中间件机制与执行流程

中间件机制与执行流程

Express的中间件机制是其核心特性之一，允许开发者在请求和响应周期中插入自定义处理逻辑。这种机制通过函数堆栈的形式组织，每个中间件函数可以访问请求对象、响应对象以及下一个中间件函数的引用。

中间件的基本结构

一个典型的Express中间件函数包含三个参数：req、res和next。当中间件完成工作后，它可以调用next()将控制权传递给下一个中间件，或者直接结束请求响应周期。

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

// 最简单的日志中间件
app.use((req, res, next) => {
  console.log(`${req.method} ${req.url}`);
  next();
});

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

app.listen(3000);

中间件类型

Express支持多种类型的中间件，每种类型在调用时机和作用域上有所不同：

1. 应用级中间件：通过app.use()或app.METHOD()绑定到应用实例
2. 路由级中间件：通过router.use()绑定到路由实例
3. 错误处理中间件：接收四个参数(err, req, res, next)
4. 内置中间件：如express.static
5. 第三方中间件：如body-parser

// 应用级中间件示例
app.use(express.json()); // 解析JSON请求体
app.use(express.urlencoded({ extended: true })); // 解析URL编码请求体

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

中间件执行顺序

中间件的执行顺序至关重要，Express按照中间件注册的顺序依次执行它们。这个顺序决定了请求如何被处理和响应如何被构建。

app.use((req, res, next) => {
  console.log('First middleware');
  next();
});

app.use((req, res, next) => {
  console.log('Second middleware');
  next();
});

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

在上面的例子中，访问/user路径时，控制台会依次输出"First middleware"和"Second middleware"。

中间件执行流程控制

next()函数是控制中间件流程的关键。它可以实现以下功能：

1. 传递控制权给下一个中间件
2. 跳过剩余中间件
3. 将错误传递给错误处理中间件

// 验证令牌的中间件
app.use('/api', (req, res, next) => {
  const token = req.headers['authorization'];
  if (!token) {
    return res.status(401).send('Unauthorized');
  }
  next();
});

// 只有令牌验证通过才会执行这个中间件
app.get('/api/data', (req, res) => {
  res.json({ data: 'secret' });
});

异步中间件处理

现代Express支持异步中间件函数，可以使用async/await语法处理异步操作：

app.use(async (req, res, next) => {
  try {
    const user = await User.findById(req.userId);
    req.user = user;
    next();
  } catch (err) {
    next(err);
  }
});

中间件组合与重用

Express提供了Router实例来组织和重用中间件：

const router = express.Router();

// 为所有路由添加中间件
router.use((req, res, next) => {
  console.log('Time:', Date.now());
  next();
});

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

// 将路由挂载到应用
app.use('/api', router);

中间件的错误处理

错误处理中间件需要四个参数，并且通常放在其他中间件之后：

app.get('/error', (req, res, next) => {
  const err = new Error('Something went wrong');
  next(err); // 传递给错误处理中间件
});

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

中间件的性能考虑

中间件虽然强大，但不当使用会影响性能：

1. 避免在中间件中进行不必要的计算
2. 尽早终止无效请求
3. 合理使用缓存

// 性能优化示例：缓存静态资源
const cacheMiddleware = (req, res, next) => {
  res.set('Cache-Control', 'public, max-age=3600');
  next();
};

app.use('/static', cacheMiddleware, express.static('public'));

中间件的实际应用场景

1. 请求日志：记录每个请求的详细信息
2. 身份验证：验证用户凭证
3. 数据验证：检查请求数据的有效性
4. 响应格式化：统一API响应格式
5. 速率限制：防止滥用API

// 请求日志中间件
app.use((req, res, next) => {
  const start = Date.now();
  res.on('finish', () => {
    const duration = Date.now() - start;
    console.log(`${req.method} ${req.originalUrl} ${res.statusCode} ${duration}ms`);
  });
  next();
});

// 速率限制中间件
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('/api/', limiter);

中间件的测试与调试

测试中间件需要模拟请求和响应对象：

// 测试身份验证中间件
test('auth middleware rejects requests without token', () => {
  const req = {
    headers: {}
  };
  const res = {
    status: jest.fn().mockReturnThis(),
    send: jest.fn()
  };
  const next = jest.fn();
  
  authMiddleware(req, res, next);
  
  expect(res.status).toHaveBeenCalledWith(401);
  expect(res.send).toHaveBeenCalledWith('Unauthorized');
  expect(next).not.toHaveBeenCalled();
});

中间件的进阶模式

1. 中间件工厂：创建可配置的中间件
2. 中间件组合：将多个中间件合并为一个
3. 条件中间件：根据条件应用中间件

// 中间件工厂示例：创建可配置的日志中间件
function createLoggerMiddleware(format) {
  return (req, res, next) => {
    const message = format
      .replace(':method', req.method)
      .replace(':url', req.url);
    console.log(message);
    next();
  };
}

app.use(createLoggerMiddleware(':method :url'));

// 条件中间件示例
function conditionalMiddleware(condition, middleware) {
  return (req, res, next) => {
    if (condition(req)) {
      middleware(req, res, next);
    } else {
      next();
    }
  };
}

app.use(conditionalMiddleware(
  req => req.path.startsWith('/api'),
  bodyParser.json()
));

中间件与Express 5的新特性

Express 5引入了一些改进中间件处理的新特性：

1. 更好的异步错误处理
2. 改进的路由参数处理
3. 更灵活的响应方法

// Express 5中的改进错误处理
app.get('/user/:id', async (req, res, next) => {
  try {
    const user = await User.find(req.params.id);
    if (!user) throw new Error('User not found');
    res.json(user);
  } catch (err) {
    next(err); // 自动传递给错误处理中间件
  }
});