Golang Web入门（2）：如何实现一个高性能的路由

摘要

在上一篇文章中，我们聊了聊在Golang中怎么实现一个Http服务器。但是在最后我们可以发现，固然 DefaultServeMux 可以做路由分发的功能，但是他的功能同样是不完善的。

由 DefaultServeMux 做路由分发，是不能实现 RESTful 风格的API的，我们没有办法定义请求所需的方法，也没有办法在 API 路径中加入 query 参数。其次，我们也希望可以让路由查找的效率更高。

所以在这篇文章中，我们将分析 httprouter 这个包，从源码的层面研究他是如何实现我们上面提到的那些功能。并且，对于这个包中最重要的 前缀树 ，本文将以图文结合的方式来解释。

1 使用

我们同样以怎么使用作为开始，自顶向下的去研究 httprouter 。我们先来看看官方文档中的小例子：

package main

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

    "github.com/julienschmidt/httprouter"
)

func Index(w http.ResponseWriter, r *http.Request, _ httprouter.Params) {
    fmt.Fprint(w, "Welcome!\n")
}

func Hello(w http.ResponseWriter, r *http.Request, ps httprouter.Params) {
    fmt.Fprintf(w, "hello, %s!\n", ps.ByName("name"))
}

func main() {
    router := httprouter.New()
    router.GET("/", Index)
    router.GET("/hello/:name", Hello)

    log.Fatal(http.ListenAndServe(":8080", router))
}

其实我们可以发现，这里的做法和使用Golang自带的 net/http 包的做法是差不多的。都是先注册相应的URI和函数，换一句话来说就是将路由和处理器相匹配。

在注册的时候，使用 router.XXX 方法，来注册相对应的方法，比如 GET ， POST 等等。

注册完之后，使用 http.ListenAndServe 开始监听。

至于为什么，我们会在后面的章节详细介绍，现在只需要先了解做法即可。

2 创建

我们先来看看第一行代码，我们定义并声明了一个 Router 。下面来看看这个 Router 的结构，这里把与本文无关的其他属性省略：

type Router struct {
	//这是前缀树，记录了相应的路由
	trees map[string]*node
	
	//记录了参数的最大数目
	maxParams  uint16

}

在创建了这个 Router 的结构后，我们就使用 router.XXX 方法来注册路由了。继续看看路由是怎么注册的：

func (r *Router) GET(path string, handle Handle) {
	r.Handle(http.MethodGet, path, handle)
}

func (r *Router) POST(path string, handle Handle) {
	r.Handle(http.MethodPost, path, handle)
}

...

在这里还有一长串的方法，他们都是一样的，调用了

r.Handle(http.MethodPost, path, handle)

这个方法。我们再来看看：

func (r *Router) Handle(method, path string, handle Handle) {
	...
	if r.trees == nil {
		r.trees = make(map[string]*node)
	}

	root := r.trees[method]
	if root == nil {
		root = new(node)
		r.trees[method] = root

		r.globalAllowed = r.allowed("*", "")
	}

	root.addRoute(path, handle)
	...
}

在这个方法里，同样省略了很多细节。我们只关注一下与本文有关的。我们可以看到，在这个方法中，如果 tree 还没有初始化，则先初始化这颗 前缀树 。

然后我们注意到，这颗树是一个 map 结构。也就是说，一个方法，对应了一颗树。然后，对应这棵树，调用 addRoute 方法，把 URI 和对应的 Handle 保存进去。

3 前缀树

3.1 定义

又称单词查找树，Trie树，是一种树形结构，是一种哈希树的变种。典型应用是用于统计，排序和保存大量的字符串（但不仅限于字符串），所以经常被搜索引擎系统用于文本词频统计。它的优点是：利用字符串的公共前缀来减少查询时间，最大限度地减少无谓的字符串比较，查询效率比哈希树高。

简单的来讲，就是要查找什么，只要跟着这棵树的某一条路径找，就可以找得到。

比如在搜索引擎中，你输入了一个 蔡 ：

他会有这些联想，也可以理解为是一个前缀树。

再举个例子：

在这颗 GET 方法的前缀树中，包含了以下的路由：

• /wow/awesome
• /test
• /hello/world
• /hello/china
• /hello/chinese

说到这里你应该可以理解了，在构建这棵树的过程中， 任何两个节点，只要有了相同的前缀，相同的部分就会被合并成一个节点 。

3.2 图解构建

上面说的 addRoute 方法，就是这颗前缀树的插入方法。假设现在数为空，在这里我打算以图解的方式来说明这棵树的构建。

假设我们需要插入的三个路由分别为：

• /hello/world
• /hello/china
• /hello/chinese

（1）插入 /hello/world

因为此时树为空，所以可以直接插入：

(2)插入 /hello/china

此时，发现 /hello/world 和 /hello/china 有相同的前缀 /hello/ 。

那么要先将原来的 /hello/world 结点，拆分出来，然后将要插入的结点 /hello/china ，截去相同部分，作为 /hello/world 的子节点。

(3)插入 /hello/chinese

此时，我们需要插入 /hello/chinese ，但是发现， /hello/chinese 和结点 /hello/ 有公共的前缀 /hello/ ，所以我们去查看 /hello/ 这个结点的子节点。

注意，在结点中有一个属性，叫 indices 。它记录了这个结点的子节点的首字母，便于我们查找。比如这个 /hello/ 结点，他的 indices 值为 wc 。而我们要插入的结点是 /hello/chinese ，除去公共前缀后， chinese 的第一个字母也是 c ，所以我们进入 china 这个结点。

这时，有没有发现，情况回到了我们一开始插入 /hello/china 时候的局面。那个时候公共前缀是 /hello/ ，现在的公共前缀是 chin 。

所以，我们同样把 chin 截出来，作为一个结点，将 a 作为这个结点的子节点。并且，同样把 ese 也作为子节点。

3.3 总结构建算法

到这里，构建就已经结束了。我们来总结一下算法。

具体带注释的代码将在本文最末尾给出，如果想要了解的更深可以自行查看。在这里先理解这个过程：

（1）如果树为空，则直接插入

（2）否则，查找当前的结点是否与要插入的 URI 有公共前缀

（3）如果没有公共前缀，则直接插入

（4）如果有公共前缀，则判断是否需要分裂当前的结点

（5）如果需要分裂，则将公共部分作为父节点，其余的作为子节点

（6）如果不需要分裂，则寻找有无前缀相同的子节点

（7）如果有前缀相同的，则跳到(4)

（8）如果没有前缀相同的，直接插入

（9）在最后的结点，放入这条路由对应的 Handle

但是到了这里，有同学要问了： 怎么这里的路由，不带参数的呀？

其实只要你理解了上面的过程，带参数也是一样的。逻辑是这样的：在每次插入之前，会扫描当前要插入的结点的path是否带有参数（即扫描有没有 / 或者 * ）。如果带有参数的话，将当前结点的 wildChild 属性设置为 true ，然后将参数部分，设置为一个 新的子节点 。

4 监听

在讲完了路由的注册，我们来聊聊路由的监听。

在上一篇文章的内容中，我们有提到这个：

type serverHandler struct {
	srv *Server
}

func (sh serverHandler) ServeHTTP(rw ResponseWriter, req *Request) {
	handler := sh.srv.Handler
	if handler == nil {
		handler = DefaultServeMux
	}
	if req.RequestURI == "*" && req.Method == "OPTIONS" {
		handler = globalOptionsHandler{}
	}
	handler.ServeHTTP(rw, req)
}

当时我们提到，如果我们不传入任何的 Handle 方法，Golang将使用默认的 DefaultServeMux 方法来处理请求。而现在我们传入了 router ，所以将会使用 router 来处理请求。

因此， router 也是实现了 ServeHTTP 方法的。我们来看看（同样省略了一些步骤）：

func (r *Router) ServeHTTP(w http.ResponseWriter, req *http.Request) {
	...
	path := req.URL.Path

	if root := r.trees[req.Method]; root != nil {
		if handle, ps, tsr := root.getValue(path, r.getParams); handle != nil {
			if ps != nil {
				handle(w, req, *ps)
				r.putParams(ps)
			} else {
				handle(w, req, nil)
			}
			return
		} 
	}
    ...
    // Handle 404
	if r.NotFound != nil {
		r.NotFound.ServeHTTP(w, req)
	} else {
		http.NotFound(w, req)
	}
}

在这里，我们选择 请求方法 所对应的 前缀树 ，调用了 getValue 方法。

简单解释一下这个方法：在这个方法中会不断的去匹配当前路径与结点中的 path ，直到找到最后找到这个路由对应的 Handle 方法。

注意，在这期间，如果路由是RESTful风格的，在路由中含有参数，将会被保存在 Param 中，这里的 Param 结构如下：

type Param struct {
	Key   string
	Value string
}

如果未找到相对应的路由，则调用后面的404方法。

5 处理

到了这一步，其实和以前的内容几乎一样了。

在获取了该路由对应的 Handle 之后，调用这个函数。

唯一和之前使用 net/http 包中的 Handler 不一样的是，这里的 Handle ，封装了从API中获取的参数。

type Handle func(http.ResponseWriter, *http.Request, Params)

6 写在最后

谢谢你能看到这里~

至此，httprouter介绍完毕，最关键的也就是前缀树的构建了。在上面我用图文结合的方式，模拟了一次前缀树的构建过程，希望可以让你理解前缀树是怎么回事。当然，如果还有疑问，也可以留言或者在微信中与我交流~

当然，如果你不满足于此，可以看看 后面的附 录，有前缀树的 全代码注释 。

当然了，作者也是刚入门。所以，可能会有很多的疏漏。如果在阅读的过程中，有哪些解释不到位，或者理解出现了偏差，也请你留言指正。

再次感谢~

PS：如果有其他的问题，也可以在公众号找到作者。并且，所有文章第一时间会在公众号更新，欢迎来找作者玩~

7 源码阅读

7.1 树的结构

type node struct {
	
	path      string    //当前结点的URI
	indices   string    //子结点的首字母
	wildChild bool      //子节点是否为参数结点
	nType     nodeType  //结点类型
	priority  uint32    //权重
	children  []*node   //子节点
	handle    Handle    //处理器
}

7.2 addRoute

func (n *node) addRoute(path string, handle Handle) {

	fullPath := path
	n.priority++

	// 如果这是个空树，那么直接插入
	if len(n.path) == 0 && len(n.indices) == 0 {

		//这个方法其实是在n这个结点插入path，但是会处理参数
		//详细实现在后文会给出
		n.insertChild(path, fullPath, handle)
		n.nType = root
		return
	}

	//设置一个flag
walk:
	for {
		// 找到当前结点path和要插入的path中最长的前缀
		// i为第一位不相同的下标
		i := longestCommonPrefix(path, n.path)

		// 此时相同的部分比这个结点记录的path短
		// 也就是说需要把当前的结点分裂开
		if i < len(n.path) {
			child := node{

				// 把不相同的部分设置为一个切片，作为子节点
				path:      n.path[i:],
				wildChild: n.wildChild,
				nType:     static,
				indices:   n.indices,
				children:  n.children,
				handle:    n.handle,
				priority:  n.priority - 1,
			}

			// 将新的结点作为这个结点的子节点
			n.children = []*node{&child}
			// 把这个结点的首字母加入indices中
			// 目的是查找更快
			n.indices = string([]byte{n.path[i]})
			n.path = path[:i]
			n.handle = nil
			n.wildChild = false
		}

		// 此时相同的部分只占了新URI的一部分
		// 所以把path后面不相同的部分要设置成一个新的结点
		if i < len(path) {
			path = path[i:]

			// 此时如果n的子节点是带参数的
			if n.wildChild {
				n = n.children[0]
				n.priority++

				// 判断是否会不合法
				if len(path) >= len(n.path) && n.path == path[:len(n.path)] &&
					n.nType != catchAll &&
					(len(n.path) >= len(path) || path[len(n.path)] == '/') {
					continue walk
				} else {
					pathSeg := path
					if n.nType != catchAll {
						pathSeg = strings.SplitN(pathSeg, "/", 2)[0]
					}
					prefix := fullPath[:strings.Index(fullPath, pathSeg)] + n.path
					panic("'" + pathSeg +
						"' in new path '" + fullPath +
						"' conflicts with existing wildcard '" + n.path +
						"' in existing prefix '" + prefix +
						"'")
				}
			}

			// 把截取的path的第一位记录下来
			idxc := path[0]

			// 如果此时n的子节点是带参数的
			if n.nType == param && idxc == '/' && len(n.children) == 1 {
				n = n.children[0]
				n.priority++
				continue walk
			}

			// 这一步是检查拆分出的path，是否应该被合并入子节点中
			// 具体例子可看上文中的图解
			// 如果是这样的话，把这个子节点设置为n，然后开始一轮新的循环
			for i, c := range []byte(n.indices) {
				if c == idxc {
					// 这一部分是为了把权重更高的首字符调整到前面
					i = n.incrementChildPrio(i)
					n = n.children[i]
					continue walk
				}
			}

			// 如果这个结点不用被合并
			if idxc != ':' && idxc != '*' {
				// 把这个结点的首字母也加入n的indices中
				n.indices += string([]byte{idxc})
				child := &node{}
				n.children = append(n.children, child)
				n.incrementChildPrio(len(n.indices) - 1)
				// 新建一个结点
				n = child
			}
			// 对这个结点进行插入操作
			n.insertChild(path, fullPath, handle)
			return
		}

		// 直接插入到当前的结点
		if n.handle != nil {
			panic("a handle is already registered for path '" + fullPath + "'")
		}
		n.handle = handle
		return
	}
}

7.3 insertChild

func (n *node) insertChild(path, fullPath string, handle Handle) {
	for {
		// 这个方法是用来找这个path是否含有参数的
		wildcard, i, valid := findWildcard(path)
		// 如果不含参数，直接跳出循环，看最后两行
		if i < 0 {
			break
		}

		// 条件校验
		if !valid {
			panic("only one wildcard per path segment is allowed, has: '" +
				wildcard + "' in path '" + fullPath + "'")
		}

		// 同样判断是否合法
		if len(wildcard) < 2 {
			panic("wildcards must be named with a non-empty name in path '" + fullPath + "'")
		}

		if len(n.children) > 0 {
			panic("wildcard segment '" + wildcard +
				"' conflicts with existing children in path '" + fullPath + "'")
		}

		// 如果参数的第一位是`:`，则说明这是一个参数类型
		if wildcard[0] == ':' {
			if i > 0 {
				// 把当前的path设置为参数之前的那部分
				n.path = path[:i]
				// 准备把参数后面的部分作为一个新的结点
				path = path[i:]
			}

			//然后把参数部分作为新的结点
			n.wildChild = true
			child := &node{
				nType: param,
				path:  wildcard,
			}
			n.children = []*node{child}
			n = child
			n.priority++

			// 这里的意思是，path在参数后面还没有结束
			if len(wildcard) < len(path) {
				// 把参数后面那部分再分出一个结点，continue继续处理
				path = path[len(wildcard):]
				child := &node{
					priority: 1,
				}
				n.children = []*node{child}
				n = child
				continue
			}

			// 把处理器设置进去
			n.handle = handle
			return

		} else { // 另外一种情况
			if i+len(wildcard) != len(path) {
				panic("catch-all routes are only allowed at the end of the path in path '" + fullPath + "'")
			}

			if len(n.path) > 0 && n.path[len(n.path)-1] == '/' {
				panic("catch-all conflicts with existing handle for the path segment root in path '" + fullPath + "'")
			}

			// 判断在这之前有没有一个/
			i--
			if path[i] != '/' {
				panic("no / before catch-all in path '" + fullPath + "'")
			}

			n.path = path[:i]

			// 设置一个catchAll类型的子节点
			child := &node{
				wildChild: true,
				nType:     catchAll,
			}
			n.children = []*node{child}
			n.indices = string('/')
			n = child
			n.priority++

			// 把后面的参数部分设置为新节点
			child = &node{
				path:     path[i:],
				nType:    catchAll,
				handle:   handle,
				priority: 1,
			}
			n.children = []*node{child}

			return
		}
	}

	// 对应最开头的部分，如果这个path里面没有参数，直接设置
	n.path = path
	n.handle = handle
}

最关键的几个方法到这里就全部结束啦，先给看到这里的你鼓个掌！

这一部分理解会比较难，可能需要多看几遍。

如果还是有难以理解的地方，欢迎留言交流，或者直接来公众号找我~