【.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[i](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[typeof(WebHostBuilderContext)];
    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.Key] = 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[EndpointRouteBuilderKey] = 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([StringSyntax(StringSyntaxAttribute.Uri)] 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[c](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[RequestUnhandledKey] = true;

              return Task.CompletedTask;
          };

          for (var c = _components.Count - 1; c >= 0; c--)
          {
              app = _components[c](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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