【.NET源码解读】深入剖析中间件的设计与实现
.NET本身就是一个基于中间件（middleware）的框架，它通过一系列的中间件组件来处理HTTP请求和响应。在之前的文章《.NET源码解读kestrel服务器及创建HttpContext对象流程》中，已经通过源码介绍了如何将HTTP数据包转换为.NET的HttpContext对象。接下来，让我们深入了解一下.NET是如何设计中间件来处理HttpContext对象。通过本文，您可以了解以下内容：
[*]认识中间件的本质
[*]实现自定义中间件
[*]源码解读中间件原理
一、重新认识中间件
1. 中间件的实现方式
在介绍中间件之前，让我们先了解一下管道设计模式：
管道设计模式是一种常见的软件设计模式，用于将一个复杂的任务或操作分解为一系列独立的处理步骤。每个步骤按特定顺序处理数据并传递给下一个步骤，形成线性的处理流程。每个步骤都是独立且可重用的组件。
在.NET中，针对每个HTTP请求的处理和响应任务被分解为可重用的类或匿名方法，这些组件被称为中间件。中间件的连接顺序是特定的，它们在一个管道中按顺序连接起来，形成一个处理流程。这种设计方式可以根据需求自由地添加、删除或重新排序中间件。
中间件的实现非常简单，它基于一个委托，接受一个HttpContext对象和一个回调函数（表示下一个中间件）作为参数。当请求到达时，委托执行自己的逻辑，并将请求传递给下一个中间件组件。这个过程会持续进行，直到最后一个中间件完成响应并将结果返回给客户端。
/*
* 入参1 string：代表HttpContext
* 入参2 Func<Task>：下一个中间件的方法
* 结果返回 Task：避免线程阻塞
* **/
Func<string, Func<Task>, Task> middleware = async (context, next) =>
{
Console.WriteLine($"Before middleware: {context}");
await next(); // 调用下一个中间件
Console.WriteLine($"After middleware: {context}");
};Func<Task> finalMiddleware = () =>
{
// 最后一个中间件的逻辑
Console.WriteLine("Final middleware");
return Task.CompletedTask;
};为了给所有的中间件和终端处理器提供统一的委托类型，使得它们在请求处理管道中可以无缝地连接起来。所以引入了RequestDelegate委托。上文中Func方法，最终都会转换成RequestDelegate委托，这一点放在下文源码解析中。
public delegate Task RequestDelegate(HttpContext context);2. 中间件管道构建器原理
下面是从源码中提取出的一个简单的中间件管道构建器实现示例。它包含一个 _middlewares 列表，用于存储中间件委托，并提供了 Use 方法用于添加中间件，以及 Build 方法用于构建最终的请求处理委托。
这个实现示例虽然代码不多，但却能充分展示中间件的构建原理。你可以仔细阅读这段代码，深入理解中间件是如何构建和连接的。
public class MiddlewarePipeline
{
private readonly List<Func<RequestDelegate, RequestDelegate>> _middlewares =
new List<Func<RequestDelegate, RequestDelegate>>();
public void Use(Func<RequestDelegate, RequestDelegate> middleware)
{
_middlewares.Add(middleware);
}
public RequestDelegate Build()
{
RequestDelegate next = context => Task.CompletedTask;
for (int i = _middlewares.Count - 1; i >= 0; i--)
{
next = _middlewares(next);
}
return next;
}
}二、实现自定义中间件
如果您想了解中间件中Run、Use、Map、MapWhen等方法，可以直接看官方文档
1. 使用内联中间件
该中间件通过查询字符串设置当前请求的区域性：
using System.Globalization;
var builder = WebApplication.CreateBuilder(args);
var app = builder.Build();
app.UseHttpsRedirection();
app.Use(async (context, next) =>
{
var cultureQuery = context.Request.Query["culture"];
if (!string.IsNullOrWhiteSpace(cultureQuery))
{
var culture = new CultureInfo(cultureQuery);
CultureInfo.CurrentCulture = culture;
CultureInfo.CurrentUICulture = culture;
}
// Call the next delegate/middleware in the pipeline.
await next(context);
});
app.Run(async (context) =>
{
await context.Response.WriteAsync(
$"CurrentCulture.DisplayName: {CultureInfo.CurrentCulture.DisplayName}");
});
app.Run();2.中间件类
以下代码将中间件委托移动到类：
该类必须具备：
[*]具有类型为 RequestDelegate 的参数的公共构造函数。
[*]名为 Invoke 或 InvokeAsync 的公共方法。 此方法必须：
[*]返回 Task。
[*]接受类型 HttpContext 的第一个参数。
构造函数和 Invoke/InvokeAsync 的其他参数由依赖关系注入 (DI) 填充。
using System.Globalization;
namespace Middleware.Example;
public class RequestCultureMiddleware
{
private readonly RequestDelegate _next;
public RequestCultureMiddleware(RequestDelegate next)
{
_next = next;
}
public async Task InvokeAsync(HttpContext context)
{
var cultureQuery = context.Request.Query["culture"];
if (!string.IsNullOrWhiteSpace(cultureQuery))
{
var culture = new CultureInfo(cultureQuery);
CultureInfo.CurrentCulture = culture;
CultureInfo.CurrentUICulture = culture;
}
// Call the next delegate/middleware in the pipeline.
await _next(context);
}
}
// 封装扩展方法
public static class RequestCultureMiddlewareExtensions
{
public static IApplicationBuilder UseRequestCulture(
this IApplicationBuilder builder)
{
return builder.UseMiddleware<RequestCultureMiddleware>();
}
}3. 基于工厂的中间件
该方法具体描述请看官方文档
上文描述的自定义类，其实是按照约定来定义实现的。也可以根据IMiddlewareFactory/IMiddleware 中间件的扩展点来使用：
// 自定义中间件类实现 IMiddleware 接口
public class CustomMiddleware : IMiddleware
{
public async Task InvokeAsync(HttpContext context, RequestDelegate next)
{
// 中间件逻辑
await next(context);
}
}
// 自定义中间件工厂类实现 IMiddlewareFactory 接口
public class CustomMiddlewareFactory : IMiddlewareFactory
{
public IMiddleware Create(IServiceProvider serviceProvider)
{
// 在这里可以进行一些初始化操作，如依赖注入等
return new CustomMiddleware();
}
}
// 在 Startup.cs 中使用中间件工厂模式添加中间件
public void Configure(IApplicationBuilder app)
{
app.UseMiddleware<CustomMiddlewareFactory>();
}详细具体的自定义中间件方式请参阅官方文档
三、源码解读中间件
以下是源代码的部分删减和修改，以便于更好地理解
1. 创建主机构建器
为了更好地理解中间件的创建和执行在整个框架中的位置，我们仍然从 Program 开始。在 Program 中使用 CreateBuilder 方法创建一个默认的主机构建器，配置应用程序的默认设置，并注入基础服务。
// 在Program.cs文件中调用
var builder = WebApplication.CreateBuilder(args);CreateBuilder方法返回了WebApplicationBuilder实例
public static WebApplicationBuilder CreateBuilder(string[] args) =>
new WebApplicationBuilder(new WebApplicationOptions(){ Args = args });在 WebApplicationBuilder 的构造函数中，将配置并注册中间件
internal WebApplicationBuilder(WebApplicationOptions options, Action<IHostBuilder>? configureDefaults = null)
{
// 创建BootstrapHostBuilder实例
var bootstrapHostBuilder = new BootstrapHostBuilder(_hostApplicationBuilder);
// bootstrapHostBuilder 上调用 ConfigureWebHostDefaults 方法，以进行特定于 Web 主机的配置
bootstrapHostBuilder.ConfigureWebHostDefaults(webHostBuilder =>
{
// 配置应用程序包含了中间件的注册过程和一系列的配置
webHostBuilder.Configure(ConfigureApplication);
});
var webHostContext = (WebHostBuilderContext)bootstrapHostBuilder.Properties;
Environment = webHostContext.HostingEnvironment;
Host = new ConfigureHostBuilder(bootstrapHostBuilder.Context, Configuration, Services);
WebHost = new ConfigureWebHostBuilder(webHostContext, Configuration, Services);
}ConfigureApplication 方法是用于配置应用程序的核心方法。其中包含了中间件的注册过程。本篇文章只关注中间件，路由相关的内容会在下一篇文章进行详细解释。
private void ConfigureApplication(WebHostBuilderContext context, IApplicationBuilder app)
{
Debug.Assert(_builtApplication is not null);
// 在 WebApplication 之前调用 UseRouting，例如在 StartupFilter 中，
// 我们需要移除该属性并在最后重新设置，以免影响过滤器中的路由
if (app.Properties.TryGetValue(EndpointRouteBuilderKey, out var priorRouteBuilder))
{
app.Properties.Remove(EndpointRouteBuilderKey);
}
// ...
// 将源管道连接到目标管道
var wireSourcePipeline = new WireSourcePipeline(_builtApplication);
app.Use(wireSourcePipeline.CreateMiddleware);
// ..
// 将属性复制到目标应用程序构建器
foreach (var item in _builtApplication.Properties)
{
app.Properties = item.Value;
}
// 移除路由构建器以清理属性，我们已经完成了将路由添加到管道的操作
app.Properties.Remove(WebApplication.GlobalEndpointRouteBuilderKey);
// 如果之前存在路由构建器，则重置它，这对于 StartupFilters 是必要的
if (priorRouteBuilder is not null)
{
app.Properties = priorRouteBuilder;
}
}通过新构建的RequestDelegate委托处理请求，在目标中间件管道中连接源中间件管道
private sealed class WireSourcePipeline(IApplicationBuilder builtApplication)
{
private readonly IApplicationBuilder _builtApplication = builtApplication;
public RequestDelegate CreateMiddleware(RequestDelegate next)
{
_builtApplication.Run(next);
return _builtApplication.Build();
}
}2. 启动主机，并侦听HTTP请求
从Program中app.Run()开始，启动主机，最终会调用IHost的StartAsync方法。
// Program调用Run
app.Run();
// 实现Run();
public void Run( string? url = null)
{
Listen(url);
HostingAbstractionsHostExtensions.Run(this);
}
// 实现HostingAbstractionsHostExtensions.Run(this);
public static async Task RunAsync(this IHost host, CancellationToken token = default)
{
try
{
await host.StartAsync(token).ConfigureAwait(false);
await host.WaitForShutdownAsync(token).ConfigureAwait(false);
}
finally
{
if (host is IAsyncDisposable asyncDisposable)
{
await asyncDisposable.DisposeAsync().ConfigureAwait(false);
}
else
{
host.Dispose();
}
}
}将中间件和StartupFilters扩展传入HostingApplication主机，并进行启动
public async Task StartAsync(CancellationToken cancellationToken)
{
// ...省略了从配置中获取服务器监听地址和端口...
// 通过配置构建中间件管道
RequestDelegate? application = null;
try
{
IApplicationBuilder builder = ApplicationBuilderFactory.CreateBuilder(Server.Features);
foreach (var filter in StartupFilters.Reverse())
{
configure = filter.Configure(configure);
}
configure(builder);
// Build the request pipeline
application = builder.Build();
}
catch (Exception ex)
{
Logger.ApplicationError(ex);
}
/*
* application:中间件
* DiagnosticListener:事件监听器
* HttpContextFactory：HttpContext对象的工厂
*/
HostingApplication httpApplication = new HostingApplication(application, Logger, DiagnosticListener, ActivitySource, Propagator, HttpContextFactory, HostingEventSource.Log, HostingMetrics);
await Server.StartAsync(httpApplication, cancellationToken);
}IApplicationBuilder 提供配置应用程序请求管道的机制，Build方法生成此应用程序用于处理HTTP请求的委托。
public RequestDelegate Build()
{
// 构建一个 RequestDelegate 委托，代表请求的处理逻辑
RequestDelegate app = context =>
{
var endpoint = context.GetEndpoint();
var endpointRequestDelegate = endpoint?.RequestDelegate;
if (endpointRequestDelegate != null)
{
throw new InvalidOperationException(message);
}
return Task.CompletedTask;
};
// 逐步构建了包含所有中间件的管道
for (var c = _components.Count - 1; c >= 0; c--)
{
app = _components(app);
}
return app;
}3. IApplicationBuilder作用及实现
这里对IApplicationBuilder做个整体了解，然后再回归上文流程。
IApplicationBuilder的作用是提供了配置应用程序请求管道的机制。它定义了一组方法和属性，用于构建和配置应用程序的中间件管道，处理传入的 HTTP 请求。
[*]访问应用程序的服务容器（ApplicationServices 属性）。
[*]获取应用程序的服务器提供的 HTTP 特性（ServerFeatures 属性）。
[*]共享数据在中间件之间传递的键值对集合（Properties 属性）。
[*]向应用程序的请求管道中添加中间件委托（Use 方法）。
[*]创建一个新的 IApplicationBuilder 实例，共享属性（New 方法）。
[*]构建处理 HTTP 请求的委托（Build 方法）。
public partial class ApplicationBuilder : IApplicationBuilder
{
private readonly List<Func<RequestDelegate, RequestDelegate>> _components = new();
private readonly List<string>? _descriptions;
/// <summary>
/// Adds the middleware to the application request pipeline.
/// </summary>
/// <param name="middleware">The middleware.</param>
/// <returns>An instance of <see cref="IApplicationBuilder"/> after the operation has completed.</returns>
public IApplicationBuilder Use(Func<RequestDelegate, RequestDelegate> middleware)
{
_components.Add(middleware);
_descriptions?.Add(CreateMiddlewareDescription(middleware));
return this;
}
private static string CreateMiddlewareDescription(Func<RequestDelegate, RequestDelegate> middleware)
{
if (middleware.Target != null)
{
// To IApplicationBuilder, middleware is just a func. Getting a good description is hard.
// Inspect the incoming func and attempt to resolve it back to a middleware type if possible.
// UseMiddlewareExtensions adds middleware via a method with the name CreateMiddleware.
// If this pattern is matched, then ToString on the target returns the middleware type name.
if (middleware.Method.Name == "CreateMiddleware")
{
return middleware.Target.ToString()!;
}
return middleware.Target.GetType().FullName + "." + middleware.Method.Name;
}
return middleware.Method.Name.ToString();
}
/// <summary>
/// Produces a <see cref="RequestDelegate"/> that executes added middlewares.
/// </summary>
/// <returns>The <see cref="RequestDelegate"/>.</returns>
public RequestDelegate Build()
{
RequestDelegate app = context =>
{
// If we reach the end of the pipeline, but we have an endpoint, then something unexpected has happened.
// This could happen if user code sets an endpoint, but they forgot to add the UseEndpoint middleware.
var endpoint = context.GetEndpoint();
var endpointRequestDelegate = endpoint?.RequestDelegate;
if (endpointRequestDelegate != null)
{
var message =
$"The request reached the end of the pipeline without executing the endpoint: '{endpoint!.DisplayName}'. " +
$"Please register the EndpointMiddleware using '{nameof(IApplicationBuilder)}.UseEndpoints(...)' if using " +
$"routing.";
throw new InvalidOperationException(message);
}
// Flushing the response and calling through to the next middleware in the pipeline is
// a user error, but don't attempt to set the status code if this happens. It leads to a confusing
// behavior where the client response looks fine, but the server side logic results in an exception.
if (!context.Response.HasStarted)
{
context.Response.StatusCode = StatusCodes.Status404NotFound;
}
// Communicates to higher layers that the request wasn't handled by the app pipeline.
context.Items = true;
return Task.CompletedTask;
};
for (var c = _components.Count - 1; c >= 0; c--)
{
app = _components(app);
}
return app;
}
}回归上文流程，将生成的管道传入HostingApplication中，并在处理Http请求时，进行执行。
// Execute the request
public Task ProcessRequestAsync(Context context)
{
return _application(context.HttpContext!);
}还是不清楚执行位置的同学，可以翻阅《.NET源码解读kestrel服务器及创建HttpContext对象流程》文章中的这块代码来进行了解。
四、小结
.NET 中间件就是基于管道模式和委托来进行实现。每个中间件都是一个委托方法，接受一个 HttpContext 对象和一个 RequestDelegate 委托作为参数，可以对请求进行修改、添加额外的处理逻辑，然后调用 RequestDelegate 来将请求传递给下一个中间件或终止请求处理。
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来源:https://www.cnblogs.com/Z7TS/archive/2023/06/29/17494203.html
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