01 . Go之从零实现Web框架(框架雏形, 上下文Context,路由)

设计一个框架

大部分时候，我们需要实现一个 Web 应用，第一反应是应该使用哪个框架。不同的框架设计理念和提供的功能有很大的差别。比如 Python 语言的 django和flask，前者大而全，后者小而美。Go语言/golang 也是如此，新框架层出不穷，比如Beego，Gin，Iris等。那为什么不直接使用标准库，而必须使用框架呢？在设计一个框架之前，我们需要回答框架核心为我们解决了什么问题。只有理解了这一点，才能想明白我们需要在框架中实现什么功能。

我们先看看标准库 net/http 如何处理一个请求

package main

import (
	"fmt"
	"log"
	"net/http"
)

func main()  {
	http.HandleFunc("/",handler)
	//http.HandlerFunc("/count",counter)
	log.Fatal(http.ListenAndServe("localhost:8000",nil))
}

func handler(w http.ResponseWriter, r *http.Request)  {
	fmt.Fprintf(w,"URL.Path = %q\n",r.URL.Path)
	fmt.Println("1234")
}

net/http提供了基础的Web功能，即监听端口，映射静态路由，解析HTTP报文。一些Web开发中简单的需求并不支持，需要手工实现。

• 动态路由：例如hello/:name，hello/*这类的规则。
• 鉴权：没有分组/统一鉴权的能力，需要在每个路由映射的handler中实现。
• 模板：没有统一简化的HTML机制。
• …

当我们离开框架，使用基础库时，需要频繁手工处理的地方，就是框架的价值所在。但并不是每一个频繁处理的地方都适合在框架中完成。Python有一个很著名的Web框架，名叫bottle，整个框架由bottle.py一个文件构成，共4400行，可以说是一个微框架。那么理解这个微框架提供的特性，可以帮助我们理解框架的核心能力。

• 路由(Routing)：将请求映射到函数，支持动态路由。例如'/hello/:name。
• 模板(Templates)：使用内置模板引擎提供模板渲染机制。
• 工具集(Utilites)：提供对 cookies，headers 等处理机制。
• 插件(Plugin)：Bottle本身功能有限，但提供了插件机制。可以选择安装到全局，也可以只针对某几个路由生效。
• …

Gee框架

这个教程将使用 Go 语言实现一个简单的 Web 框架，起名叫做Gee，geektutu.com的前三个字母。我第一次接触的 Go 语言的 Web 框架是Gin，Gin的代码总共是14K，其中测试代码9K，也就是说实际代码量只有5K。Gin也是我非常喜欢的一个框架，与Python中的Flask很像，小而美。

7天实现Gee框架这个教程的很多设计，包括源码，参考了Gin，大家可以看到很多Gin的影子。
时间关系，同时为了尽可能地简洁明了，这个框架中的很多部分实现的功能都很简单，但是尽可能地体现一个框架核心的设计原则。例如Router的设计，虽然支持的动态路由规则有限，但为了性能考虑匹配算法是用Trie树实现的，Router最重要的指标之一便是性能。

标准库启动Web服务

Go语言内置了 net/http库，封装了HTTP网络编程的基础的接口，我们实现的Gee Web 框架便是基于net/http的。我们接下来通过一个例子，简单介绍下这个库的使用。

package main

import (
	"fmt"
	"log"
	"net/http"
)

func main()  {
	http.HandleFunc("/",indexHandler)
	http.HandleFunc("/hello",helloHandler)
	log.Fatal(http.ListenAndServe(":8000",nil))
}

// handler echoes r.URL.Path
func indexHandler(w http.ResponseWriter, req *http.Request)  {
	fmt.Fprintf(w,"URL.Path = %q\n",req.URL.Path)
}

func helloHandler(w http.ResponseWriter, req *http.Request)  {
	for k,v := range req.Header {
		fmt.Fprintf(w, "Header[%q] = %q\n",k,v)
	}
}

我们设置了2个路由，/和/hello，分别绑定 indexHandler 和 helloHandler ， 根据不同的HTTP请求会调用不同的处理函数。访问/，响应是URL.Path = /，而/hello的响应则是请求头(header)中的键值对信息。

用 curl 这个工具测试一下，将会得到如下的结果

$ curl localhost:8000/
URL.Path = "/"

$ curl localhost:8000/hello
Header["User-Agent"] = ["curl/7.64.1"]
Header["Accept"] = ["*/*"]

main 函数的最后一行，是用来启动 Web 服务的，第一个参数是地址，:8000表示在 8000 端口监听。而第二个参数则代表处理所有的HTTP请求的实例，nil 代表使用标准库中的实例处理。第二个参数，则是我们基于net/http标准库实现Web框架的入口。

实现http.Handler接口

package http

type Handler interface {
	ServeHTPP(w ResponseWriter, r *Request)
}

func ListenAndServe(address string, h Handler) error  {
	
}

第二个参数的类型是什么呢？通过查看net/http的源码可以发现，Handler是一个接口，需要实现方法 ServeHTTP ，也就是说，只要传入任何实现了 ServerHTTP 接口的实例，所有的HTTP请求，就都交给了该实例处理了。

main.go
**

package main

import (
	"fmt"
	"log"
	"net/http"
)

type Engine struct{}

func (engine *Engine) ServeHTTP(w http.ResponseWriter, req *http.Request) {
	switch req.URL.Path {
	case "/":
		fmt.Fprintf(w, "URL.Path = %q\n", req.URL.Path)
	case "/hello":
		for k, v := range req.Header {
			fmt.Fprintf(w, "Header[%q] = %q\n", k, v)
		}
	default:
		fmt.Fprintf(w, "404 NOT FOUND: %s\n", req.URL)
	}
}

func main() {
	engine := new(Engine)
	log.Fatal(http.ListenAndServe(":8000", engine))
}

• 我们定义了一个空的结构体Engine，实现了方法ServeHTTP。这个方法有2个参数，第二个参数是 Request ，该对象包含了该HTTP请求的所有的信息，比如请求地址、Header和Body等信息；第一个参数是 ResponseWriter ，利用 ResponseWriter 可以构造针对该请求的响应。

• 在 main 函数中，我们给 ListenAndServe 方法的第二个参数传入了刚才创建的engine实例。至此，我们走出了实现Web框架的第一步，即，将所有的HTTP请求转向了我们自己的处理逻辑。还记得吗，在实现Engine之前，我们调用 http.HandleFunc 实现了路由和Handler的映射，也就是只能针对具体的路由写处理逻辑。比如/hello。但是在实现Engine之后，我们拦截了所有的HTTP请求，拥有了统一的控制入口。在这里我们可以自由定义路由映射的规则，也可以统一添加一些处理逻辑，例如日志、异常处理等。

• 代码的运行结果与之前的是一致的。

Gee框架的雏形

代码结构

tree gee_demo1 
gee_demo1
├── gee
│   ├── gee.go
│   └── go.mod
├── go.mod
└── main.go

1 directory, 4 files

go.mod

module gee_demo1

go 1.13

require gee v0.0.0

replace gee => ./gee

• 在 go.mod 中使用 replace 将 gee 指向 ./gee

从 go 1.11 版本开始，引用相对路径的 package 需要使用上述方式。

main.go

package main

import (
	"fmt"
	"gee"
	"net/http"
)

func main()  {
	r := gee.New()
	r.GET("/", func(w http.ResponseWriter, req *http.Request) {
		fmt.Fprintf(w, "URL.Path = %q\n", req.URL.Path)
	})

	r.GET("/hello", func(w http.ResponseWriter, req *http.Request) {
		for k, v := range req.Header {
			fmt.Fprintf(w, "Header[%q] = %q\n", k, v)
		}
	})

	r.Run(":8000")
}

看到这里，如果你使用过gin框架的话，肯定会觉得无比的亲切。gee框架的设计以及API均参考了gin。使用New()创建 gee 的实例，使用 GET()方法添加路由，最后使用Run()启动Web服务。这里的路由，只是静态路由，不支持/hello/:name这样的动态路由，动态路由我们将在下一次实现。

gee.go

package gee

import (
	"fmt"
	"log"
	"net/http"
)

// HandlerFunc defines the request handler used by gee
type HandlerFunc func(http.ResponseWriter, *http.Request)

// Engine implement the interface of ServeHTTP
type Engine struct {
	router map[string]HandlerFunc
}

// New is the constructor of gee.Engine
func New() *Engine {
	return &Engine{router: make(map[string]HandlerFunc)}
}

func (engine *Engine) addRoute(method string, pattern string, handler HandlerFunc) {
	key := method + "-" + pattern
	log.Printf("Route %4s - %s", method, pattern)
	engine.router[key] = handler
}

// GET defines the method to add GET request
func (engine *Engine) GET(pattern string, handler HandlerFunc) {
	engine.addRoute("GET", pattern, handler)
}

// POST defines the method to add POST request
func (engine *Engine) POST(pattern string, handler HandlerFunc) {
	engine.addRoute("POST", pattern, handler)
}

// Run defines the method to start a http server
func (engine *Engine) Run(addr string) (err error) {
	return http.ListenAndServe(addr, engine)
}

func (engine *Engine) ServeHTTP(w http.ResponseWriter, req *http.Request) {
	key := req.Method + "-" + req.URL.Path
	if handler, ok := engine.router[key]; ok {
		handler(w, req)
	} else {
		fmt.Fprintf(w, "404 NOT FOUND: %s\n", req.URL)
	}
}

那么gee.go就是重头戏了。我们重点介绍一下这部分的实现。

• 首先定义了类型HandlerFunc，这是提供给框架用户的，用来定义路由映射的处理方法。我们在Engine中，添加了一张路由映射表router，key 由请求方法和静态路由地址构成，例如GET-/、GET-/hello、POST-/hello，这样针对相同的路由，如果请求方法不同,可以映射不同的处理方法(Handler)，value 是用户映射的处理方法。

• 当用户调用(*Engine).GET()方法时，会将路由和处理方法注册到映射表 router 中，(*Engine).Run()方法，是 ListenAndServe 的包装。

• Engine实现的 ServeHTTP 方法的作用就是，解析请求的路径，查找路由映射表，如果查到，就执行注册的处理方法。如果查不到，就返回 404 NOT FOUND 。

执行go run main.go，再用 curl 工具访问，结果与最开始的一致

测试

$ curl localhost:8000
URL.Path = "/"

$ curl localhost:8000/hello
Header["Accept"] = ["*/*"]
Header["User-Agent"] = ["curl/7.64.1"]

至此，整个Gee框架的原型已经出来了。实现了路由映射表，提供了用户注册静态路由的方法，包装了启动服务的函数。当然，到目前为止，我们还没有实现比net/http标准库更强大的能力，不用担心，很快就可以将动态路由、中间件等功能添加上去了。

上下文Context

• 将路由(router)独立出来，方便之后增强。
• 设计上下文(Context)，封装 Request 和 Response ，提供对 JSON、HTML 等返回类型的支持.

使用效果

package main

import (
	"fmt"
	"gee"
	"net/http"
)

func main() {
	r := gee.New()
	r.GET("/", func(c *gee.Context) {
		c.HTML(http.StatusOK, "<h1>Hello Gee</h1>")
	})
	r.GET("/hello", func(c *gee.Context) {
		// expect /hello?name=geektutu
		c.String(http.StatusOK, "hello %s, you're at %s\n", c.Query("name"), c.Path)
	})

	r.POST("/login", func(c *gee.Context) {
		c.JSON(http.StatusOK, gee.H{
			"username": c.PostForm("username"),
			"password": c.PostForm("password"),
		})
	})

	r.Run(":9999")
}

• Handler的参数变成成了gee.Context，提供了查询Query/PostForm参数的功能。
• gee.Context封装了HTML/String/JSON函数，能够快速构造HTTP响应。

设计Context

必要性

1. 对Web服务来说，无非是根据请求*http.Request，构造响应http.ResponseWriter。但是这两个对象提供的接口粒度太细，比如我们要构造一个完整的响应，需要考虑消息头(Header)和消息体(Body)，而 Header 包含了状态码(StatusCode)，消息类型(ContentType)等几乎每次请求都需要设置的信息。因此，如果不进行有效的封装，那么框架的用户将需要写大量重复，繁杂的代码，而且容易出错。针对常用场景，能够高效地构造出 HTTP 响应是一个好的框架必须考虑的点。

用返回JSON数据作比较, 感受下封装前后的差距

封装前

obj = map[string]interface{}{
    "name": "geektutu",
    "password": "1234",
}
w.Header().Set("Content-Type", "application/json")
w.WriteHeader(http.StatusOK)
encoder := json.NewEncoder(w)
if err := encoder.Encode(obj); err != nil {
    http.Error(w, err.Error(), 500)
}

封装后

c.JSON(http.StatusOK, gee.H{
    "username": c.PostForm("username"),
    "password": c.PostForm("password"),
})

2. 针对使用场景，封装*http.Request和http.ResponseWriter的方法，简化相关接口的调用，只是设计 Context 的原因之一。对于框架来说，还需要支撑额外的功能。例如，将来解析动态路由/hello/:name，参数:name的值放在哪呢？再比如，框架需要支持中间件，那中间件产生的信息放在哪呢？Context 随着每一个请求的出现而产生，请求的结束而销毁，和当前请求强相关的信息都应由 Context 承载。因此，设计 Context 结构，扩展性和复杂性留在了内部，而对外简化了接口。路由的处理函数，以及将要实现的中间件，参数都统一使用 Context 实例， Context 就像一次会话的百宝箱，可以找到任何东西。

Context具体实现

gee/context.go

type H map[string]interface{}

type Context struct {
	// origin objects
	Writer http.ResponseWriter
	Req    *http.Request
	// request info
	Path   string
	Method string
	// response info
	StatusCode int
}

func newContext(w http.ResponseWriter, req *http.Request) *Context {
	return &Context{
		Writer: w,
		Req:    req,
		Path:   req.URL.Path,
		Method: req.Method,
	}
}

func (c *Context) PostForm(key string) string {
	return c.Req.FormValue(key)
}

func (c *Context) Query(key string) string {
	return c.Req.URL.Query().Get(key)
}

func (c *Context) Status(code int) {
	c.StatusCode = code
	c.Writer.WriteHeader(code)
}

func (c *Context) SetHeader(key string, value string) {
	c.Writer.Header().Set(key, value)
}

func (c *Context) String(code int, format string, values ...interface{}) {
	c.SetHeader("Content-Type", "text/plain")
	c.Status(code)
	c.Writer.Write([]byte(fmt.Sprintf(format, values...)))
}

func (c *Context) JSON(code int, obj interface{}) {
	c.SetHeader("Content-Type", "application/json")
	c.Status(code)
	encoder := json.NewEncoder(c.Writer)
	if err := encoder.Encode(obj); err != nil {
		http.Error(c.Writer, err.Error(), 500)
	}
}

func (c *Context) Data(code int, data []byte) {
	c.Status(code)
	c.Writer.Write(data)
}

func (c *Context) HTML(code int, html string) {
	c.SetHeader("Content-Type", "text/html")
	c.Status(code)
	c.Writer.Write([]byte(html))
}

• 代码最开头，给map[string]interface{}起了一个别名gee.H，构建JSON数据时，显得更简洁。
• Context目前只包含了http.ResponseWriter和*http.Request，另外提供了对 Method 和 Path 这两个常用属性的直接访问。
• 提供了访问Query和PostForm参数的方法。
• 提供了快速构造String/Data/JSON/HTML响应的方法。

路由 (Router)

我们将和路由相关的方法和结构提取了出来，放到了一个新的文件中router.go，方便我们下一次对 router 的功能进行增强，例如提供动态路由的支持。 router 的 handle 方法作了一个细微的调整，即 handler 的参数，变成了 Context。

gee/router.go

type router struct {
	handlers map[string]HandlerFunc
}

func newRouter() *router {
	return &router{handlers: make(map[string]HandlerFunc)}
}

func (r *router) addRoute(method string, pattern string, handler HandlerFunc) {
	log.Printf("Route %4s - %s", method, pattern)
	key := method + "-" + pattern
	r.handlers[key] = handler
}

func (r *router) handle(c *Context) {
	key := c.Method + "-" + c.Path
	if handler, ok := r.handlers[key]; ok {
		handler(c)
	} else {
		c.String(http.StatusNotFound, "404 NOT FOUND: %s\n", c.Path)
	}
}

框架入口

gee/gee.go

// HandlerFunc defines the request handler used by gee
type HandlerFunc func(*Context)

// Engine implement the interface of ServeHTTP
type Engine struct {
	router *router
}

// New is the constructor of gee.Engine
func New() *Engine {
	return &Engine{router: newRouter()}
}

func (engine *Engine) addRoute(method string, pattern string, handler HandlerFunc) {
	engine.router.addRoute(method, pattern, handler)
}

// GET defines the method to add GET request
func (engine *Engine) GET(pattern string, handler HandlerFunc) {
	engine.addRoute("GET", pattern, handler)
}

// POST defines the method to add POST request
func (engine *Engine) POST(pattern string, handler HandlerFunc) {
	engine.addRoute("POST", pattern, handler)
}

// Run defines the method to start a http server
func (engine *Engine) Run(addr string) (err error) {
	return http.ListenAndServe(addr, engine)
}

func (engine *Engine) ServeHTTP(w http.ResponseWriter, req *http.Request) {
	c := newContext(w, req)
	engine.router.handle(c)
}

将router相关的代码独立后，gee.go简单了不少。最重要的还是通过实现了 ServeHTTP 接口，接管了所有的 HTTP 请求。相比第一天的代码，这个方法也有细微的调整，在调用 router.handle 之前，构造了一个 Context 对象。这个对象目前还非常简单，仅仅是包装了原来的两个参数，之后我们会慢慢地给Context插上翅膀。
如何使用，main.go一开始就已经亮相了。运行go run main.go，借助 curl ，一起看一看今天的成果吧。

curl -i http://localhost:9999/
HTTP/1.1 200 OK
Date: Mon, 12 Aug 2019 16:52:52 GMT
Content-Length: 18
Content-Type: text/html; charset=utf-8
<h1>Hello Gee</h1>

$ curl "http://localhost:9999/hello?name=geektutu"
hello geektutu, you're at /hello

$ curl "http://localhost:9999/login" -X POST -d 'username=geektutu&password=1234'
{"password":"1234","username":"geektutu"}

$ curl "http://localhost:9999/xxx"
404 NOT FOUND: /xxx

感谢大佬 geektutu.com 分享