express-microservices-architecture

Express.js マイクロサービスアーキテクチャ

Express.js を使用して、本番環境に対応したマイクロサービスを構築するための包括的なスキルです。Node.js のマイクロサービスを大規模に運用するためのミドルウェアパターン、ルーティング戦略、エラー処理、スケーラビリティ手法、デプロイアーキテクチャを習得しましょう。

このスキルを使用する場面

次の場合に、このスキルを使用してください。

• Node.js で RESTful API とマイクロサービスを構築する
• Express.js でスケーラブルな分散システムを設計する
• ミドルウェアベースのアーキテクチャパターンを実装する
• API ゲートウェイとサービスメッシュのアーキテクチャを作成する
• 本番環境に対応した Node.js アプリケーションを開発する
• モノリスをマイクロサービスアーキテクチャに移行する
• イベント駆動型マイクロサービスを構築する
• 認証、認可、セキュリティレイヤーを実装する
• Express.js アプリケーションのパフォーマンスを最適化する
• モニタリング、ログ記録、可観測性を設定する
• Docker と Kubernetes で Express.js アプリをデプロイする
• サーキットブレーカーとレジリエンスパターンを実装する

コアコンセプト

Express.js の基礎

Express.js は、Web アプリケーションやモバイルアプリケーション向けの堅牢な機能を備えた、最小限で柔軟な Node.js Web アプリケーションフレームワークです。Node.js の API やマイクロサービスを構築するための事実上の標準です。

主な特徴：

• 最小限：Web アプリに必要な機能を備えた、特定の設計方針を押し付けないフレームワーク
• ミドルウェアベース：リクエスト／レスポンスのパイプラインアーキテクチャ
• ルーティング：パラメーターに対応した強力なルーティング機能
• テンプレートエンジン：さまざまなビューエンジンをサポート
• パフォーマンス：高いパフォーマンスを実現する Node.js を基盤として構築
• 拡張性：豊富なミドルウェアとプラグインのエコシステム

ミドルウェアアーキテクチャ

ミドルウェア関数は Express.js アプリケーションの基盤です。リクエストオブジェクト（req）、レスポンスオブジェクト（res）、次のミドルウェア関数（next）にアクセスできます。

ミドルウェアのフロー：

Request → Middleware 1 → Middleware 2 → ... → Route Handler → Response
                ↓              ↓                      ↓
           Error Handler  Error Handler         Error Handler

ミドルウェアの種類：

1. アプリケーションレベルのミドルウェア：app インスタンスに紐付けられます
2. ルーターレベルのミドルウェア：express.Router() インスタンスに紐付けられます
3. エラー処理ミドルウェア：4 つのパラメーター（err, req, res, next）を持ちます
4. 組み込みミドルウェア：Express に組み込まれている関数（static、json、urlencoded）
5. サードパーティ製ミドルウェア：外部パッケージ（cors、helmet、morgan）

ルーティング戦略

Express のルーティングを使用すると、HTTP メソッドと URL をハンドラー関数に対応付けられます。

ルーティングの構成要素：

• ルートパス：文字列パターン、正規表現、またはパスパラメーター
• ルートパラメーター：名前付き URL セグメント（:userId）
• ルートハンドラー：単一または複数のコールバック関数
• レスポンスメソッド：res.send()、res.json()、res.status() など
• ルーターインスタンス：モジュール化してマウントできるルートハンドラー

エラー処理

Express でエラーを処理するには、4 つのパラメーター (err, req, res, next) を持つ特別なミドルウェアが必要です。

エラー処理のフロー：

1. 同期エラーは自動的に捕捉されます
2. 非同期エラーは next(err) に渡す必要があります
3. エラーミドルウェアがエラーを一元的に処理します
4. 適切なステータスコードとエラー形式を返します

マイクロサービスの原則

マイクロサービスの特徴：

• 単一責任：各サービスは一つのことに専念します
• 独立性：サービスを個別にデプロイできます
• 分散性：各サービスが自身のデータを管理します
• 耐障害性：一つのサービスの障害でシステム全体が停止することはありません
• スケーラビリティ：需要に応じてサービスを個別にスケーリングできます
• 技術の多様性：サービスごとに異なる技術スタックを使用できます

マイクロサービスのパターン

パターン 1：API ゲートウェイパターン

API ゲートウェイは、すべてのクライアントリクエストの単一の入口として機能し、適切なマイクロサービスにリクエストをルーティングします。

メリット：

• クライアント向けの単一の入口
• リクエストのルーティングと合成
• 認証と認可
• レート制限とスロットリング
• リクエスト／レスポンスの変換
• プロトコル変換

実装構造：

Client → API Gateway → Microservice 1 (Users)
                    → Microservice 2 (Orders)
                    → Microservice 3 (Products)
                    → Microservice 4 (Notifications)

パターン 2：サービスディスカバリー

サービスが自らを登録し、他のサービスを動的に検出します。

アプローチ：

• クライアント側ディスカバリー：クライアントがサービスレジストリに問い合わせます
• サーバー側ディスカバリー：ロードバランサーがレジストリに問い合わせます
• DNS ベースのディスカバリー：DNS を使用してサービスの場所を特定します

代表的なツール：

• Consul
• Eureka
• etcd
• Kubernetes 組み込みのディスカバリー

パターン 3：サーキットブレーカー

障害が発生しているサービスへのリクエストを停止し、障害の連鎖を防ぎます。

状態：

• クローズ：通常の動作状態で、リクエストは通過します
• オープン：サービスに障害が発生しており、リクエストは即座に失敗します
• ハーフオープン：サービスが復旧したかをテストします

パターン 4：イベント駆動型アーキテクチャ

サービスは直接呼び出すのではなく、イベントを介して通信します。

コンポーネント：

• イベントプロデューサー：イベントを発行するサービス
• イベントコンシューマー：イベントをリッスンするサービス
• メッセージブローカー：RabbitMQ、Kafka、Redis
• イベントストア：再生できるようイベントを永続化します

パターン 5：サービスごとのデータベース

各マイクロサービスがそれぞれ独自のデータベースを所有し、疎結合を実現します。

メリット：

• サービスの独立性
• 技術の多様性
• スケーリングの容易さ
• 明確な境界

課題：

• 分散トランザクション
• データの一貫性
• サービスをまたいだ結合

パターン 6：Saga パターン

複数のサービスにまたがる分散トランザクションを管理します。

種類：

• コレオグラフィー：サービスがイベントを介して連携します
• オーケストレーション：中央のコーディネーターがトランザクションを管理します

パターン 7：CQRS（コマンドクエリ責務分離）

読み取り操作と書き込み操作を別々のモデルに分離します。

メリット：

• 読み取り／書き込みモデルの最適化
• スケーラビリティ
• パフォーマンス
• 柔軟性

ミドルウェアアーキテクチャのパターン

カスタムミドルウェアの開発

ミドルウェア関数は、定義された順に実行されます。

基本的なミドルウェアの構造：

const express = require('express');
const app = express();

// Basic middleware
const requestLogger = (req, res, next) => {
  console.log(`[${new Date().toISOString()}] ${req.method} ${req.url}`);
  next(); // Pass control to next middleware
};

app.use(requestLogger);

Context7 より - リクエストオブジェクトへのデータの保存：

const express = require('express');
const app = express();
const port = 3000;

// Middleware to add user data to the request object
const addUserInfo = (req, res, next) => {
  req.user = {
    id: 123,
    username: 'testuser'
  };
  next();
};

// Middleware to add request timestamp
const addTimestamp = (req, res, next) => {
  req.requestTime = Date.now();
  next();
};

// Apply middleware globally
app.use(addUserInfo);
app.use(addTimestamp);

app.get('/', (req, res) => {
  const userId = req.user.id;
  const username = req.user.username;
  const timestamp = req.requestTime;

  res.send(`User ID: ${userId}, Username: ${username}, Request Time: ${new Date(timestamp).toISOString()}`);
});

app.listen(port, () => {
  console.log(`Request data sharing example listening at http://localhost:${port}`);
});

エラー処理ミドルウェア

エラーミドルウェアは 4 つのパラメーターを持ち、他のすべてのミドルウェアの後に定義する必要があります。

Context7 より - エラー処理ミドルウェア：

const express = require('express');
const app = express();
const port = 3000;

// A regular middleware
app.use((req, res, next) => {
  console.log('Request received');
  next(); // Pass control to the next middleware
});

// A route that might throw an error
app.get('/throw-error', (req, res, next) => {
  // Simulate an error
  const error = new Error('This is a simulated error');
  error.status = 400;
  next(error);
});

// Error-handling middleware (must have 4 arguments)
app.use((err, req, res, next) => {
  console.error('Error caught:', err.message);
  res.status(err.status || 500).send(`An error occurred: ${err.message}`);
});

app.listen(port, () => {
  console.log(`Error middleware example listening at http://localhost:${port}`);
});

Context7 より - グローバルエラーハンドラー：

app.use(express.bodyParser())
app.use(express.cookieParser())
app.use(express.session())
app.use(app.router) // the router itself (app.get(), app.put() etc)
app.use(function(err, req, res, next){
  // if an error occurs Connect will pass it down
  // through these "error-handling" middleware
  // allowing you to respond however you like
  res.send(500, { error: 'Sorry something bad happened!' });
})

ルート固有のミドルウェア

特定のルートにミドルウェアを適用して、対象を絞った機能を実現します。

Context7 より - ルートミドルウェア：

const express = require('express');
const app = express();
const port = 3000;

// Middleware function
const requestLogger = (req, res, next) => {
  console.log(`[${new Date().toISOString()}] ${req.method} ${req.url}`);
  next();
};

// Apply middleware to a specific route
app.get('/protected', requestLogger, (req, res) => {
  res.send('This route is protected by middleware!');
});

// Apply middleware to multiple routes
const adminMiddleware = (req, res, next) => {
  console.log('Admin access check...');
  // In a real app, you'd check user roles here
  next();
};

app.get('/admin/dashboard', adminMiddleware, (req, res) => {
  res.send('Welcome to the admin dashboard!');
});

// Middleware applied globally
app.use(requestLogger);

app.get('/', (req, res) => {
  res.send('Hello, world!');
});

app.listen(port, () => {
  console.log(`Route middleware example listening at http://localhost:${port}`);
});

認証ミドルウェア

const jwt = require('jsonwebtoken');

// JWT Authentication Middleware
const authenticateToken = (req, res, next) => {
  const authHeader = req.headers['authorization'];
  const token = authHeader && authHeader.split(' ')[1];

  if (!token) {
    return res.status(401).json({ error: 'Access token required' });
  }

  jwt.verify(token, process.env.JWT_SECRET, (err, user) => {
    if (err) {
      return res.status(403).json({ error: 'Invalid or expired token' });
    }
    req.user = user;
    next();
  });
};

// Role-based Authorization Middleware
const authorize = (...roles) => {
  return (req, res, next) => {
    if (!req.user) {
      return res.status(401).json({ error: 'Unauthorized' });
    }

    if (!roles.includes(req.user.role)) {
      return res.status(403).json({ error: 'Insufficient permissions' });
    }

    next();
  };
};

// Usage
app.get('/admin/users', authenticateToken, authorize('admin'), (req, res) => {
  res.json({ users: [] });
});

リクエスト検証ミドルウェア

const { body, param, query, validationResult } = require('express-validator');

// Validation middleware factory
const validate = (validations) => {
  return async (req, res, next) => {
    await Promise.all(validations.map(validation => validation.run(req)));

    const errors = validationResult(req);
    if (errors.isEmpty()) {
      return next();
    }

    res.status(400).json({
      error: 'Validation failed',
      details: errors.array()
    });
  };
};

// Usage
app.post('/users', validate([
  body('email').isEmail().normalizeEmail(),
  body('password').isLength({ min: 8 }),
  body('name').trim().notEmpty()
]), (req, res) => {
  // Request is validated
  res.json({ success: true });
});

レート制限ミドルウェア

const rateLimit = require('express-rate-limit');
const RedisStore = require('rate-limit-redis');
const Redis = require('ioredis');

// In-memory rate limiter
const limiter = rateLimit({
  windowMs: 15 * 60 * 1000, // 15 minutes
  max: 100, // Limit each IP to 100 requests per windowMs
  message: 'Too many requests, please try again later',
  standardHeaders: true,
  legacyHeaders: false,
});

// Redis-based rate limiter for distributed systems
const redisClient = new Redis({
  host: process.env.REDIS_HOST,
  port: process.env.REDIS_PORT,
});

const distributedLimiter = rateLimit({
  store: new RedisStore({
    client: redisClient,
    prefix: 'rl:',
  }),
  windowMs: 15 * 60 * 1000,
  max: 100,
});

// Apply to all routes
app.use('/api/', distributedLimiter);

// Apply to specific routes
app.post('/api/login', rateLimit({
  windowMs: 15 * 60 * 1000,
  max: 5, // Only 5 login attempts per 15 minutes
}), loginHandler);

ロギングミドルウェア

const morgan = require('morgan');
const winston = require('winston');
const { format } = winston;

// Create Winston logger
const logger = winston.createLogger({
  level: 'info',
  format: format.combine(
    format.timestamp(),
    format.errors({ stack: true }),
    format.json()
  ),
  defaultMeta: { service: 'user-service' },
  transports: [
    new winston.transports.File({ filename: 'error.log', level: 'error' }),
    new winston.transports.File({ filename: 'combined.log' }),
  ],
});

// Console logging in development
if (process.env.NODE_ENV !== 'production') {
  logger.add(new winston.transports.Console({
    format: format.combine(
      format.colorize(),
      format.simple()
    )
  }));
}

// HTTP request logging with Morgan
app.use(morgan('combined', {
  stream: {
    write: (message) => logger.info(message.trim())
  }
}));

// Custom logging middleware
const requestLogger = (req, res, next) => {
  const start = Date.now();

  res.on('finish', () => {
    const duration = Date.now() - start;
    logger.info({
      method: req.method,
      path: req.path,
      status: res.statusCode,
      duration: `${duration}ms`,
      ip: req.ip,
      userAgent: req.get('user-agent')
    });
  });

  next();
};

app.use(requestLogger);

CORS ミドルウェア

const cors = require('cors');

// Basic CORS
app.use(cors());

// Configured CORS
const corsOptions = {
  origin: function (origin, callback) {
    const allowedOrigins = [
      'https://example.com',
      'https://app.example.com',
      process.env.FRONTEND_URL
    ];

    if (!origin || allowedOrigins.includes(origin)) {
      callback(null, true);
    } else {
      callback(new Error('Not allowed by CORS'));
    }
  },
  credentials: true,
  optionsSuccessStatus: 200,
  methods: ['GET', 'POST', 'PUT', 'DELETE', 'PATCH'],
  allowedHeaders: ['Content-Type', 'Authorization'],
  exposedHeaders: ['X-Total-Count', 'X-Page-Number'],
  maxAge: 86400, // 24 hours
};

app.use(cors(corsOptions));

// CORS for specific routes
app.options('/api/admin/*', cors(adminCorsOptions));
app.use('/api/admin/', cors(adminCorsOptions));

セキュリティミドルウェア

const helmet = require('helmet');
const mongoSanitize = require('express-mongo-sanitize');
const xss = require('xss-clean');
const hpp = require('hpp');

// Helmet - Set security headers
app.use(helmet());

// Custom security headers
app.use((req, res, next) => {
  res.setHeader('X-Content-Type-Options', 'nosniff');
  res.setHeader('X-Frame-Options', 'DENY');
  res.setHeader('X-XSS-Protection', '1; mode=block');
  next();
});

// Sanitize data against NoSQL injection
app.use(mongoSanitize());

// Prevent XSS attacks
app.use(xss());

// Prevent HTTP Parameter Pollution
app.use(hpp({
  whitelist: ['sort', 'fields', 'page', 'limit']
}));

// Content Security Policy
app.use(helmet.contentSecurityPolicy({
  directives: {
    defaultSrc: ["'self'"],
    styleSrc: ["'self'", "'unsafe-inline'"],
    scriptSrc: ["'self'"],
    imgSrc: ["'self'", 'data:', 'https:'],
  },
}));

ルーティング戦略

基本的なルーティング

Context7 より - Express のルーティング：

app.get('/', home);
app.use('/public', require('st')(process.cwd()));
app.get('/users', users.list);
app.post('/users', users.create);

ルートメソッドのチェーン

Context7 より - ルートのチェーン：

app.route('/users')
.get(function(req, res, next) {
  // Get all users
  res.json({ users: [] });
})
.post(function(req, res, next) {
  // Create new user
  res.status(201).json({ user: {} });
});

ルーターモジュール

// routes/users.js
const express = require('express');
const router = express.Router();

// Middleware specific to this router
router.use((req, res, next) => {
  console.log('Time: ', Date.now());
  next();
});

// Define routes
router.get('/', (req, res) => {
  res.json({ users: [] });
});

router.get('/:id', (req, res) => {
  res.json({ user: { id: req.params.id } });
});

router.post('/', (req, res) => {
  res.status(201).json({ user: req.body });
});

router.put('/:id', (req, res) => {
  res.json({ user: { id: req.params.id, ...req.body } });
});

router.delete('/:id', (req, res) => {
  res.status(204).send();
});

module.exports = router;

// app.js
const usersRouter = require('./routes/users');
app.use('/api/users', usersRouter);

ルートパラメーター

// Named parameters
app.get('/users/:userId/posts/:postId', (req, res) => {
  const { userId, postId } = req.params;
  res.json({ userId, postId });
});

// Parameter middleware
app.param('userId', (req, res, next, userId) => {
  // Fetch user from database
  User.findById(userId)
    .then(user => {
      if (!user) {
        return res.status(404).json({ error: 'User not found' });
      }
      req.user = user;
      next();
    })
    .catch(next);
});

// Multiple callbacks
app.param('postId', [
  validatePostId,
  fetchPost,
  checkPermissions
]);

クエリパラメーター

// GET /api/users?role=admin&active=true&page=2&limit=10
app.get('/api/users', (req, res) => {
  const {
    role,
    active,
    page = 1,
    limit = 10,
    sort = '-createdAt'
  } = req.query;

  const query = {};
  if (role) query.role = role;
  if (active !== undefined) query.active = active === 'true';

  const skip = (page - 1) * limit;

  User.find(query)
    .sort(sort)
    .limit(parseInt(limit))
    .skip(skip)
    .then(users => res.json({ users, page, limit }))
    .catch(next);
});

API のバージョン管理

// Version 1 routes
const v1Router = express.Router();
v1Router.get('/users', (req, res) => {
  res.json({ version: 'v1', users: [] });
});

// Version 2 routes
const v2Router = express.Router();
v2Router.get('/users', (req, res) => {
  res.json({ version: 'v2', users: [], meta: {} });
});

// Mount versioned routes
app.use('/api/v1', v1Router);
app.use('/api/v2', v2Router);

// Header-based versioning
app.use('/api/users', (req, res, next) => {
  const version = req.headers['api-version'] || 'v1';

  if (version === 'v2') {
    return v2UsersHandler(req, res, next);
  }
  return v1UsersHandler(req, res, next);
});

RESTful なルート構成

// controllers/users.controller.js
class UsersController {
  async list(req, res, next) {
    try {
      const users = await User.find();
      res.json({ users });
    } catch (error) {
      next(error);
    }
  }

  async get(req, res, next) {
    try {
      res.json({ user: req.user });
    } catch (error) {
      next(error);
    }
  }

  async create(req, res, next) {
    try {
      const user = await User.create(req.body);
      res.status(201).json({ user });
    } catch (error) {
      next(error);
    }
  }

  async update(req, res, next) {
    try {
      const user = await User.findByIdAndUpdate(
        req.params.id,
        req.body,
        { new: true, runValidators: true }
      );
      res.json({ user });
    } catch (error) {
      next(error);
    }
  }

  async delete(req, res, next) {
    try {
      await User.findByIdAndDelete(req.params.id);
      res.status(204).send();
    } catch (error) {
      next(error);
    }
  }
}

// routes/users.routes.js
const router = express.Router();
const controller = new UsersController();

router.get('/', controller.list);
router.get('/:id', controller.get);
router.post('/', controller.create);
router.put('/:id', controller.update);
router.delete('/:id', controller.delete);

module.exports = router;

スケーラビリティのパターン

水平スケーリング

ロードバランサーの背後にサービスの複数のインスタンスをデプロイします。

// Enable cluster mode
const cluster = require('cluster');
const os = require('os');

if (cluster.isMaster) {
  const numCPUs = os.cpus().length;

  console.log(`Master process ${process.pid} is running`);
  console.log(`Forking ${numCPUs} workers...`);

  // Fork workers
  for (let i = 0; i < numCPUs; i++) {
    cluster.fork();
  }

  cluster.on('exit', (worker, code, signal) => {
    console.log(`Worker ${worker.process.pid} died. Restarting...`);
    cluster.fork();
  });
} else {
  // Workers share the TCP connection
  const app = require('./app');
  const port = process.env.PORT || 3000;

  app.listen(port, () => {
    console.log(`Worker ${process.pid} started on port ${port}`);
  });
}

ロードバランシング

# nginx.conf
upstream backend {
    least_conn;
    server localhost:3001;
    server localhost:3002;
    server localhost:3003;
    server localhost:3004;
}

server {
    listen 80;

    location / {
        proxy_pass http://backend;
        proxy_http_version 1.1;
        proxy_set_header Upgrade $http_upgrade;
        proxy_set_header Connection 'upgrade';
        proxy_set_header Host $host;
        proxy_cache_bypass $http_upgrade;
        proxy_set_header X-Real-IP $remote_addr;
        proxy_set_header X-Forwarded-For $proxy_add_x_forwarded_for;
    }
}

キャッシュ戦略

const Redis = require('ioredis');
const redis = new Redis({
  host: process.env.REDIS_HOST,
  port: process.env.REDIS_PORT,
});

// Cache middleware
const cacheMiddleware = (duration = 300) => {
  return async (req, res, next) => {
    if (req.method !== 'GET') {
      return next();
    }

    const key = `cache:${req.originalUrl}`;

    try {
      const cached = await redis.get(key);

      if (cached) {
        return res.json(JSON.parse(cached));
      }

      // Store original res.json
      const originalJson = res.json.bind(res);

      // Override res.json
      res.json = (body) => {
        redis.setex(key, duration, JSON.stringify(body));
        return originalJson(body);
      };

      next();
    } catch (error) {
      console.error('Cache error:', error);
      next();
    }
  };
};

// Usage
app.get('/api/products', cacheMiddleware(600), async (req, res) => {
  const products = await Product.find();
  res.json({ products });
});

// Cache invalidation
const invalidateCache = async (pattern) => {
  const keys = await redis.keys(pattern);
  if (keys.length > 0) {
    await redis.del(...keys);
  }
};

// Invalidate on updates
app.post('/api/products', async (req, res) => {
  const product = await Product.create(req.body);
  await invalidateCache('cache:/api/products*');
  res.status(201).json({ product });
});

データベース接続プーリング

const mongoose = require('mongoose');

// MongoDB connection with pooling
mongoose.connect(process.env.MONGODB_URI, {
  useNewUrlParser: true,
  useUnifiedTopology: true,
  poolSize: 10, // Maintain up to 10 socket connections
  socketTimeoutMS: 45000,
  family: 4,
});

// PostgreSQL with connection pooling
const { Pool } = require('pg');
const pool = new Pool({
  host: process.env.DB_HOST,
  port: process.env.DB_PORT,
  database: process.env.DB_NAME,
  user: process.env.DB_USER,
  password: process.env.DB_PASSWORD,
  max: 20, // Maximum number of clients
  idleTimeoutMillis: 30000,
  connectionTimeoutMillis: 2000,
});

// Query helper
const query = async (text, params) => {
  const start = Date.now();
  const res = await pool.query(text, params);
  const duration = Date.now() - start;
  console.log('Executed query', { text, duration, rows: res.rowCount });
  return res;
};

module.exports = { query, pool };

レスポンス圧縮

const compression = require('compression');

// Basic compression
app.use(compression());

// Custom compression settings
app.use(compression({
  filter: (req, res) => {
    if (req.headers['x-no-compression']) {
      return false;
    }
    return compression.filter(req, res);
  },
  level: 6, // Compression level (0-9)
  threshold: 1024, // Minimum size to compress (bytes)
}));

リクエストのスロットリング

const { Throttle } = require('stream-throttle');

// Throttle large responses
app.get('/api/large-dataset', (req, res) => {
  const dataStream = getLargeDataStream();

  // Throttle to 1MB/s
  const throttle = new Throttle({ rate: 1024 * 1024 });

  res.setHeader('Content-Type', 'application/json');
  dataStream.pipe(throttle).pipe(res);
});

本番環境のアーキテクチャ

Docker によるコンテナ化

# Dockerfile
FROM node:18-alpine AS builder

WORKDIR /app

# Copy package files
COPY package*.json ./

# Install dependencies
RUN npm ci --only=production

# Copy source code
COPY . .

# Production image
FROM node:18-alpine

WORKDIR /app

# Create non-root user
RUN addgroup -g 1001 -S nodejs && \
    adduser -S nodejs -u 1001

# Copy from builder
COPY --from=builder --chown=nodejs:nodejs /app/node_modules ./node_modules
COPY --chown=nodejs:nodejs . .

# Switch to non-root user
USER nodejs

# Expose port
EXPOSE 3000

# Health check
HEALTHCHECK --interval=30s --timeout=3s --start-period=40s \
  CMD node healthcheck.js

# Start application
CMD ["node", "server.js"]

# docker-compose.yml
version: '3.8'

services:
  api:
    build: .
    ports:
      - "3000:3000"
    environment:
      - NODE_ENV=production
      - REDIS_HOST=redis
      - MONGODB_URI=mongodb://mongo:27017/app
    depends_on:
      - redis
      - mongo
    restart: unless-stopped
    deploy:
      replicas: 3
      resources:
        limits:
          cpus: '0.5'
          memory: 512M

  redis:
    image: redis:7-alpine
    volumes:
      - redis-data:/data
    restart: unless-stopped

  mongo:
    image: mongo:6
    volumes:
      - mongo-data:/data/db
    restart: unless-stopped

  nginx:
    image: nginx:alpine
    ports:
      - "80:80"
    volumes:
      - ./nginx.conf:/etc/nginx/nginx.conf
    depends_on:
      - api
    restart: unless-stopped

volumes:
  redis-data:
  mongo-data:

PM2 によるプロセス管理

// ecosystem.config.js
module.exports = {
  apps: [{
    name: 'api',
    script: './server.js',
    instances: 'max',
    exec_mode: 'cluster',
    autorestart: true,
    watch: false,
    max_memory_restart: '1G',
    env: {
      NODE_ENV: 'development',
      PORT: 3000
    },
    env_production: {
      NODE_ENV: 'production',
      PORT: 3000
    },
    error_file: './logs/err.log',
    out_file: './logs/out.log',
    log_file: './logs/combined.log',
    time: true,
    merge_logs: true,
  }]
};

ヘルスチェック

// healthcheck.js
const http = require('http');

const options = {
  host: 'localhost',
  port: process.env.PORT || 3000,
  path: '/health',
  timeout: 2000
};

const healthCheck = http.request(options, (res) => {
  console.log(`HEALTHCHECK STATUS: ${res.statusCode}`);
  if (res.statusCode === 200) {
    process.exit(0);
  } else {
    process.exit(1);
  }
});

healthCheck.on('error', (err) => {
  console.error('ERROR:', err);
  process.exit(1);
});

healthCheck.end();

// Health endpoint
app.get('/health', async (req, res) => {
  const health = {
    uptime: process.uptime(),
    message: 'OK',
    timestamp: Date.now()
  };

  try {
    // Check database connection
    await mongoose.connection.db.admin().ping();
    health.database = 'connected';

    // Check Redis connection
    await redis.ping();
    health.cache = 'connected';

    res.status(200).json(health);
  } catch (error) {
    health.message = error.message;
    res.status(503).json(health);
  }
});

// Readiness check
app.get('/ready', (req, res) => {
  res.status(200).json({ ready: true });
});

// Liveness check
app.get('/live', (req, res) => {
  res.status(200).json({ alive: true });
});

グレースフルシャットダウン

// server.js
const gracefulShutdown = () => {
  console.log('Received shutdown signal, closing server gracefully...');

  server.close(async () => {
    console.log('HTTP server closed');

    try {
      // Close database connections
      await mongoose.connection.close();
      console.log('MongoDB connection closed');

      // Close Redis connection
      await redis.quit();
      console.log('Redis connection closed');

      // Close other resources
      // ...

      console.log('Graceful shutdown completed');
      process.exit(0);
    } catch (err) {
      console.error('Error during shutdown:', err);
      process.exit(1);
    }
  });

  // Force shutdown after 10 seconds
  setTimeout(() => {
    console.error('Forcing shutdown after timeout');
    process.exit(1);
  }, 10000);
};

process.on('SIGTERM', gracefulShutdown);
process.on('SIGINT', gracefulShutdown);

モニタリングと可観測性

const promClient = require('prom-client');

// Create a Registry
const register = new promClient.Registry();

// Add default metrics
promClient.collectDefaultMetrics({ register });

// Custom metrics
const httpRequestDuration = new promClient.Histogram({
  name: 'http_request_duration_seconds',
  help: 'Duration of HTTP requests in seconds',
  labelNames: ['method', 'route', 'status_code'],
  buckets: [0.1, 0.5, 1, 2, 5]
});

const httpRequestTotal = new promClient.Counter({
  name: 'http_requests_total',
  help: 'Total number of HTTP requests',
  labelNames: ['method', 'route', 'status_code']
});

register.registerMetric(httpRequestDuration);
register.registerMetric(httpRequestTotal);

// Metrics middleware
app.use((req, res, next) => {
  const start = Date.now();

  res.on('finish', () => {
    const duration = (Date.now() - start) / 1000;
    const route = req.route ? req.route.path : req.path;

    httpRequestDuration.labels(req.method, route, res.statusCode).observe(duration);
    httpRequestTotal.labels(req.method, route, res.statusCode).inc();
  });

  next();
});

// Metrics endpoint
app.get('/metrics', async (req, res) => {
  res.set('Content-Type', register.contentType);
  res.end(await register.metrics());
});

分散トレーシング

const { trace, context } = require('@opentelemetry/api');
const { NodeTracerProvider } = require('@opentelemetry/sdk-trace-node');
const { registerInstrumentations } = require('@opentelemetry/instrumentation');
const { HttpInstrumentation } = require('@opentelemetry/instrumentation-http');
const { ExpressInstrumentation } = require('@opentelemetry/instrumentation-express');

// Create tracer provider
const provider = new NodeTracerProvider();
provider.register();

// Register instrumentations
registerInstrumentations({
  instrumentations: [
    new HttpInstrumentation(),
    new ExpressInstrumentation(),
  ],
});

const tracer = trace.getTracer('user-service');

// Custom tracing middleware
const tracingMiddleware = (req, res, next) => {
  const span = tracer.startSpan(`HTTP ${req.method} ${req.path}`);

  span.setAttributes({
    'http.method': req.method,
    'http.url': req.url,
    'http.user_agent': req.get('user-agent'),
  });

  res.on('finish', () => {
    span.setAttributes({
      'http.status_code': res.statusCode,
    });
    span.end();
  });

  next();
};

app.use(tracingMiddleware);

ベストプラクティス

プロジェクト構成

express-microservice/
├── src/
│   ├── config/
│   │   ├── database.js
│   │   ├── redis.js
│   │   └── logger.js
│   ├── controllers/
│   │   ├── users.controller.js
│   │   └── auth.controller.js
│   ├── middleware/
│   │   ├── auth.js
│   │   ├── validation.js
│   │   ├── errorHandler.js
│   │   └── requestLogger.js
│   ├── models/
│   │   └── user.model.js
│   ├── routes/
│   │   ├── index.js
│   │   ├── users.routes.js
│   │   └── auth.routes.js
│   ├── services/
│   │   ├── users.service.js
│   │   ├── auth.service.js
│   │   └── email.service.js
│   ├── utils/
│   │   ├── apiError.js
│   │   ├── catchAsync.js
│   │   └── validators.js
│   ├── app.js
│   └── server.js
├── tests/
│   ├── unit/
│   ├── integration/
│   └── e2e/
├── .env
├── .env.example
├── .dockerignore
├── Dockerfile
├── docker-compose.yml
├── ecosystem.config.js
├── package.json
└── README.md

環境設定

// config/env.js
const dotenv = require('dotenv');
const Joi = require('joi');

dotenv.config();

const envSchema = Joi.object({
  NODE_ENV: Joi.string()
    .valid('development', 'production', 'test')
    .default('development'),
  PORT: Joi.number().default(3000),
  MONGODB_URI: Joi.string().required(),
  REDIS_HOST: Joi.string().required(),
  REDIS_PORT: Joi.number().default(6379),
  JWT_SECRET: Joi.string().required(),
  JWT_EXPIRES_IN: Joi.string().default('7d'),
  LOG_LEVEL: Joi.string()
    .valid('error', 'warn', 'info', 'debug')
    .default('info'),
}).unknown();

const { value: env, error } = envSchema.validate(process.env);

if (error) {
  throw new Error(`Config validation error: ${error.message}`);
}

module.exports = {
  env: env.NODE_ENV,
  port: env.PORT,
  mongodb: {
    uri: env.MONGODB_URI,
  },
  redis: {
    host: env.REDIS_HOST,
    port: env.REDIS_PORT,
  },
  jwt: {
    secret: env.JWT_SECRET,
    expiresIn: env.JWT_EXPIRES_IN,
  },
  logging: {
    level: env.LOG_LEVEL,
  },
};

エラー処理のベストプラクティス

// utils/apiError.js
class ApiError extends Error {
  constructor(statusCode, message, isOperational = true, stack = '') {
    super(message);
    this.statusCode = statusCode;
    this.isOperational = isOperational;
    if (stack) {
      this.stack = stack;
    } else {
      Error.captureStackTrace(this, this.constructor);
    }
  }
}

module.exports = ApiError;

// utils/catchAsync.js
const catchAsync = (fn) => {
  return (req, res, next) => {
    Promise.resolve(fn(req, res, next)).catch(next);
  };
};

module.exports = catchAsync;

// middleware/errorHandler.js
const config = require('../config/env');
const logger = require('../config/logger');
const ApiError = require('../utils/apiError');

const errorConverter = (err, req, res, next) => {
  let error = err;
  if (!(error instanceof ApiError)) {
    const statusCode = error.statusCode || 500;
    const message = error.message || 'Internal Server Error';
    error = new ApiError(statusCode, message, false, err.stack);
  }
  next(error);
};

const errorHandler = (err, req, res, next) => {
  let { statusCode, message } = err;

  if (config.env === 'production' && !err.isOperational) {
    statusCode = 500;
    message = 'Internal Server Error';
  }

  res.locals.errorMessage = err.message;

  const response = {
    code: statusCode,
    message,
    ...(config.env === 'development' && { stack: err.stack }),
  };

  if (config.env === 'development') {
    logger.error(err);
  }

  res.status(statusCode).json(response);
};

module.exports = {
  errorConverter,
  errorHandler,
};

テスト戦略

// tests/integration/users.test.js
const request = require('supertest');
const app = require('../../src/app');
const { User } = require('../../src/models');

describe('User API', () => {
  beforeEach(async () => {
    await User.deleteMany({});
  });

  describe('POST /api/users', () => {
    it('should create a new user', async () => {
      const userData = {
        name: 'John Doe',
        email: '[email protected]',
        password: 'password123',
      };

      const res = await request(app)
        .post('/api/users')
        .send(userData)
        .expect(201);

      expect(res.body).toHaveProperty('user');
      expect(res.body.user).toHaveProperty('id');
      expect(res.body.user.email).toBe(userData.email);
      expect(res.body.user).not.toHaveProperty('password');
    });

    it('should return 400 for invalid email', async () => {
      const userData = {
        name: 'John Doe',
        email: 'invalid-email',
        password: 'password123',
      };

      const res = await request(app)
        .post('/api/users')
        .send(userData)
        .expect(400);

      expect(res.body).toHaveProperty('error');
    });
  });

  describe('GET /api/users/:id', () => {
    it('should return user by id', async () => {
      const user = await User.create({
        name: 'John Doe',
        email: '[email protected]',
        password: 'hashedpassword',
      });

      const res = await request(app)
        .get(`/api/users/${user.id}`)
        .expect(200);

      expect(res.body.user.id).toBe(user.id);
    });

    it('should return 404 for non-existent user', async () => {
      await request(app)
        .get('/api/users/507f1f77bcf86cd799439011')
        .expect(404);
    });
  });
});

パフォーマンスの最適化

// Enable gzip compression
const compression = require('compression');
app.use(compression());

// Use efficient JSON parsing
app.use(express.json({ limit: '10mb' }));

// Database query optimization
const getUsers = async (filters) => {
  return User.find(filters)
    .select('name email role') // Select only needed fields
    .lean() // Return plain objects instead of Mongoose documents
    .limit(100);
};

// Implement pagination
const paginateResults = async (model, page = 1, limit = 10) => {
  const skip = (page - 1) * limit;

  const [results, total] = await Promise.all([
    model.find().skip(skip).limit(limit).lean(),
    model.countDocuments(),
  ]);

  return {
    results,
    pagination: {
      page,
      limit,
      total,
      pages: Math.ceil(total / limit),
    },
  };
};

// Use indexes
userSchema.index({ email: 1 });
userSchema.index({ role: 1, createdAt: -1 });

// Connection pooling and keep-alive
const agent = new http.Agent({
  keepAlive: true,
  maxSockets: 50,
});

セキュリティのベストプラクティス

// Validate and sanitize inputs
const { body } = require('express-validator');

const userValidation = [
  body('email').isEmail().normalizeEmail(),
  body('password').isLength({ min: 8 }).trim(),
  body('name').trim().escape(),
];

// Implement rate limiting
const loginLimiter = rateLimit({
  windowMs: 15 * 60 * 1000,
  max: 5,
  skipSuccessfulRequests: true,
});

app.post('/api/auth/login', loginLimiter, loginHandler);

// Use parameterized queries
const getUserByEmail = async (email) => {
  return User.findOne({ email }); // Protected against NoSQL injection
};

// Implement CSRF protection
const csrf = require('csurf');
app.use(csrf({ cookie: true }));

// Set secure cookies
res.cookie('token', token, {
  httpOnly: true,
  secure: process.env.NODE_ENV === 'production',
  sameSite: 'strict',
  maxAge: 7 * 24 * 60 * 60 * 1000, // 7 days
});

// Hash passwords
const bcrypt = require('bcrypt');
const hashPassword = async (password) => {
  return bcrypt.hash(password, 12);
};

例

例 1：基本的な Express マイクロサービス

const express = require('express');
const helmet = require('helmet');
const cors = require('cors');
const morgan = require('morgan');

const app = express();

// Middleware
app.use(helmet());
app.use(cors());
app.use(morgan('combined'));
app.use(express.json());

// Routes
app.get('/health', (req, res) => {
  res.json({ status: 'healthy' });
});

app.get('/api/users', (req, res) => {
  res.json({ users: [] });
});

// Error handling
app.use((err, req, res, next) => {
  console.error(err.stack);
  res.status(500).json({ error: 'Something went wrong!' });
});

const PORT = process.env.PORT || 3000;
app.listen(PORT, () => {
  console.log(`Server running on port ${PORT}`);
});

例 2：認証サービス

const express = require('express');
const jwt = require('jsonwebtoken');
const bcrypt = require('bcrypt');
const { body, validationResult } = require('express-validator');

const router = express.Router();

// Register
router.post('/register',
  body('email').isEmail(),
  body('password').isLength({ min: 8 }),
  async (req, res, next) => {
    try {
      const errors = validationResult(req);
      if (!errors.isEmpty()) {
        return res.status(400).json({ errors: errors.array() });
      }

      const { email, password } = req.body;

      // Check if user exists
      const existingUser = await User.findOne({ email });
      if (existingUser) {
        return res.status(409).json({ error: 'User already exists' });
      }

      // Hash password
      const hashedPassword = await bcrypt.hash(password, 12);

      // Create user
      const user = await User.create({
        email,
        password: hashedPassword,
      });

      // Generate token
      const token = jwt.sign(
        { userId: user.id },
        process.env.JWT_SECRET,
        { expiresIn: '7d' }
      );

      res.status(201).json({ token, user: { id: user.id, email: user.email } });
    } catch (error) {
      next(error);
    }
  }
);

// Login
router.post('/login',
  body('email').isEmail(),
  body('password').exists(),
  async (req, res, next) => {
    try {
      const errors = validationResult(req);
      if (!errors.isEmpty()) {
        return res.status(400).json({ errors: errors.array() });
      }

      const { email, password } = req.body;

      // Find user
      const user = await User.findOne({ email }).select('+password');
      if (!user) {
        return res.status(401).json({ error: 'Invalid credentials' });
      }

      // Check password
      const isValidPassword = await bcrypt.compare(password, user.password);
      if (!isValidPassword) {
        return res.status(401).json({ error: 'Invalid credentials' });
      }

      // Generate token
      const token = jwt.sign(
        { userId: user.id },
        process.env.JWT_SECRET,
        { expiresIn: '7d' }
      );

      res.json({ token, user: { id: user.id, email: user.email } });
    } catch (error) {
      next(error);
    }
  }
);

module.exports = router;

例 3：API ゲートウェイパターン

const express = require('express');
const { createProxyMiddleware } = require('http-proxy-middleware');

const app = express();

// Service discovery (simplified)
const services = {
  users: 'http://users-service:3001',
  products: 'http://products-service:3002',
  orders: 'http://orders-service:3003',
};

// Authentication middleware
const authenticate = (req, res, next) => {
  const token = req.headers.authorization?.split(' ')[1];

  if (!token) {
    return res.status(401).json({ error: 'No token provided' });
  }

  try {
    const decoded = jwt.verify(token, process.env.JWT_SECRET);
    req.user = decoded;
    next();
  } catch (error) {
    res.status(401).json({ error: 'Invalid token' });
  }
};

// Rate limiting
const limiter = rateLimit({
  windowMs: 15 * 60 * 1000,
  max: 100,
});

app.use(limiter);

// Proxy routes
app.use('/api/users', authenticate, createProxyMiddleware({
  target: services.users,
  changeOrigin: true,
  pathRewrite: { '^/api/users': '' },
}));

app.use('/api/products', createProxyMiddleware({
  target: services.products,
  changeOrigin: true,
  pathRewrite: { '^/api/products': '' },
}));

app.use('/api/orders', authenticate, createProxyMiddleware({
  target: services.orders,
  changeOrigin: true,
  pathRewrite: { '^/api/orders': '' },
}));

// Error handling
app.use((err, req, res, next) => {
  console.error(err);
  res.status(500).json({ error: 'Gateway error' });
});

const PORT = process.env.PORT || 8000;
app.listen(PORT, () => {
  console.log(`API Gateway running on port ${PORT}`);
});

サーキットブレーカー、イベント駆動パターン、サービスメッシュ統合など、15 以上の追加の包括的な例については、EXAMPLES.md を参照してください。

---

スキルバージョン：1.0.0 最終更新日：2025 年 10 月 スキルカテゴリ：マイクロサービス、バックエンド開発、Node.js、本番環境アーキテクチャ 互換性：Express.js 4.x/5.x、Node.js 16 以降、Docker、Kubernetes