路由（Routing）系统的原理与实现

题目描述
路由系统是后端框架的核心组件，负责将客户端请求（如HTTP请求）映射到对应的处理逻辑（如控制器方法）。面试中常考察其设计原理、匹配规则、优先级处理及性能优化策略。例如：如何设计一个支持静态路由、参数路由（如/users/:id）和通配符的路由系统？如何高效匹配请求路径？

1. 路由的基本作用
路由系统的核心任务是解析请求的URL和HTTP方法（GET、POST等），确定执行哪个处理函数。例如：

• 请求GET /users/123 → 映射到UserController.getUser(123)
• 请求POST /login → 映射到AuthController.login()

2. 路由规则的类型
常见路由规则分为三类：

• 静态路由：路径完全匹配，如/api/users。
• 参数路由：路径包含占位符（如/users/:id），占位符部分解析为参数。
• 通配符路由：使用*匹配多级路径（如/files/*path），常用于静态资源处理。

3. 路由表的存储结构
为高效匹配，路由通常被编译为内部数据结构：

• 哈希表：适用于静态路由，直接通过URL字符串哈希快速查找。
• 前缀树（Trie树）：处理参数路由和通配符的核心结构。
  • 示例：将/users/:id和/users/profile存入前缀树，公共前缀/users作为共享节点，:id和profile作为子节点。

4. 路由匹配的逐步过程
以请求GET /users/123为例：
步骤1：按HTTP方法分组
先筛选出所有GET方法的路由规则，缩小匹配范围。

步骤2：路径分割与遍历
将路径按/分割为片段数组["users", "123"]，从根节点开始遍历前缀树：

• 第一段"users"匹配静态节点users，进入子节点。
• 第二段"123"无匹配的静态节点，但当前节点存在参数子节点（如:id），则将"123"解析为参数id=123。

步骤3：参数提取与优先级
若同时存在静态路由/users/profile和参数路由/users/:id，优先匹配更具体的静态路由。匹配顺序通常为：

1. 静态路由（最高优先级）
2. 参数路由
3. 通配符路由（最低优先级）

5. 性能优化关键

• 路由编译：启动时将路由规则预编译为前缀树，避免每次请求时重新解析。
• 缓存匹配结果：对频繁请求的路径（如/api/users）缓存其对应的处理函数。
• 正则优化：对参数路由（如:id限制为数字）使用正则约束，提前终止无效匹配。

6. 实际应用示例
以Express.js为例，其路由实现基于类似前缀树的结构：

// 路由注册
app.get('/users/:id', (req, res) => {
  res.send(`User ID: ${req.params.id}`);
});

// 内部匹配过程：
// 1. 构建树节点：根 → "users" → :id
// 2. 请求 /users/123 时，沿树节点匹配到 :id，提取 params = {id: '123'}

总结
路由系统的核心是通过数据结构（如前缀树）高效匹配URL，同时通过优先级规则确保准确性。理解其编译、匹配和优化过程，有助于设计高并发场景下的高性能框架。