学习ASP.NET Core, 怎能不了解请求处理管道[6]: 管道是如何随着WebHost的开启被构建出来的?

注册的服务器和中间件共同构成了ASP.NET Core用于处理请求的管道, 这样一个管道是在我们启动作为应用宿主的WebHost时构建出来的。要深刻了解这个管道是如何被构建出来的,我们就必须对WebHost和它的创建者WebHostBuilder这个重要的对象具有深刻的理解。[本文已经同步到《ASP.NET Core框架揭秘》之中]

目录 一、WebHost     WebHostOptions     构建管道的三个步骤 二、WebHostBuilder     WebHost的创建     几个常用的扩展方法

一、WebHost

顾名思义,WebHost被作为Web应用的宿主,应用的启动和关闭都是通过启动或者关闭对应WebHost的方式来实现的。这里所说的WebHost是对所有实现了IWebHost接口的所有类型及其对应对象的统称。IWebHost接口具有如下三个基本成员,其中Start方法用于启动宿主程序。我们编程中通常会调用它的一个扩展方法Run来启动WebHost,实际上背后调用的其实还是这个Start方法。当WebHost启动之后,注册的服务器变开始了针对请求的监听,所以WebHost需要具有与服务器相关的一些特性,这些特性就保存在通过属性ServerFeatures返回的特性集合中。

1: public interface IWebHost : IDisposable   2: {       3:     void Start();   4:     IFeatureCollection     ServerFeatures { get; }   5:     IServiceProvider       Services { get; }   6: }

我们多次提到ASP.NET Core管道在构建和进行请求处理过程中广泛使用到了依赖注入。依赖注入只要体现在:ASP.NET Core框架以及应用程序会根据需要注册一系列的服务,这些服务会在WebHost启动的时候被用来创建一个ServiceProvider对象,管道在进行请求处理过程所需的任何服务对象都可以从这个ServiceProvider对象中获取。IWebHost接口的Services属性返回的就是这么一个ServiceProvider对象。

具有如下定义的WebHost类是对IWebHost接口的默认实现,我们默认使用的WebHost就是这么一个对象。一般来说,WebHost是通过对应的WebHostBuilder创建的,当后者通过调用构造函数创建一个WebHost对象的时候,需要提供四个参数,它们分别是直接注册到WebHostBuilder上面的服务(appServices)和由此创建的ServiceProvider(hostingServiceProvider),针对WebHost的选项设置(options)和配置(config)。

1: public class WebHost : IWebHost   2: {   3:     public IFeatureCollection     ServerFeatures { get; }   4:     public IServiceProvider       Services { get; }   5:     6:     public WebHost(   7:         IServiceCollection     appServices,   8:         IServiceProvider       hostingServiceProvider,   9:         WebHostOptions         options,  10:         IConfiguration         config);  11:    12:     public void Dispose();  13:     public void Start();  14: }

WebHostOptions

顾名思义,一个WebHostOptions对象为构建的WebHost对象提供一些预定义的选项设置。这些选项设置很重要,它们决定由WebHost构建的管道进行内容加载以及异常处理等方面的行为。至于它具体携带着哪些选项设置,我们只需要看看这个类型具有怎样的属性成员。

1: public class WebHostOptions   2: {   3:     public string     ApplicationName { get; set; }   4:     public bool       DetailedErrors { get; set; }   5:     public bool       CaptureStartupErrors { get; set; }   6:     public string     Environment { get; set; }           7:     public string     StartupAssembly { get; set; }   8:     public string     WebRoot { get; set; }   9:     public string     ContentRootPath { get; set; }  10:    11:     public WebHostOptions()  12:     public WebHostOptions(IConfiguration configuration)   13: }

如下面的代码片段所示,WebHostOptions具有七个属性成员。这些属性都是可读可写的,我们可以调用默认无参构造函数创建一个空的WebHostOptions对象,通过手工为这些属性赋值的方式来设置对应的选项。除此之外,我们可以将这些选项设置定义在配置中,并利用对应的Configuration对象来创建一个WebHostOptions对象。 

构建管道的三个步骤

一般我们开启了作为应用宿主的WebHost,由注册的服务器和中间件构成的整个管道被构建起来,服务器开始绑定到基地址进行请求的监听。接下来我们就来着重聊聊WebHost在开启过程中都做了些什么。总的来说,WebHost的整个开启过程大体上可以分为如下三个步骤:

  • 注册服务:获取Startup对象并利用它完成服务的注册。
  • 中间件注册:利用获取的Startup对象完成中间件的注册。
  • 设置并开启服务器:获取注册到WebHostBuilder上的服务器并为之设置监听地址,最后启动服务器。

接下来我们按照这个步骤定义一个同名的类型来模式真实WebHost的实现逻辑。如下面的代码片段所示,这个模拟的WebHost和真正的WebHost的构造函数具有完全一致的参数列表,我们定义了对应的字段来保存这些参数值。除此之外,我们会创建一个ApplicationLifetime对象并将其注册到提供个ServiceCollection,在WebHost开启和关闭之后我们会利用它发送相应的通知。

1: public class WebHost : IWebHost   2: {   3:     private IServiceCollection   _appServices;   4:     private IServiceProvider     _hostingServiceProvider;   5:     private WebHostOptions       _options;   6:     private IConfiguration       _config;   7:     private ApplicationLifetime  _applicationLifetime;   8:     9:     public WebHost(IServiceCollection appServices, IServiceProvider hostingServiceProvider, WebHostOptions options, IConfiguration config)  10:     {  11:         _appServices                 = appServices;  12:         _hostingServiceProvider      = hostingServiceProvider;  13:         _options                     = options;  14:         _config                      = config;  15:         _applicationLifetime         = new ApplicationLifetime();  16:         appServices.AddSingleton<IApplicationLifetime>(_applicationLifetime);  17:     }  18:     …  19: }  20:

我们接下来看WebHost除Start方法之外的其他成员的定义。只读属性Services返回一个ServiceProvider对象,我们将在完成所有服务注册工作之后利用ServiceCollection对象创建这个对象,所以只要实现具有相关的服务注册,我们就能够利用它得到对应的服务对象。只读属性ServerFeatures返回服务器的特性集合,而服务器本身则直接利用上述这个ServiceProvider获得。当MyWebHost对象因Dispose方法的调用而被回收之后,我们会对ServiceProvider实施回收 工作。在实施回收的前后,我们利用ApplicationLifetime发送相应的信号。

1: public class WebHost : IWebHost   2: {       3:     private ApplicationLifetime _applicationLifetime;   4:     public IServiceProvider Services { get; private set; }   5:     public IFeatureCollection ServerFeatures   6:     {   7:         get { return this.Services.GetRequiredService<IServer>()?.Features; }   8:     }   9:     public void Dispose()  10:     {  11:         _applicationLifetime.StopApplication();  12:         (this.Services as IDisposable)?.Dispose();  13:         _applicationLifetime.NotifyStopped();  14:     }  15: }  16:

真正开启WebHost的实现体现在如下所示的代码片段中。我们直接利用WebHostBuilder提供ServiceProvider获取一个Startup对象,并调用其ConfigureServices方法完成服务的注册,作为参数的ServiceCollection对象也是由WebHostBuilder提供的。当所有的服务注册工作完成之后,我们利用最新的ServiceCollection对象创建一个ServiceProvider对象,并利用此对象对Services属性进行赋值。在后续管道构建过程,以及管道在处理请求过程中所使用的服务均是从这个ServiceProvider中提取的。

1: public class WebHost : IWebHost   2: {   3:     private IServiceCollection   _appServices;   4:     private IServiceProvider     _hostingServiceProvider;   5:     private WebHostOptions       _options;   6:     private IConfiguration       _config;   7:     private ApplicationLifetime  _applicationLifetime;   8:     9:     public void Start()  10:     {  11:         //注册服务  12:         IStartup startup = _hostingServiceProvider.GetRequiredService<IStartup>();  13:         this.Services = startup.ConfigureServices(_appServices);  14:              15:         //注册中间件  16:         Action<IApplicationBuilder> configure = startup.Configure;  17:         configure = this.Services.GetServices<IStartupFilter>().Reverse().Aggregate(configure, (next, current) => current.Configure(next));  18:         IApplicationBuilder appBuilder = this.Services.GetRequiredService<IApplicationBuilder>();  19:         configure(appBuilder);  20:    21:         //为服务器设置监听地址  22:         IServer server = this.Services.GetRequiredService<IServer>();  23:         IServerAddressesFeature addressesFeature = server.Features.Get<IServerAddressesFeature>();  24:         if (null != addressesFeature && !addressesFeature.Addresses.Any())  25:         {  26:             string addresses = _config["urls"] ?? "http://localhost:5000";  27:             foreach (string address in addresses.Split(';'))  28:             {  29:                 addressesFeature.Addresses.Add(address);  30:             }  31:         }  32:    33:         //启动服务器  34:         RequestDelegate application = appBuilder.Build();  35:         ILogger logger = this.Services.GetRequiredService <ILogger<MyWebHost>>();  36:         DiagnosticSource diagnosticSource = this.Services.GetRequiredService<DiagnosticSource>();  37:         IHttpContextFactory httpContextFactory = this.Services.GetRequiredService<IHttpContextFactory>();  38:         server.Start(new HostingApplication(application, logger, diagnosticSource, httpContextFactory));  39:    40:         //对外发送通知  41:         _applicationLifetime.NotifyStarted();  42:     }  43: }  44:

当服务注册结束并成功创建出ServiceProvider之后,接下来的工作就是注册中间件了。通过上面的介绍我们知道,中间件的注册既可以利用Startup来完成,也可以利用注册的StartupFilter来实现,为此我们利用最新构建的ServiceProvider获取所有注册的StartupFilter,并结合之前提取的Startup对象创建了一个用于注册中间的委托链(最终体现为一个Action<IApplicationBuilder>对象)。我们最终执行这个委托链完成了对所有中间件的注册,执行过程中作为参数的ApplicationBuilder对象同样是通过ServiceProvider提取出来的。

再此之后,我们利用ServiceProvider提取出注册在WebHostBuiler上的服务器。如果服务器的监听地址尚未指定,我们在开启服务器之前必须指定。通过前面对服务器的介绍,我们知道监听地址保存在服务器的一个名为ServerAddressesFeature的特性中,而用户设置的监听地址则保存在配置中,对应的Key为“urls”,所以我们将从配置中提取的地址列表添加到ServerAddressesFeature特性中。如果监听地址不曾配置,我们会为之指定一个默认的地址,即“http://localhost:5000”。

一切就绪的服务器通过调用Start方法开启,该方法接收一个HttpApplication对象作为参数。通过前面的介绍我们知道这个HttpApplication对象可以视为对所有注册中间件和应用的封装,服务器将接收到的请求传递给它作后续处理。我们默认创建的HttpApplication是一个HostingApplication对象,而构建过程中需要提供四个对象,它们分别是代表中间件链表的RequestDelegate对象,用于日志记录和诊断的Logger和DiagnosticSource,以及用来创建HTTP上下文的HttpContextFactory,除了第一个通过调用ApplicationBuilder的Build方法创建之外,其余的都是通过ServiceProvider提取的。在服务器被成功开启之后,我们利用ApplicationLifetime对外发送应用启动的通知。

二、WebHostBuilder

顾名思义,WebHostBuilder就是WebHost的创建者,所谓的WebHostBuilder是对所有实现了IWebHostBuilder接口的类型以及对应对象的统称。如下面的代码片段所示,IWebHostBuilder接口除了用来创建WebHost的核心方法Build之外,还具有其他一些额外的方法。

1: public interface IWebHostBuilder   2: {   3:     IWebHost Build();   4:     IWebHostBuilder ConfigureServices(Action<IServiceCollection> configureServices);    5:     IWebHostBuilder UseLoggerFactory(ILoggerFactory loggerFactory);   6:     IWebHostBuilder ConfigureLogging(Action<ILoggerFactory> configureLogging);   7:     string GetSetting(string key);   8:     IWebHostBuilder UseSetting(string key, string value);   9: }

ConfigureServices方法让我们可以直接将我们所需的服务注册到WebHostBuilder上面。ASP.NET Core具有两种注册服务的途径,一种是将服务注册实现在启动类的ConfigureServices方法中,另一种服务注册的方式就是调用这个方法。对于前者,服务实际上是在开启WebHost的时候调用Startup对象的ConfigureServices进行注册的;至于后者,注册的服务将直接提供给创建的WebHost。UseLoggerFactory 和ConfigureLogging方法与日志记录有关,前者帮助我们设置一个默认的LoggerFactory,后者则对LoggerFactory进行相关设置,最重要的设置就是添加相应的LoggerProvider。GetSetting和UseSetting以键值对的形式获取和设置一些配置。

WebHost的创建

ASP.NET Core定义了一个名为WebHostBuilder的类型作为对IWebHostBuilder接口的默认实现,我们同样采用定义模拟类型的形式来说明WebHostBuilder创建WebHost的实现原理。我们将这个模拟类型命名为,如下的代码片段展示了除Build方法之外的所有成员的定义。

1: public class WebHostBuilder : IWebHostBuilder   2: {   3:     private List<Action<ILoggerFactory>> _configureLoggingDelegates = new List<Action<ILoggerFactory>>();   4:     private List<Action<IServiceCollection>> _configureServicesDelegates = new List<Action<IServiceCollection>>();   5:     private ILoggerFactory _loggerFactory = new LoggerFactory();   6:     private IConfiguration _config = new ConfigurationBuilder().AddEnvironmentVariables("ASPNETCORE_").Build();   7:     8:     public IWebHostBuilder ConfigureLogging(Action<ILoggerFactory> configureLogging)   9:     {  10:         _configureLoggingDelegates.Add(configureLogging);  11:         return this;  12:     }  13:    14:     public IWebHostBuilder ConfigureServices(Action<IServiceCollection> configureServices)  15:     {  16:         _configureServicesDelegates.Add(configureServices);  17:         return this;  18:     }  19:    20:     public string GetSetting(string key)  21:     {  22:         return _config[key];  23:     }  24:    25:     public IWebHostBuilder UseLoggerFactory(ILoggerFactory loggerFactory)  26:     {  27:         _loggerFactory = loggerFactory;  28:         return this;  29:     }  30:    31:     public IWebHostBuilder UseSetting(string key, string value)  32:     {  33:         _config[key] = value;  34:         return this;  35:     }  36:     ...  37: }  38:

如上面的代码片段所示,我们创建了一个Configuration类型的字段(_config)来体现应用默认使用的配置,它默认采用环境变量(用于过滤环境变量的前缀为“ASPNETCORE_”)作为配置源,GetSetting和UseSetting方法操作的均为这个对象。另一个字段_loggerFactory表示默认使用的LoggerFactory,UseLoggerFactory方法指定的LoggerFactory用来对这个字段进行赋值。ConfigureLogging和ConfigureServices方法具有类似的定义,调用它们提供的委托对象都保存在一个集合之中,以待后用。

我们实现WebHostBuilder的核心方法Build来创建一个WebHost对象。通过上面的定义我们知道一个WebHostBuilder能够最终运行起来需要从ServiceProvider提供很多必需的服务,而这些服务最初都必需通过WebHostBuilder来注册,所以Build方法除了调用构造函数创建并返回一个WebHost对象之外,余下的工作就是注册这些必需的服务。我们可以简单列一列那些服务是必需的,如下所示的是一个不完全列表。

  • 用于注册服务和中间件的Startup对象。
  • 用来创建Logger的LoggerFactory对象
  • 构建中间件链表的ApplicationBuilder对象
  • 创建HTTP上下文的HttpContextFactory对象
  • 用户实现诊断功能的DiagnosticSource对象
  • 用来保存承载环境的HostingEnvironment对象

如下所示的定义在WebHostBuilder中的Build方法的定义。在这个方法中,我们按照上述这些系统服务以及用户服务(通过调用ConfigureServices方法注册的服务)的注册之后,创建并返回了一个WebHost对象。

1: public class WebHostBuilder : IWebHostBuilder   2: {   3:     private List<Action<ILoggerFactory>> _configureLoggingDelegates = new List<Action<ILoggerFactory>>();   4:     private List<Action<IServiceCollection>> _configureServicesDelegates = new List<Action<IServiceCollection>>();   5:     private ILoggerFactory _loggerFactory = new LoggerFactory();   6:     private IConfiguration _config = new ConfigurationBuilder().AddInMemoryCollection().Build();   7:     8:     public IWebHost Build()   9:     {  10:         //根据配置创建WebHostOptions  11:         WebHostOptions options = new WebHostOptions(_config);  12:    13:         //注册服务IStartup  14:         IServiceCollection services = new ServiceCollection();  15:         if (!string.IsNullOrEmpty(options.StartupAssembly))  16:         {  17:             Type startupType = StartupLoader.FindStartupType(options.StartupAssembly, options.Environment);  18:             if (typeof(IStartup).GetTypeInfo().IsAssignableFrom(startupType))  19:             {  20:                 services.AddSingleton(typeof(IStartup), startupType);  21:             }  22:             else  23:             {  24:                 services.AddSingleton<IStartup>(_ => new ConventionBasedStartup(StartupLoader.LoadMethods(_, startupType, options.Environment)));  25:             }  26:         }  27:    28:         //注册ILoggerFactory  29:         foreach (var configureLogging in _configureLoggingDelegates)  30:         {  31:             configureLogging(_loggerFactory);  32:         }  33:         services.AddSingleton<ILoggerFactory>(_loggerFactory);  34:    35:         //注册服务IApplicationBuilder,DiagnosticSource和IHttpContextFactory  36:         services  37:             .AddSingleton<IApplicationBuilder>(_ => new ApplicationBuilder(_))  38:             .AddSingleton<DiagnosticSource>(new DiagnosticListener("Microsoft.AspNetCore"))  39:             .AddSingleton<IHttpContextFactory, HttpContextFactory>()  40:             .AddOptions()  41:             .AddLogging()  42:             .AddSingleton<IHostingEnvironment, HostingEnvironment>()  43:             .AddSingleton<ObjectPoolProvider, DefaultObjectPoolProvider>();            44:                         45:         //注册用户调用ConfigureServices方法设置的服务  46:         foreach (var configureServices in _configureServicesDelegates)  47:         {  48:             configureServices(services);  49:         }  50:    51:         //创建MyWebHost  52:         return new WebHost(services, services.BuildServiceProvider(), options, _config);  53:     }    54: }  55:

虽然上面提供的WebHost和WebHostBuilder仅仅是WebHost和WebHostBuilder的模拟类。为了让读更加易于理解,我们刻意剔除了很多细节的东西,但是两者从实现原理角度来讲是完全一致的。不仅如此,我们自定义的这两个类型甚至可以执行运行的。

几个常用的扩展方法

WebHostBuilder在内部使用了配置,环境变量是默认采用的配置源,它的两个方法GetSetting和UseSetting以键值对的形式实现对配置项的获取和设置。除了UseSettings方法之外,我们还可以调用WebHostBuilder如下这个扩展方法UseConfiguration来进行配置项的设置,这个方法会将保存在指定Configuration中的配置原封不动地拷贝过来,它最终调用的依旧是UseSettings方法。

1: public static class HostingAbstractionsWebHostBuilderExtensions   2: {   3:     public static IWebHostBuilder UseConfiguration(this IWebHostBuilder hostBuilder, IConfiguration configuration);   4: }

WebHostBuilder在创建WebHost的时候需要提供一个WebHostOptions对象,该对象最初是根据当前配置创建的。为了方便设置针对WebHostOptions的配置项,ASP.NET Core为我们定义了如下一系列的扩展方法,这些方法最终调用的也是这个UseSettings方法。

1: public static class HostingAbstractionsWebHostBuilderExtensions   2: {   3:     public static IWebHostBuilder CaptureStartupErrors(this IWebHostBuilder hostBuilder, bool captureStartupErrors);   4:     public static IWebHostBuilder UseContentRoot(this IWebHostBuilder hostBuilder, string contentRoot);   5:     public static IWebHostBuilder UseEnvironment(this IWebHostBuilder hostBuilder, string environment);   6:     public static IWebHostBuilder UseStartup(this IWebHostBuilder hostBuilder, string startupAssemblyName);   7:     public static IWebHostBuilder UseWebRoot(this IWebHostBuilder hostBuilder, string webRoot);   8:     public static IWebHostBuilder UseUrls(this IWebHostBuilder hostBuilder, params string[] urls);   9: }  10:

虽然服务器是必需的,但是WebHostBuilder并没有专门定义一个用于注册服务的方法,这是因为服务器也是作为一项基本的服务进行注册的。但是我们可以调用如下一个扩展方法UseServer实现针对服务器的注册,至于另一个扩展方法UseUrls,我们可以调用它来为注册的服务器设置监听地址。

1: public static class HostingAbstractionsWebHostBuilderExtensions   2: {   3:     public static IWebHostBuilder UseServer(this IWebHostBuilder hostBuilder, IServer server);   4:     public static IWebHostBuilder UseUrls(this IWebHostBuilder hostBuilder, params string[] urls);   5: }

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