深入了解Go语言中web框架的中间件运行机制

目录

• 一、中间件的基本使用
• 1.1 iris框架中间件的使用
• 1.2 gin框架中使用中间件
• 1.3 echo框架中使用中间件示例
• 二、中间件的实现
• 2.1 iris中间件实现
• 2.2 gin中间件的实现
• 2.3 echo框架中间件的实现
• 三、中间件的运行机制
• 3.1 iris中间件的运行机制
• 3.2 gin中间件运行机制
• 3.3 echo中间件的运行机制
• 四、总结

一、中间件的基本使用

在web开发中，中间件起着很重要的作用。比如，身份验证、权限认证、日志记录等。以下就是各框架对中间件的基本使用。

1.1 iris框架中间件的使用

package main

import (
	"github.com/kataras/iris/v12"
	"github.com/kataras/iris/v12/context"

	"github.com/kataras/iris/v12/middleware/recover"
)

func main() {
	app := iris.New()

	//通过use函数使用中间件recover
	app.Use(recover.New())

	app.Get("/home",func(ctx *context.Context) {
		ctx.Write([]byte("Hello Wolrd"))
	})

	app.Listen(":8080")
}

1.2 gin框架中使用中间件

package main

import (
	"github.com/gin-gonic/gin"
)

func main() {
	g := gin.New()
    // 通过Use函数使用中间件
	g.Use(gin.Recovery())
    
	g.GET("/", func(ctx *gin.Context){
		ctx.Writer.Write([]byte("Hello World"))
	})

	g.Run(":8000")
}

1.3 echo框架中使用中间件示例

package main

import (
	v4echo "github.com/labstack/echo/v4"
	"github.com/labstack/echo/v4/middleware"
)

func main() {
	e := v4echo.New()
    // 通过use函数使用中间件Recover
	e.Use(middleware.Recover())
	e.GET("/home", func(c v4echo.Context) error {
		c.Response().Write([]byte("Hello World"))
		return nil
	})

	e.Start(":8080")
}

首先我们看下三个框架中使用中间件的共同点：

• 都是使用Use函数来使用中间件
• 都内置了Recover中间件
• 都是先执行中间件Recover的逻辑，然后再输出Hello World

接下来我们继续分析中间件的具体实现。

二、中间件的实现

2.1 iris中间件实现

2.1.1 iris框架中间件类型

首先，我们看下Use函数的签名，如下：

func (api *APIBuilder) Use(handlers ...context.Handler) {
	api.middleware = append(api.middleware, handlers...)
}

在该函数中，handlers是一个不定长参数，说明是一个数组。参数类型是context.Handler，我们再来看context.Handler的定义如下：

type Handler func(*Context)

这个类型是不是似曾相识。是的，在注册路由时定义的请求处理器也是该类型。如下：

func (api *APIBuilder) Get(relativePath string, handlers ...context.Handler) *Route {
	returnandroid api.Handle(http.MethodGet, relativePath, handlers...)
}

总结：在iris框架上中间件也是一个请求处理器。通过Use函数使用中间件，实际上是将该中间件统一加入到了api.middleware切片中。该切片我们在后面再深入研究。

2.1.2 iris中自定义中间件

了解了中间件的类型，我们就可以根据其规则来定义自己的中间件了。如下：

import "github.com/kataras/iris/v12/context"

func CustomMiddleware(ctx *context.Context) {
	fmt.Println("this is the custom middleware")
	// 具体的处理逻辑
	
	ctx.Next()
}

当然，为了代码风格统一，也可以类似Recover中间件那样定义个包，然后定义个New函数，New函数返回的是一个中间件函数，如下：

package CustomMiddleware 

func New() context.Handler {
	return func(ctx *context.Context) {
    	fmt.Println("this is the custom middleware")
		// 具体的处理逻辑

		ctx.Next()
	}
}

到此为止，你有没有发现，无论是自定义的中间件，还是iris框架中已存在的中间件，在最后都有一行ctx.Next()代码。那么，该为什么要有这行代码呢？ 通过函数名可以看到执行下一个请求处理器。 再结合我们在使用Use函数使用中间件的时候，是把该中间件处理器加入到了一个切片中。所以，Next和请求处理器切片是有关系的。这个我们在下文的运行机制部分详细解释。

2.2 gin中间件的实现

2.2.1 gin框架中间件类型

同样先查看gin的Use函数的签名和实现，如下：

func (engine *Engine) Use(middleware ...HandlerFunc) IRoutes {
	engine.RouterGroup.Use(middleware...)
	engine.rebuild404Handlers()
	engine.rebuild405Handlers()
	return engine
}

在gin框架的Use函数中，middleware也是一个不定长的参数，其参数类型是HandlerFunc。而HandlerFunc的定义如下：

type HandlerFunc func(*Context)

同样，在gin框架中注册路由时指定的请求处理器的类型也是HandlerFunc，即func(*Context)。我们再看Use中的第2行代码engine.RouterGroup.Use(middleware...)的实现：

func (group *RouterGroup) Use(middleware ...HandlerFunc) IRoutes {
	group.Handlers = append(group.Handlers, middleware...)
	return group.returnObj()
}

同样，也是将中间件加入到了路由的Handlers切片中。

总结：在gin框架中，中间件也是一个请求处理函数。通过Use函数使用中间件，实际上也是将该中间件统一加入到了group.Handlers切片中。

2.2.2 gin中自定义中间件

了解了gin的中间件类型，我们就可以根据其规则来定义自己的中间件了。如下：

import "github.com/gin-gonic/gin"

func CustomMiddleware(ctx *gin.Context) {
	fmt.Println("this is gin custom middleware")
	//	处理逻辑
	ctx.Next()
}

当然，为了代码风格统一，也可以类似Recover中间件那样返回一个，然后定义个New函数，New函数返回的是一个中间件函数，如下：

func CustomMiddleware() gin.HandlerFunc {
	return func(ctx *gin.Context) {
		fmt.Println("this is gin custom middleware")
		//	处理逻辑
		ctx.Next()
	}
}

同样，在gin的中间件中，代码的最后一行也是ctx.Next()函数。如果不要这行代码行不行呢？和iris的道理是一样的，我们也在下文的运行机制中讲解。

2.3 echo框架中间件的实现

2.3.1 echo框架中间件类型

func (e *Echo) Use(middleware ...MiddlewareFunc) {
	e.middleware = append(e.middleware, middleware...)
}

在echo框架中，Use函数中的middleware参数也是一个不定长参数，说明可以添加多个中间件。其类型是MiddlewareFunc。如下是MiddewareFunc类型的定义：

type MiddlewareFunc func(next HandlerFunc) HandlerFunc

这个中间件的函数类型跟iris和gin的不一样。该函数类型接收一个HandlerFunc，并返回一个HanderFunc。而HanderFunc的定义如下：

HandlerFunc func(c Context) error

HanderFunc类型才是指定路由时的请求处理器类型。我们再看下echo框架中Use的实现，也是将middleware加入到了一个全局的切片中。

总结：在echo框架中，中间件是一个输入请求处理器，并返回一个新请求处理器的函数类型。这是和iris和gin框架不一样的地方。通过Use函数使用中间件，也是将该中间件统一加入到全局的中间件切片中。

2.3.2 echo中自定义中间件

了解了echo的中间件类型，我们就可以根据其规则来定义自己的中间件了。如下：

import (
	v4echo "github.com/labstack/echo/v4"
)

func CustomMiddleware(next v4echo.HandlerFunc) v4echo.HandlerFunc {
	return func(c v4echo.Context) error {
		fmt.Println("this is echo custom middleware")
		// 中间件处理逻辑
		return next(c)
	}
}

这里中间件的实现看起来比较复杂，做下简单的解释。根据上面可知，echo的中间件类型是输入一个请求处理器，然后返回一个新的请求处理器。在该函数中，从第6行到第10行该函数其实是中间件的执行逻辑。第9行的next(c)实际上是要执行下一个请求处理器的逻辑，类似于iris和gin中的ctx.Next()函数。** 本质上是用一个新的请求处理器（返回的请求处理器）包装了一下旧的请求处理器（输入的next请求处理器）**。

中间件的定义和使用都介绍了。那么，中间件和具体路由中的请求处理器是如何协同工作的呢？下面我们介绍中间件的运行机制。

三、中间件的运行机制

3.1 iris中间件的运行机制

根据上文介绍，我们知道使用iris.Use函数之后，是将中间件加入到了APIBuilder结构体的middleware切片中。那么，该middleware是如何和路由中的请求处理器相结合的呢？我们还是从注册路由开始看。

	app.Get("/home",func(ctx *context.Context) {
		ctx.Write([]byte("Hello Wolrd"))
	})

使用Get函数指定一个路由。该函数的第二个参数就是对应的请求处理器，我们称之为handler。然后，查看Get的源代码，一直到APIBuilder.handle函数，在该函数中有创建的路由的逻辑，如下：

routes := api.createRoutes(errorCode, []string{method}, relativePath, handlers...)

在api.createRoutes函数的入参中，我们只需关注handlers，该handlers即是在app.Get中传递的handler。继续进入api.createRoutes函数中，该函数是创建路由的逻辑。其实现如下：

func (api *APIBuilder) createRoutes(errorCode int, methods []string, relativePath string, handlers ...context.Handler) []*Route {
	//...省略代码

	var (
		// global middleware to error handlers as well.
		beginHandlers = api.beginGlobalHandlers
		doneHandlers  = api.doneGlobalHandlers
	)

	if errorCode == 0 {
		beginHandlers = context.JoinHandlers(beginHandlers, api.middleware)
		doneHandlers = context.JoinHandlers(doneHandlers, api.doneHandlers)
	} else {
		beginHandlers = context.JoinHandlers(beginHandlers, api.middlewareErrorCode)
	}

	mainHandlers := context.Handlers(handlers)

	//...省略代码
    
	routeHandlers := context.JoinHandlers(beginHandlers, mainHandlers)
	// -> done handlers
	routeHandlers = context.JoinHandlers(routeHandlers, doneHandlers)

    //...省略代码
	routes := make([]*Route, len(methods))
	// 构建routes对应的handler
	for i, m := range methods { // single, empty method for error handlers.
		route, err := NewRoute(api, errorCode, m, subdomain, path, routeHandlers, *api.MACros)
    	// ...省略代码
		routes[i] = route
	}

	return routes
}

这里省略了大部分的代码，只关注和中间件及对应的请求处理器相关的逻辑。从实现上来看，可以得知：

• 首先看第12行，将全局的beginGlobalHandlers（即beginHandlers）和中间件api.middleware进行合并。这里的api.middleware就是我们开头处使用Use函数加入的中间件。
• 再看第18行和22行，18行是将路由的请求处理器转换成了切片 []Handler切片。这里的handlers就是使用Get函数进行注册的路由。22行是将beginHandlers和mainHandlers进行合并，可以简单的认为是将api.middlewares和路由注册时的请求处理器进行了合并。这里需要注意的是，通过合并请求处理器，中间件的处理器排在前面，具体的路由请求处理器排在了后面。
• 再看第24行，将合并后的请求处理器再和全局的doneHandlers进行合并。这里可暂且认为doneHandlers为空。

根据以上逻辑，对于一个具体的路由来说，其对应的请求处理器不仅仅是自己指定的那个，而是形成如下顺序的一组请求处理器：

接下来，我们再看在路由匹配过程中，即匹配到了具体的路由后，这一组请求处理器是如何执行的。

在iris中，路由匹配的过程是在文件的/iris/core/router/handler.go文件中的routerHandler结构体的HandleRequest函数中执行的。如下：

func (h *routerHandler) HandleRequest(ctx *context.Context) {
	method := ctx.Method()
	path := ctx.Path()
	// 省略代码...

	for i := range h.trees {
		t := h.trees[i]

    	// 省略代码...

        // 根据路径匹配具体的路由
		n := t.search(path, ctx.Params())
		if n != nil {
			ctx.SetCurrentRoute(n.Route)
            // 这里是找到了路由，并执行具体的请求逻辑
			ctx.Do(n.Handlers)
			// found
			return
		}
		// not found or method not allowed.
		break
	}

	ctx.StatusCode(http.StatusNotFound)
}

在匹配到路由后，会执行该路由对应的请求处理器n.Handlers，这里的Handlers就是上面提到的那组包含中间件的请求处理器数组。我们再来看ctx.Do函数的实现：

func (ctx *Context) Do(handlers Handlers) {
	if len(handlers) == 0 {
		return
	}

	ctx.handlers = handlers
	handlers[0](ctx)
}

这里看到在第7行中，首先执行第1个请求处理器。到这里是不是有疑问：handlers既然是一个切片，那后面的请求处理器是如何执行的呢？这里就涉及到在每个请求处理器中都有一个ctx.Next函数了。我们再看下ctx.Nex函数的实现：

func (ctx *Context) Next() {
	// ...省略代码
	nextIndex, n := ctx.currentHandlerIndex+1, len(ctx.handlers)
	if nextIndex < n {
		ctx.currentHandlerIndex = nextIndex
		ctx.handlers[nextIndex](ctx)
	}
}

这里我们看第11行到15行的代码。在ctx中有一个当前执行到哪个handler的下标currentHandlerIndex，如果还有未执行完的hander，则继续执行下一个，即ctx.handlers[nextIndex](ctx)。这也就是为什么在每个请求处理器中都应该加一行ctx.Next的原因。如果不加改行代码，则就执行不到后续的请求处理器。

完整的执行流程如下：

3.2 gin中间件运行机制

由于gin和iris都是使用数组来存储中间件，所以中间件运行的机制本质上是和iris一样的。也是在注册路由时，将中间件的请求处理器和路由的请开发者_JAVA教程求处理器进行合并后作为该路由的最终的请求处理器组。在匹配到路由后，也是通过先执行请求处理器组的第一个处理器，然后调用ctx.Next()函数进行迭代调用的。

但是，gin的请求处理器比较简单，只有中间件和路由指定的请求处理器组成。我们还是从路由注册指定请求处理器开始，如下

	g.GET("/", func(ctx *gin.Context){
		ctx.Writer.Write([]byte("Hello World"))
	})

进入GET的源代码，直到进入到/gin/routergroup.go文件中的handle源码，如下：

func (group *RouterGroup) handle(httpMethod, relativePath string, handlers HandlersChain) IRoutes {
	absolutePath := group.calculateAbsolutePath(relativePath)
	handlers = group.combineHandlers(handlers)
	group.engine.addRoute(httpMethod, absolutePath, handlers)
	return group.returnObj()
}

在该函数中我们可以看到第3行处是将group.combineHandlers(handlers)，由名字可知是对请求处理器进行组合。我们进入继续查看：

func (group *RouterGroup) combineHandlers(handlers HandlersChain) HandlersChain {
	finalSize := len(group.Handlers) + len(handlers)
	assert1(finalSize < int(abortIndex), "too many handlers")
	mergedHandlers := make(HandlersChain, finalSize)
	copy(mergedHandlers, group.Handlers)
	copy(mergedHandlers[len(group.Handlers):], handlers)
	re编程客栈turn mergedHandlers
}

在第5行，是先将group.Handlers即中间件加入到mergedHandlers，然后再第6行再将路由具体的handlers加入到mergedHandlers，最后将组合好的mergedHandlers作为该路由最终的handlers。如下：

接下来，我们再看在路由匹配过程中，即匹配到了具体的路由后，这一组请求处理器是如何执行的。

在gin中，路由匹配的逻辑是在/gin/gin.go文件的Engine.handleHTTPRequest函数中，如下：

func (engine *Engine) handleHTTPRequest(c *Context) {
	httpMethod := c.Request.Method
	rPath := c.Request.URL.Path
	// ...省略代码
	
	t := engine.trees
	for i, tl := 0, len(t); i < tl; i++ {
    	// ...省略代码
		root := t[i].root
		// Find route in tree
		value := root.getValue(rPath, c.params, c.skippedNodes, unescape)
    	//...省略代码
		if value.handlers != nil {
			c.handlers = value.handlers
			c.fullPath = value.fullPath
			c.Next()
			c.writermem.WriteHeaderNow()
			return
		}
		// ...省略代码
		break
	}

	// ...省略代码
}

匹配路由以及执行对应路由处理的逻辑是在第13行到18行。在第14行，首先将匹配到的路由的handlers（即中间件+具体的路由处理器）赋值给上下文c，然后执行c.Next()函数。c.Next()函数如下：

func (c *Context) Next() {
	c.index++
	for c.index < int8(len(c.handlers)) {
		c.handlers[c.index](c)
		c.index++
	}
}

在Next函数中直接就是使用下标c.index进行循环handlers的执行。这里需要注意的是c.index是从-1开始的。所以先进行c.index++则初始值就是0。整体执行流程如下：

3.3 echo中间件的运行机制

根据上文介绍，我们知道使用echo.Use函数来注册中间件，注册的中间件是放到了Echo结构体的middleware切片中。那么，该middleware是如何和路由中的请求处理器相结合的呢？我们还是从注册路由开始看。

	e.GET("/home", func(c v4echo.Context) error {
		c.Response().Write([]byte("Hello World"))
		return nil
	})

使用Get函数指定一个路由。该函数的第二个参数就是对应的请求处理器，我们称之为handler。当然，在该函数中还有第三个可选的参数是针对该路由的中间件的，其原理和全局的中间件是一样的。

echo框架的中间件和路由的处理器结合并是在路由注册的时候进行的，而是在匹配到路由后才结合的。其逻辑是在Echo的ServeHTTP函数TpPKmhXHk中，如下：

func (e *Echo) ServeHTTP(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
	// Acquire context
	c := e.pool.Get().(*context)
	c.Reset(r, w)
	var h HandlerFunc

	if e.premiddleware == nil {
		e.findRouter(r.Host).Find(r.Method, GetPath(r), c)
		h = c.Handler()
		h = applyMiddleware(h, e.middleware...)
	} else {
		h = func(c Context) error {
			e.findRouter(r.Host).Find(r.Method, GetPath(r), c)
			h := c.Handler()
			h = applyMiddleware(h, e.middleware...)
			return h(c)
		}
		h = applyMiddleware(h, e.premiddleware...)
	}

	// Execute chain
	if err := h(c); err != nil {
		e.HTTPErrorHandler(err, c)
	}

	// Release context
	e.pool.Put(c)
}

在该函数的第10行或第18行。我们接着看第10行中的applyMiddleware(h, e.middleware...)函数的实现：

func applyMiddleware(h jsHandlerFunc, middleware ...MiddlewareFunc) HandlerFunc {
	for i := len(middlewwww.devze.comare) - 1; i >= 0; i-- {
		h = middleware[i](h)
	}
	return h
}

这里的h是注册路由时指定的请求处理器。middelware就是使用Use函数注册的所有的中间件。这里实际上循环对h进行层层包装。 索引i从middleware切片的最后一个元素开始执行，这样就实现了先试用Use函数注册的中间件先执行。

这里的实现跟使用数组实现不太一样。我们以使用Recover中间件为例看下具体的嵌套过程。

package main

import (
	v4echo "github.com/labstack/echo/v4"
	"github.com/labstack/echo/v4/middleware"
)

func main() {
	e := v4echo.New()
    // 通过use函数使用中间件Recover
	e.Use(middleware.Recover())
	e.GET("/home", func(c v4echo.Context) error {
		c.Response().Write([]byte("Hello World"))
		return nil
	})

	e.Start(":8080")
}

这里的Recover中间件实际上是如下函数：

func(next echo.HandlerFunc) echo.HandlerFunc {
	return func(c echo.Context) error {
		if config.Skipper(c) {
			return next(c)
		}

		defer func() {
			// ...省略具体逻辑代码
		}()
		return next(c)
	}
}

然后路由对应的请求处理器我们假设是h：

func(c v4echo.Context) error {
	c.Response().Write([]byte("Hello World"))
	return nil
}

那么，执行applyMiddleware函数，则结果执行了Recover函数，传给Recover函数的next参数的值是h（即路由注册的请求处理器），如下： 那么新的请求处理器就变成了如下：

func(c echo.Context) error {
	if config.Skipper(c) {
		return next(c)
	}

	defer func() {
		// ...省略具体逻辑代码
	}()
	
    return h(c) // 这里的h就是路由注册的请求处理
}

你看，最终还是个请求处理器的类型。这就是echo框架中间件的包装原理：返回一个新的请求处理器，该处理器的逻辑是 中间件的逻辑 + 输入的请求处理的逻辑。其实这个也是经典的pipeline模式。如下：

四、总结

本文分析了gin、iris和echo主流框架的中间件的实现原理。其中gin和iris是通过遍历切片的方式实现的，结构也比较简单。而echo是通过pipeline模式实现的。相信通过本篇文章，你对中间件的运行原理有了更深的理解。

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