
  config = mergeConfig(this.defaults, config);
  // 成对的添加元素
  var requestInterceptorChain = [];
  this.interceptors.request.forEach(function unshiftRequestInterceptors(interceptor) {
    requestInterceptorChain.unshift(interceptor.fulfilled, interceptor.rejected);
  });

  var responseInterceptorChain = [];
  this.interceptors.response.forEach(function pushResponseInterceptors(interceptor) {
    responseInterceptorChain.push(interceptor.fulfilled, interceptor.rejected);
  });

  var chain = [dispatchRequest, undefined];

  Array.prototype.unshift.apply(chain, requestInterceptorChain);
  chain.concat(responseInterceptorChain);

  promise = Promise.resolve(config);
  while (chain.length) {
    promise = promise.then(chain.shift(), chain.shift());
  }
  return promise;
}

这里通过 promise 的链式调用，将 interceptors 串联了起来，执行顺序是：requestInterceptorChain -> chain -> responseInterceptorChain。这里有一个默认的约定，chain 里的元素都是按照[fulfilled1, rejected1, fulfilled2, rejected2]这种模式排列的，所以注册 interceptors 的时候如果没有提供第二个参数，也会有一个默认值 undefined。

七、各框架的横向对比

看了各大框架的 Middleware 实现方式之后，我们可以总结出以下几个特点：

Middleware 机制既可以用于服务器端也可以用于客户端
Middleware 机制本质上是向框架使用者开放数据处理链路上的一个或多个点，增强框架的数据处理能力
绝大多数的 Middleware 都是不依赖于具体业务的可复用的功能
多个 Middleware 可以组合起来实现复杂功能

我们再来总结一下各大框架中间件系统实现方式的精髓：

Express	递归调用`next`
Koa	递归调用`dispatch`
Redux	`Array.reduce`实现函数嵌套
Axios	`promise.then`链式调用

这里面最精妙也是最难理解的就是Array.reduce这种形式，需要反复的推敲。promise.then链式调用的任务编排方法也十分巧妙，前面处理完的数据会自动传给下一个then。递归调用的形式则最好理解，Koa在Express实现的基础上天然支持异步调用，更符合服务器端场景。

八、总结

本文从使用方式入手，结合源码讲解了各大前端框架中 Middleware 的实现方式，横向对比了他们之间的异同。当中的递归调用、函数嵌套和 promise 链式调用的技巧非常值得我们借鉴学习。

Dickens