「Go工具箱」一文读懂主流web框架中路由的实现原理

大家好，我是渔夫子。本号新推出「Go工具箱」系列，意在给大家分享使用go语言编写的、实用的、好玩的工具。同时了解其底层的实现原理，以便更深入地了解Go语言。

一、什么是路由

路由，就是url地址到业务处理代码的映射。当用户输入一个url地址时，服务器该知道该用户返回什么内容。比如，当用户点击登录时，服务器应该做登录相关的事情，并给用户返回登录成功或失败的页面。当用户点击退出时，服务器应该做和退出相关的事情（比如清理用户登录的数据），并返回给用户退出之后的页面。

一个url到一个具体的处理函数之间的映射叫做一条路由。

多条路由组成路由表。路由表主要用于路由查找，根据不同的路由表的组织形式，可以有不同的查找方法。最简单的路由表就是使用map。直接以key-value的形式进行匹配即可。

给定一个url，找到对应的处理函数的过程叫做路由查找。路由器就是用来管理路由表以及进行路由查找的。

所以，在web系统中一个路由系统由路由、路由表、路由匹配三部分功能组成。

二、基于映射表的路由实现

go内建标准包net/http中路由的实现是基于映射表实现的。也是最简单的路由实现。本节我们就来看来http请求的处理流程以及内建包默认的路由实现原理。

2.1 http的处理流程

首先，我们来看下http包是如何处理请求的。通过以下代码我们就能启动一个http服务，并处理请求：

import (
 "net/http"
)

func main() {
    // 指定路由
 http.Handle("/", &HomeHandler{})

 // 启动http服务
 http.ListenAndServe(":8000", nil)
}

type HomeHandler struct {}

// 实现ServeHTTP
func (h *HomeHandler) ServeHTTP(response http.ResponseWriter, request *http.Request) {
 response.Write([]byte("Hello World"))
}

当我们输入http://localhost:8000/的时候，就会走到HomeHandler的ServeHTTP方法，并返回Hello World。

那这里为什么要给HomeHandler定义ServeHTTP方法呢？或者说为什么会走到ServeHTTP方法中呢？

我们顺着http.ListenAndServe方法的定义：

func ListenAndServe(addr string, handler Handler) error

发现第二个参数是个Handler类型，而Handler是一个定义了ServeHTTP方法的接口类型：

type Handler interface {
 ServeHTTP(ResponseWriter, *Request)
}

似乎有了一点点关联，HomeHandler类型也实现了ServeHTTP方法。但我们在main函数中调用http.ListenAndServe(":8000", nil)的时候第二个参数传递的是nil，那HomeHandler里的ServeHTTP方法又是如何被找到的呢？

我们接着再顺着源码一层一层的找下去可以发现，在/src/net/http/server.go的第1930行有这么一段代码：

serverHandler{c.server}.ServeHTTP(w, w.req)

有个serverHandler结构体，包装了c.server。这里的c是建立的http连接，而c.server就是在http.ListenAndServe(":8000", nil)函数中创建的server对象：

func ListenAndServe(addr string, handler Handler) error {
 server := &Server{Addr: addr, Handler: handler}
 return server.ListenAndServe()
}

server中的Handler就是http.ListenAndServe(":8000", nil)传递进来的nil。

好，我们进入 serverHandler{c.server}.ServeHTTP(w, w.req)函数中再次查看，就可以发现如下代码：

func (sh serverHandler) ServeHTTP(rw ResponseWriter, req *Request) {
 handler := sh.srv.Handler
 if handler == nil {
  handler = DefaultServeMux
 }
 ...

 handler.ServeHTTP(rw, req)
}

/src/net/http/server.go的第2859行到2862行，就是获取到server中的Handler，如果是nil，则使用默认的DefaultServeMux，然后调用了hander.ServeHTTP方法。

继续再看DefaultServeMux中的ServeHTTP方法，在/src/net/http/server.go中的第2416行，发现有一行h,_ := mux.Handler(r)和h.ServeHTTP方法。这就是通过请求的路径查找到对应的handler，然后调用该handler的ServeHTTP方法。

func (mux *ServeMux) ServeHTTP(w ResponseWriter, r *Request) {
 if r.RequestURI == "*" {
  if r.ProtoAtLeast(1, 1) {
   w.Header().Set("Connection", "close")
  }
  w.WriteHeader(StatusBadRequest)
  return
 }
 h, _ := mux.Handler(r)
 h.ServeHTTP(w, r)
}

在一开始的实例中，就是我们的HomeHandler的ServeHTTP方法。也就是说ServeHTTP方法是net/http包中规定好了要调用的，所以每一个页面处理函数都必须实现ServeHTTP方法。

同时也说明，net/http包中的路由是在DefaultServeMux对象中实现的，该对象是一个ServeMux结构体类型，接下来我们看ServeMux路由的具体实现。

2.2 net/http包中路由的实现

在net/http包中实现路由的机构提是ServeMux，其结构定义如下。

type ServeMux struct {
 mu    sync.RWMutex
 m     map[string]muxEntry
 es    []muxEntry // slice of entries sorted from longest to shortest.
 hosts bool       // whether any patterns contain hostnames
}

结构体字段很简单，我们重点看m变量，是一个map类型，即key-value结构，就是我们所说的路由表。key就是路由的路径，value是一个muxEntry对象，muxEntry结构如下：

type muxEntry struct {
 h       Handler
 pattern string
}

pattern是对应的路径，h就是对应的处理函数。当我们调用http.Handle("/", &HomeHandler{})�进行路由注册时候，实质上就是将路径和HomeHandler对象构建成一个muxEntry对象，然后加入到ServeMux的m中。

接下来我们再看路由的查找，既然路由表是有map实现的，那么路由的查找过程自然就是通过路径从map中查找对应的muxEntry，然后获取对应的handler即可。该实现就是在/src/net/http/server.go中的第2416行的mux.Handler(r)进行的。

以上就是net/http包中自己路由的实现。非常简单，同时也意味着功能有限。比如不能对路由进行分组、不能限定路由的请求方法（GET、POST或其他）、不能对路由加中间件等等。 这也就给第三方包提供了再次实现的机会。

三、基于正则表达式的路由实现

3.1 gorilla/mux包简介

该包是基于正则表达式实现的路由。该路由支持分组、restful风格路径的定义、绑定路由请求的方法（GET、POST等）、限定路径使用http还是https协议等功能。我们看下其基本情况。

3.2 基本使用

由于该包支持的路由规则比较多，所以我们先从最简单的例子开始看一下基本使用，然后再通过分析其实现原理看各种规则是如何支持的。

package main

import (
 "fmt"
 "net/http"

 "github.com/gorilla/mux"
)
func main() {
 r := mux.NewRouter()
 r.HandleFunc("/", HomeHandler)
 r.HandleFunc("/products", ProductsHandler)
 //定义restful风格的路径，例如/product/12345
 r.HandleFunc("/product/{id:[0-9]+}", ProductHandler)

 http.ListenAndServe(":8000", r)
}

func HomeHandler(response http.ResponseWriter, request *http.Request) {
 response.Write([]byte("Hi, this is Home page"))
}

func ProductsHandler(response http.ResponseWriter, request *http.Request) {
 response.Write([]byte("Hi, this is Product page"))
}

func ProductHandler(response http.ResponseWriter, request *http.Request) {
 vars := mux.Vars(request)
    // 获取产品的ID值。
 id := vars["id"]

 response.Write([]byte("Hi, this is product:" + id))
}

3.3 实现原理分析

首先我们通过mux.NewRouter()方法返回了一个Router结构体对象。该结构体对象也实现了ServeHTTP方法，在该方法中实现了对路由的匹配和转发。所以覆盖作为http.ListenAndServe的第二个参数，替代了默认的路由分发对象DefaultServeMux。以下展示了Router的ServeHTTP方法对路由的匹配和分发部分的代码，其他代码省略。

func (r *Router) ServeHTTP(w http.ResponseWriter, req *http.Request) {
    ...
 var match RouteMatch
 var handler http.Handler
    // 路由匹配
 if r.Match(req, &match) {
  handler = match.Handler
  req = requestWithVars(req, match.Vars)
  req = requestWithRoute(req, match.Route)
 }

 ...
    
 // 路由分发
 handler.ServeHTTP(w, req)
}

本质上是和默认的路由分发器DefaultServeMux的实现是一样的。不同的是路由的管理以及匹配上。

接下来我们看下Router结构体。如下：

这里我们只列出来核心的字段，省略了一些辅助字段。这里有几个主要的字段：

• Router中的routes：Route切片类型，角色是路由表，存储所有的路由。
• Route：一个具体的路由，handler字段存储的是具体的处理函数，同时每个路由的路径是在最后的routeRegexp结构体中的。
• matchers字段：切片类型，存储了该路由下的所有要匹配的规则。matchers的类型是一个matcher接口，定义了Match方法。其中routeRegexp结构体实现了该方法，所以一个routeRegexp实例就是一个matcher。
• routeRegexp结构体：该结构体代表了路由中具体的路径的匹配规则。将路由中的路径转换成对应的正则表达式，存储与regexp字段中。

routeRegexp结构体中的主要字段分别如下：

• template：保存的是路由的路径模版。比如r.HandleFunc("/product/{id:[0-9]+}", ProductHandler)中，则是"/product/{id:[0-9]+}"
• regexpType：正则类型，目前支持regexpTypePath、regexpTypeHost、regexpTypePrefix、regexpTypeQuery四种类型。比如r.HandleFunc("/product/{id:[0-9]+}", ProductHandler)就是路径匹配regexpTypePath。而r.Host("www.example.com")就是域名匹配regexpTypeHost。稍后我们会一一介绍。
• regexp：是根据路由中的模版路径构造出来的正则表达式。以"/product/{id:[0-9]+}"为例，最终构造的正则表达式是 ^/product/(?P<v0>[0-9]+)$�
• reverse：
• varsN：是路径模式中花括号{}中的变量个数。以"/product/{id:[0-9]+}"为例，varsN则等于[]{"id"}。
• varsR：是路径模式中每个花括号{}对应的正则表达式。以"/product/{id:[0-9]+}"为例，varsR则等于[]{"^[0-9]+$"}。如果路由中是设置r.HandleFunc("/product/{id}", ProductHandler)，varsR的元素则是[]{"^[^/]+�"}的正则表达式。

根据路由表及路由的结构，具体的路由匹配查找基本过程如下： 第一步，从Router.routes开始依次循环 第二步，从每个路由中的matchers中循环，看请求的路径是否符合matchers中的每一项规则，如果都匹配，则说明找到了该路由，否则继续步骤1。

接下来，我们看看该路由是如何支持各种功能的。

3.4 路由支持的功能及对应的正则

3.4.1 匹配特定域名或子域名

r := mux.NewRouter()
// Only matches if domain is "www.example.com".
r.Host("www.example.com")
// Matches a dynamic subdomain.
r.Host("{subdomain:[a-z]+}.example.com")

我们先看r.Host("www.example.com")的路由。在routeRegexp结构体中，regexp值会是正则表达式"^www\.example\.com$，regexpType字段是regexpTypeHost。同时赋值给routeRegexpGroup中的host字段。

从路由表Router.routes中依次匹配本次请求的时候，发现route.regexpType字段是域名的正则，则从请求中获取当前的host，然后跟routeRegexp.regexp正则表达式进行匹配。如果匹配成功则继续匹配后面的路由，否则直接匹配失败。

再来看匹配子域名r.Host("{subdomain:[a-z]+}.example.com")的情况。在routeRegexp结构体中，regexp值会是正则表达式"^(?P<v0>[a-z]+)\.example\.com$，regexpType字段是regexpTypeHost。同时赋值给routeRegexpGroup中的host字段。匹配过程和上述过程一样，不再重复介绍。

3.4.2 给路径增加前缀

r.PathPrefix("/products/")

顾名思义，就是只有路径中是以/products为前缀的才能匹配到该路由。该路由的设置最终编译成的正则表达式是^/products。这里注意该表达式中结尾并没有结尾符号 $。其匹配过程和上述一致。

3.4.3 限制路由的请求方法（GET、POST等）

r.Methods("GET", "POST")

对请求方法的限制 是不经过正则，而是将允许的方法（GET、POST）转换成一个methodMatcher�类型，该类型本质上是一个字符串切片，并且实现了Match方法，也就是matcher接口。然后将其加入到该路由的matchers中，在路由匹配时看当前的请求是否满足该路由的这条规则。其定义如下：

type methodMatcher []string

func (m methodMatcher) Match(r *http.Request, match *RouteMatch) bool {
 return matchInArray(m, r.Method)
}

3.4.4 支持路由分组

userRouter := r.PathPrefix("/user").Subrouter()
userRouter.HandleFunc("/info", HomeHandler)

通过.Subrouter()函数就能实现一个子路由表，在该子路由表下注册的所有路由都会遵循子路由上的公共设置，比如前缀。如上述例子/info的完整路径就是/user/info指向HomeHandler。

我们查看Subrouter函数的源码，实际上是新建了一个Router结构体，而Router结构体实现了Match函数，即matcher，所以也会将该matcher加入到r.PathPrefix这个路由的matchers中。相当于在路由中有建了一个专属的路由表。以下是Router的Match函数实现，我们看到循环到该matcher时，循环子路由表的routes，再对每个子路由依次进行匹配：

func (r *Router) Match(req *http.Request, match *RouteMatch) bool {
 for _, route := range r.routes {
  if route.Match(req, match) {
   // Build middleware chain if no error was found
   if match.MatchErr == nil {
    for i := len(r.middlewares) - 1; i >= 0; i-- {
     match.Handler = r.middlewares[i].Middleware(match.Handler)
    }
   }
   return true
  }
 }
    ...//省略代码
}

3.4.5 支持中间件

//  定义中间件
func loggingMiddleware(next http.Handler) http.Handler {
    return http.HandlerFunc(func(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
        // Do stuff here
        log.Println(r.RequestURI)
        // Call the next handler, which can be another middleware in the chain, or the final handler.
        next.ServeHTTP(w, r)
    })
}

r := mux.NewRouter()
r.HandleFunc("/", HomeHandler)
// 使用中间件
r.Use(loggingMiddleware)

func HomeHandler(response http.ResponseWriter, request *http.Request) {
 response.Write([]byte("Hi, this is Home page"))
}

在该示例中，首先定义了一个中间件loggingMIddleware，然后使用Use函数将中间件加入到了Router中。

中间件的实现原理实际上是将原本要执行的handler包装到中间件的handler中。先执行中间件的handler逻辑，然后再执行原本的handler。以上述代码为例，会将HomeHandler传递给loggingMiddleware的next参数。执行的时候从第4行开始执行，最后才是第7行，即HomeHandler的代码逻辑。如下图：

接下来我们看看中间件是如何实现一层层包裹的。

我们先看r.Use函数的定义:

func (r *Router) Use(mwf ...MiddlewareFunc) {
 for _, fn := range mwf {
  r.middlewares = append(r.middlewares, fn)
 }
}

发现中间件的类型是MiddlewareFunc，该类型的定义如下：

type MiddlewareFunc func(http.Handler) http.Handler

中间件本质上是一个函数类型，输入和输出都是一个http.Handler，同时MiddlewareFunc中实现了一个Middleware的方法：

func (mw MiddlewareFunc) Middleware(handler http.Handler) http.Handler {
 return mw(handler)
}

我们再看路由匹配时，执行中间件的逻辑：

func (r *Router) Match(req *http.Request, match *RouteMatch) bool {
 for _, route := range r.routes {
  if route.Match(req, match) {
   // Build middleware chain if no error was found
   if match.MatchErr == nil {
    for i := len(r.middlewares) - 1; i >= 0; i-- {
     match.Handler = r.middlewares[i].Middleware(match.Handler)
    }
   }
   return true
  }
 }
    ...//省略代码
}

在第7行，执行中间件的Middleware函数。以r.HandleFunc("/", HomeHandler)使用loggingMiddleware中间件为例，match.Handler是HomeHandler，loggingMiddleware.Middleware即为loogingMIddleware(HomeHandler)，该函数返回的是一个新的handler：

http.HandlerFunc(func(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
        // Do stuff here
        log.Println(r.RequestURI)
        // Call the next handler, which can be another middleware in the chain, or the final handler.
        next.ServeHTTP(w, r)
})

那么，在具体执行的时候，就是先执行该handler的业务逻辑，即log.Println(r.RequestURI)，然后执行next.ServerHTTP逻辑，即HomeHandler.ServeHTTP的逻辑。

这就是中间件对handler的包装及执行过程。其他更多功能可自行查看gorilla/mux包的源码。

4 基于tries结构的路由实现

4.1 gin框架中的路由

大名鼎鼎的gin框架采用的就是前缀树结构实现的路由。我们先来看一下gin框架中路由是如何定义的。

package main

import (
 "github.com/gin-gonic/gin"
)
func main() {
 g := gin.New()
 
 g.POST("/abc/info", InfoHandler)
 g.POST("/abc/info/detail", InfoHandler)
 g.POST("/abc/list", HomeHandler)
 g.Run(":8000")
}

func HomeHandler(ctx *gin.Context) {
 ctx.Writer.Write([]byte("Hi, this is Home page"))
}

func InfoHandler(ctx *gin.Context) {
 ctx.Writer.Write([]byte("Hi, this is info"))
}

很简单，首先通过gin.New()初始化一个gin对象g，然后通过g.POST或g.GET等方法就可以注册路由。很明显，路由注册过程也限制了请求的方法。 当然，还有一个方法是允许任何请求方法都能访问该路径的，就是Any：

g.Any("/", HomeHandler)

Any方法本质上是定义了一组方法名，然后依次调用对应的方法将该路由进行注册，如下：

var anyMethods = []string{
  http.MethodGet, http.MethodPost, http.MethodPut, http.MethodPatch,
  http.MethodHead, http.MethodOptions, http.MethodDelete, http.MethodConnect,
  http.MethodTrace,
 }

// Any registers a route that matches all the HTTP methods.
// GET, POST, PUT, PATCH, HEAD, OPTIONS, DELETE, CONNECT, TRACE.
func (group *RouterGroup) Any(relativePath string, handlers ...HandlerFunc) IRoutes {
 for _, method := range anyMethods {
  group.handle(method, relativePath, handlers)
 }

 return group.returnObj()
}

接下来，我们分析下路由实现以及匹配的过程。

4.2 前缀树路由的实现原理

相比较map/hash字典实现的优点：利用字符串公共前缀来减少查询时间，减少无谓的字符串比较

4.2.1 路由中限制请求方法的实现

我们先看gin框架中的路由是如何对请求方法做限制的。 在gin框架中，路由树的构建是基于方法的。每种方法一棵路由树。如下：

type methodTree struct {
 method string
 root   *node
}

type methodTrees []methodTree

例如，上述示例中的g.POST("/abc/info", InfoHandler)路由，只会注册到POST方法的路由树中。若通过GET方法请求该路径，则在搜索的时候，在GET方法的路由树中就找不到该路由。这样就起到了通过路由限制请求方法的作用。

而g.Any方法注册的路由，相当于在所有的方法路由中都注册了一遍，因此，使用任何方法都能找到对应的路由。

4.2.2 路由树节点的数据结构

前缀树中的路由都是基于这个node数据结构来进行构建的。其中包含了一个路由中的基本元素：路径fullPath、对应的处理函数handlers。其中handlers包含了中间件处理函数，因此这里使用一个handlersChain表示。

另外一个关键字段是children，具有相同路径前缀的子节点通过children节点来构成父、子关系。

接下来我们路由树是如何基于node节点进行构建的。

4.2.3 路由树的构建

首先，我们看第一个路由的注册。

 g.POST("/abc/info", InfoHandler)

因为是第一个路由注册，路由树是空的。所以直接构建一个node节点，然后将该node节点作为POST方法路由树的根节点插入即可。如下图：

好，我们接着看接着注册第二个路由：

 g.POST("/abc/info/detail", DetailHandler)

我们发现，这个路由的特点是和路由"/abc/info"有共同的前缀，所以会将该路由作为第一个路由的子节点放到children中。如下图：

这里主要有三个变化：一个是根节点的priority由1变成了2；一个是children中多了一个子节点路由；最后一个是indices字段的值变成了"/"，这个是第一个子节点的path字段的第一个字符，用于匹配时索引使用。在子节点中，要注意的是path的值，因为前缀是"/abc/info"了，所以这里path是"/detail"。但fullPath依然是注册时完整的路径。

接下来，我们再注册第三个路由：

 g.POST("/abc/list", ListHandler)

这个路由的特点是和前两个路由有共同的前缀"/abc/"，所以首先会将现在的根节点进行拆分，拆分成"/abc/" 和"info"。而info和原来的"/abc/info/detail" 又有共同的前缀info，所以原来的"/abc/info/detail"就变成了info的子节点。而"/abc/list"除去前缀"/abc/"后，剩余"list"子节点，作为"/abc/"的子节点。如下：

那么，按节点组成的路由树就如下所示：

这里，我们首先看根节点的变化：

• handlers变为nil。因为该节点不是一个具体的路径，只是一个前缀，所以具体的handler下移到了子节点info节点。
• path变为了前缀"/abc/"。
• indices字段值变为了"il"，其中i是第一个子节点中path字段的第一个字符，l是第二个子节点中path字段的第一个字符。
• priority字段变成3：代表从自身开始及子节点共有4个。
• children字段变成了两个直接子节点。
• fullPath字段变为了"/abc/"。

其次，是从原根节点中拆分出一个info节点。最后是detail节点成为info节点的子节点。

以上就是路由树的构建过程。更细节的构造，有兴趣的同学可以查看源码进一步了解。

总结

本文总结了3中路由的实现。路由本质上就是将请求的路径和对应的处理函数一一对应。通过路径查找到处理函数的过程。不同框架基于不同的数据结构实现了路由表以及匹配过程。希望本文对大家理解web框架的路由有所帮助。

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