面试题：Node.js Express路由的性能优化与安全加固

Question

在一个高并发的Node.js Express应用中，路由部分出现性能瓶颈。请分析可能导致性能瓶颈的原因，并阐述如何进行性能优化。同时，从安全角度出发，说明如何对Express路由进行安全加固，防止常见的Web攻击，如SQL注入、XSS攻击等。要求详细描述优化和加固的思路及关键实现步骤。

Answer 1

可能导致性能瓶颈的原因

1. 路由匹配算法复杂度高：过多的路由规则或复杂的正则表达式匹配，导致每次请求匹配路由时需要遍历大量规则，消耗过多CPU时间。
2. 中间件过多或性能不佳：每个路由可能挂载了多个中间件，若中间件处理逻辑复杂或存在阻塞操作（如同步I/O），会拖慢请求处理速度。
3. 数据库查询性能低：路由处理函数中频繁进行数据库查询，且数据库查询未优化，例如未使用索引、查询语句复杂等，导致数据库响应时间长，影响路由整体性能。
4. 缓存缺失：对于一些不经常变化的数据，未进行缓存，每次请求都重新计算或查询，浪费资源。

性能优化思路及关键实现步骤

1. 优化路由匹配
   • 简化路由规则：避免使用过于复杂的正则表达式，尽量使用简洁的字符串匹配。
   • 合理组织路由：将高频访问的路由放在前面，减少匹配次数。例如：

app.get('/home', homeHandler);
app.get('/about', aboutHandler);
// 而不是将低频的放前面
app.get('/terms-and-conditions', termsHandler); 

2. 优化中间件
   • 去除不必要中间件：检查每个中间件的必要性，删除对当前路由无用的中间件。
   • 优化中间件逻辑：将中间件中的阻塞操作改为异步操作。比如使用异步文件读取fs.readFile替代同步的fs.readFileSync。
3. 数据库查询优化
   • 添加索引：分析数据库查询语句，对经常用于查询条件的字段添加索引。例如在MySQL中：

CREATE INDEX idx_username ON users (username);

- **批量查询**：尽量减少多次单个查询，将多个相关查询合并为一次批量查询。例如在MongoDB中，可以使用`$in`操作符来查询多个文档：

const userIds = [1, 2, 3];
User.find({ _id: { $in: userIds } }, (err, users) => {
    // 处理查询结果
});

4. 添加缓存
   • 内存缓存：使用node-cache等库在内存中缓存数据。例如：

const NodeCache = require('node-cache');
const myCache = new NodeCache();

app.get('/data', (req, res) => {
    const cachedData = myCache.get('myData');
    if (cachedData) {
        return res.json(cachedData);
    }
    // 从数据库或其他数据源获取数据
    const newData = getNewData(); 
    myCache.set('myData', newData);
    res.json(newData);
});

- **分布式缓存**：对于大型应用，可以使用Redis作为分布式缓存，提高缓存的可用性和扩展性。

安全加固思路及关键实现步骤

1. 防止SQL注入
   • 使用参数化查询：在使用SQL数据库（如MySQL、PostgreSQL）时，使用参数化查询而非字符串拼接。例如在MySQL中：

const mysql = require('mysql');
const connection = mysql.createConnection({
    host: 'localhost',
    user: 'root',
    password: 'password',
    database: 'test'
});

const username = req.body.username;
const query = 'SELECT * FROM users WHERE username =?';
connection.query(query, [username], (err, results) => {
    if (err) throw err;
    res.json(results);
});

2. 防止XSS攻击
   • 输入验证和转义：对用户输入的数据进行严格验证，只允许合法字符。同时，对输出到页面的数据进行转义。例如使用DOMPurify库：

const DOMPurify = require('dompurify');
const input = req.body.input;
const cleanInput = DOMPurify.sanitize(input);
// 使用cleanInput进行后续操作

- **设置HTTP头**：设置`Content - Security - Policy`（CSP）头，限制页面可以加载的资源来源，防止恶意脚本注入。在Express中可以这样设置：

app.use((req, res, next) => {
    res.setHeader('Content - Security - Policy', "default - src'self'");
    next();
});

3. 防止CSRF攻击
   • 生成和验证CSRF令牌：使用csurf等库生成和验证CSRF令牌。例如：

const csrf = require('csurf');
const csrfProtection = csrf({ cookie: true });

app.get('/form', csrfProtection, (req, res) => {
    res.render('form', { csrfToken: req.csrfToken() });
});

app.post('/submit', csrfProtection, (req, res) => {
    // 处理表单提交
});