Node.js應用開發實戰教程（AI助學）（電子活頁式）

石範鋒教授，博士，現任揚州工業職業技術學院信息工程學院院長，教育部職業院校中國特色學徒制教學指導委員會副秘書長，江蘇省“青藍工程”優秀教學團隊負責人。先後獲得全國職業院校技能大賽優秀工作者、江蘇省技術能手和江蘇省科技副總等榮譽稱號。主持省部級課題多項，發表論文十余篇，其中SCI/EI收錄論文5篇、中文核心1篇；獲國家教學成果二等獎、省級教學成果一等獎等獎項；指導學生榮獲中國國際大學生創新大賽金獎，並在省級職業院校技能大賽中多次斬獲一、二等獎。

模塊1　Node.js環境搭建與第 一個Node.js程序的創建　1 學習領會　1 1.1　Node.js簡介　1 1.1.1　Node.js是什麼　1 1.1.2　Node.js的特點　1 1.1.3　Node.js的典型應用場景　2 1.2　搭建Node.js環境　3 1.2.1　在Windows操作系統上安裝Node.js　3 1.2.2　安裝開發工具Visual Studio Code　4 1.2.3　驗證Node.js與npm安裝　4 1.3　創建第 一個Node.js程序　4 1.3.1　配置Node.js程序開發環境　4 1.3.2　編寫Node.js程序代碼　5 1.3.3　理解CommonJS模塊規範　5 1.4　Node.js程序運行與調試　6 1.4.1　在VS Code中運行Node.js程序　6 1.4.2　調試Node.js程序　6 1.4.3　使用REPL交互式環境　6 1.4.4　使用nodemon實現熱重載　7 引導訓練　7 【實戰任務1-1】 利用http模塊搭建基礎的HTTP服務　7 【實戰任務1-2】 通過實例體驗CommonJS規範中模塊的導出和導入機制　11 自主訓練　12 【實戰任務1-3】 模塊導出與導入　12 【實戰任務1-4】 命令行參數解析　12 在線測試　12 模塊2　Node.js模塊化編程與核心API應用　13 學習領會　13 2.1　Node.js模塊系統　13 2.1.1　ESM與CommonJS規範　13 2.1.2　自定義模塊　14 2.1.3　使用import/require()導入模塊　15 2.1.4　module.exports與exports的區別　15 2.1.5　模塊加載順序　16 2.1.6　模塊緩存機制　16 2.2　Node.js全局對象　17 2.2.1　__filename與__dirname　18 2.2.2　console模塊　18 2.2.3　process對象　21 2.3　Node.js核心模塊　23 2.3.1　os模塊　23 2.3.2　util模塊　24 2.3.3　path模塊　24 2.3.4　url模塊　27 2.3.5　querystring模塊　28 2.3.6　buffer模塊　29 2.3.7　events模塊　29 2.4　Node.js包管理與依賴管理　30 2.4.1　包與模塊的區別　31 2.4.2　使用npm　31 2.4.3　使用Yarn　31 2.4.4　package.json配置解釋　32 2.4.5　使用tsconfig.json或package.json配置路徑映射　33 2.4.6　環境變量與配置文件管理　33 2.4.7　依賴版本控制　34 2.5　Node.js集成　34 2.5.1　Node.js與TypeScript集成　35 2.5.2　Node.js與WebAssembly集成　35 引導訓練　36 【實戰任務2-1】 將常用工具函數按功能拆分到不同模塊　36 【實戰任務2-2】 創建路徑別名解析器　37 【實戰任務2-3】 封裝事件發射器，添加日誌記錄功能　38 【實戰任務2-4】 創建簡單計算器　39 自主訓練　40 【實戰任務2-5】 自定義模塊導出與導入　40 【實戰任務2-6】 使用path模塊解析與拼接路徑　40 【實戰任務2-7】 通過EventEmitter實現事件觸發與監聽　40 在線測試　40 模塊3　Node.js異步編程與事件驅動　41 學習領會　41 3.1　異步編程基礎　41 3.1.1　異步編程概念　41 3.1.2　回調函數與回調地獄　42 3.2　事件機制　43 3.2.1　事件循環　43 3.2.2　事件監聽與觸發　43 3.2.3　EventEmitter類的自定義事件　44 3.3　定時器與執行順序　46 3.3.1　setTimeout()與clearTimeout()　46 3.3.2　setImmediate()與clearImmediate()　46 3.3.3　process.nextTick()　47 3.4　事件循環的執行順序　47 3.5　異步控制　48 3.5.1　Promise原理與鏈式調用　48 3.5.2　async/await語法糖　50 3.5.3　異步錯誤處理　51 3.5.4　全局未捕獲異常處理　52 引導訓練　53 【實戰任務3-1】 創建異步任務調度器控制異步任務的並發數量　53 【實戰任務3-2】 實現帶指數退避的異步操作重試機制　54 【實戰任務3-3】 使用async/await優化文件讀取　56 自主訓練　57 【實戰任務3-4】 事件驅動編程　57 【實戰任務3-5】 通過Promise鏈式調用輸出文本文件的內容　58 【實戰任務3-6】 通過Promise封裝+async/await異步讀取並輸出文件內容　58 【實戰任務3-7】 異步錯誤處理　58 在線測試　58 模塊4　Node.js文件系統編程與流處理　59 學習領會　59 4.1　文件系統基礎　59 4.1.1　fs模塊　59 4.1.2　文件路徑處理　60 4.1.3　文件模式　60 4.1.4　文件描述符與文件鎖　61 4.2　文件操作　61 4.2.1　打開/關閉文件　61 4.2.2　獲取文件或文件夾信息　62 4.2.3　讀取文件　62 4.2.4　寫入文件　63 4.2.5　文件夾操作　64 4.2.6　文件權限管理　65 4.3　流處理　66 4.3.1　可讀流與可寫流　66 4.3.2　管道操作　66 4.3.3　流式文件讀寫　67 4.3.4　大文件處理策略（流式壓縮/解壓縮）　69 4.4　文件進階操作　69 4.4.1　文件遍歷　69 4.4.2　文件監控與變更檢測　70 4.4.3　操作JSON文件　71 4.4.4　處理GBK編碼文件　72 引導訓練　73 【實戰任務4-1】 模擬異步數據流處理　73 【實戰任務4-2】 CSV文件解析與輸出　75 【實戰任務4-3】 環境特定配置加載與輸出　75 【實戰任務4-4】 文件批量重命名　77 【實戰任務4-5】 日誌文件監控與分析　77 【實戰任務4-6】 大文件分割與合並　79 自主訓練　79 【實戰任務4-7】 轉換流處理　80 【實戰任務4-8】 流處理實現大文件復制　80 【實戰任務4-9】 對文件進行壓縮並生成Gzip格式的壓縮文件　80 在線測試　80 模塊5　Node.js網絡編程與API開發　81 學習領會　81 5.1　TCP/UDP編程　81 5.1.1　net模塊應用　81 5.1.2　dgram模塊應用　85 5.1.3　UDP文件上傳　88 5.2　HTTP編程　90 5.2.1　使用原生http模塊構建HTTP服務器　90 5.2.2　使用原生http模塊構建http客戶端　91 5.2.3　解析請求內容　92 5.2.4　使用Postman測試API　94 5.3　RESTful API設計規範　95 5.3.1　HTTP方法應用與資源命名約定　96 5.3.2　狀態碼的合理使用　97 5.4　實時通信　98 5.4.1　WebSocket服務器與客戶端實現　99 5.4.2　Socket.IO集成　100 5.4.3　WebSocket鑒權與心跳機制　102 引導訓練　106 【實戰任務5-1】 創建與運行簡單HTTP服務器　106 【實戰任務5-2】 創建與運行簡易靜態文件服務器　107 【實戰任務5-3】 實現簡單的RESTful API服務器　109 【實戰任務5-4】 RESTful API客戶端調用其他API獲取數據　110 【實戰任務5-5】 創建基於WebSocket的簡單聊天服務器　110 自主訓練　111 【實戰任務5-6】 創建一個HTTP服務器　112 【實戰任務5-7】 創建一個HTTP代理服務器　112 【實戰任務5-8】 實現回顯功能的WebSocket服務器　112 在線測試　112 模塊6　Node.js數據庫編程與ORM實踐　113 學習領會　113 6.1　MySQL操作　113 6.1.1　連接MySQL　113 6.1.2　增刪改查操作　115 6.1.3　預處理語句防止SQL註入　117 6.2　數據庫操作的異步控制　119 6.2.1　Generator與co模塊　119 6.2.2　使用Promise包裝MySQL操作　121 6.3　ORM框架　123 6.3.1　模型定義與數據類型映射　123 6.3.2　關聯關系　125 6.3.3　Sequelize數據遷移與種子腳本　126 6.4　數據庫事務管理　128 6.4.1　數據庫事務管理概述　128 6.4.2　MySQL事務管理與隔離級別　129 6.5　數據庫連接池管理與性能優化　131 6.5.1　連接池參數調優　131 6.5.2　連接泄漏檢測與處理　132 引導訓練　132 【實戰任務6-1】 使用mysql2庫連接MySQL數據庫實現增刪改查操作　132 【實戰任務6-2】 通過數據庫事務處理實現轉出與轉入指定金額　133 【實戰任務6-3】 使用Sequelize操作SQLite內存數據庫實現事務操作　135 自主訓練　136 【實戰任務6-4】 實現創建與操作數據表　136 【實戰任務6-5】 實現簡單的銀行賬戶轉賬事務　136 【實戰任務6-6】 在Node.js中使用SQLite3實現基本數據表操作　136 在線測試　136 模塊7　基於Express的Web應用編程與工程化開發　137 學習領會　137 7.1　項目初始化　137 7.1.1　使用Express生成器創建項目　137 7.1.2　MySQL數據庫連接池集成　138 7.2　基於Express的路由系統　142 7.2.1　查詢參數解析　142 7.2.2　基礎路由定義與參數捕獲　143 7.2.3　路由中間件與權限控制　144 7.2.4　RESTful API路由設計　145 7.3　基於Express的中間件生態　146 7.3.1　中間件機制與執行順序　147 7.3.2　常用中間件　148 7.3.3　定制日誌中間件　149 7.3.4　JWT身份認證中間件　149 7.3.5　Express錯誤處理中間件　151 7.4　模板引擎與布局管理　152 7.4.1　EJS/Pug模板引擎　152 7.4.2　視圖渲染與布局管理　153 7.5　會話管理與認證　155 7.5.1　基於Cookie的會話實現　155 7.5.2　基於Cookie/Session的認證　156 7.5.3　OAuth第三方登錄集成　157 7.6　Express集成　158 7.6.1　Express與數據庫集成　158 7.6.2　Express集成OpenAPI規範　161 7.6.3　統一錯誤處理　166 7.7　安全與性能優化　173 7.7.1　HTTPS配置與證書管理　173 7.7.2　CORS配置　174 7.7.3　數據庫連接池與負載均衡　175 引導訓練　176 【實戰任務7-1】 文件上傳與管理　176 【實戰任務7-2】 用戶註冊表單驗證與處理　178 【實戰任務7-3】 構建基於JWT的認證系統　179 【實戰任務7-4】 使用Express+MySQL連接池方式實現博客API服務　180 【實戰任務7-5】 大文件分片上傳　184 自主訓練　186 【實戰任務7-6】 RESTful API實現用戶管理的創建和查詢操作　186 【實戰任務7-7】 創建日誌中間件　186 【實戰任務7-8】 使用Swagger工具生成API文檔　186 【實戰任務7-9】 實現限制請求速率的Express服務器　187 【實戰任務7-10】 實現簡單的視頻文件分塊上傳　187 在線測試　187 模塊8　綜合性Web項目開發與分布式架構　188 學習領會　188 8.1　前後端數據交互　188 8.1.1　跨域處理　188 8.1.2　服務器端渲染與客戶端渲染　190 8.1.3　文件上傳與CDN集成　192 8.1.4　RESTful API與GraphQL的選擇　194 8.2　Web項目架構設計　196 8.2.1　MVC與MVVM架構模式　196 8.2.2　分層設計　201 8.3　應用集成　201 8.3.1　與前端框架集成方案　201 8.3.2　消息隊列實現異步通信　204 8.3.3　微服務基礎　206 8.3.4　微服務架構簡介　207 8.4　系統安全管理　210 8.4.1　輸入驗證與防XSS　210 8.4.2　密碼哈希與加鹽　210 8.4.3　安全頭信息配置　211 引導訓練　212 【實戰任務8-1】 構建任務管理系統　212 【實戰任務8-2】 構建實時聊天系統　213 【實戰任務8-3】 實現MySQL訂單系統　215 自主訓練　219 【實戰任務8-4】 使用Express和Multer實現文件的上傳功能　219 【實戰任務8-5】 構建簡易的博客系統後端API　219 在線測試　219 模塊9　Node.js程序測試、部署與性能監控　220 學習領會　220 9.1　Node.js程序測試策略　220 9.1.1　使用斷言庫　220 9.1.2　Mocha單元測試　221 9.1.3　Jest集成測試與E2E測試　225 9.1.4　使用REST Client測試工具　228 9.2　Node.js程序集成測試與E2E測試　231 9.2.1　使用Supertest測試HTTP接口　232 9.2.2　使用Jest模擬外部服務　233 9.3　Node.js程序部署與運維　236 9.3.1　部署方式　236 9.3.2　PM2進程管理　236 9.3.3　Docker容器化部署　237 9.3.4　Serverless部署　238 9.3.5　Nginx反向代理與負載均衡　239 9.3.6　Windows開機自啟動　240 9.4　Node.js程序性能優化與監控　241 9.4.1　內存泄漏檢測與分析　241 9.4.2　CPU性能瓶頸定位　242 9.4.3　使用ELK組件收集與分析日誌　244 9.4.4　使用process.memoryUsage()監控內存　245 9.4.5　使用console.time()進行性能分析　246 9.4.6　使用APM工具監控性能　247 引導訓練　248 【實戰任務9-1】 使用Jest + Supertest測試Express API　248 【實戰任務9-2】 使用Jest和Supertest實現單元測試和API集成測試　249 【實戰任務9-3】 測試簡易博客系統後端API　252 【實戰任務9-4】 使用JSON文件測試訂單API　253 自主訓練　256 【實戰任務9-5】 Mocha單元測試　256 【實戰任務9-6】 Jest單元測試　256 【實戰任務9-7】 使用console.time()進行性能分析　256 【實戰任務9-8】 使用Puppeteer實施E2E測試　257 在線測試　258