和所有的服务器一样,KestrelServer最终需要解决的是网络传输的问题。在《网络连接的创建》,我们介绍了KestrelServer如何利用连接接听器的建立网络连接,并再次基础上演示了如何直接利用建立的连接接收请求和回复响应。本篇更进一步,我们根据其总体设计,定义了迷你版的KestrelServer让读者看看这个重要的服务器大体是如何实现的。本文提供的示例演示已经同步到《ASP.NET Core 6框架揭秘-实例演示版》)

一、ConnectionDelegate

二、IConnectionBuilder

三、HTTP 1.x/HTTP 2.x V.S. HTTP 3

四、MiniKestrelServer

一、ConnectionDelegate

ASP.NET CORE在“应用”层将针对请求的处理抽象成由中间件构建的管道,实际上KestrelServer面向“传输”层的连接也采用了这样的设计。当代表连接的ConnectionContext上下文创建出来之后,后续的处理将交给由连接中间件构建的管道进行处理。我们可以根据需要注册任意的中间件来处理连接,比如可以将并发连结的控制实现在专门的连接中间件中。ASP.NET CORE管道利用RequestDelegate委托来表示请求处理器,连接管道同样定义了如下这个ConnectionDelegate委托。

  1. public delegate Task ConnectionDelegate(ConnectionContext connection);

二、IConnectionBuilder

ASP.NET CORE管道中的中间件体现为一个Func<RequestDelegate, RequestDelegate>委托,连接管道的中间件同样可以利用Func<ConnectionDelegate, ConnectionDelegate>委托来表示。ASP.NET CORE管道中的中间件注册到IApplicationBuilder对象上并利用它将管道构建出来。连接管道依然具有如下这个IConnectionBuilder接口,ConnectionBuilder实现了该接口。

  1. public interface IConnectionBuilder
  2. {
  3. IServiceProvider ApplicationServices { get; }
  4. IConnectionBuilder Use(Func<ConnectionDelegate, ConnectionDelegate> middleware);
  5. ConnectionDelegate Build();
  6. }
  7.  
  8. public class ConnectionBuilder : IConnectionBuilder
  9. {
  10. public IServiceProvider ApplicationServices { get; }
  11. public ConnectionDelegate Build();
  12. public IConnectionBuilder Use(Func<ConnectionDelegate, ConnectionDelegate> middleware);
  13. }

IConnectionBuilder接口还定义了如下三个扩展方法来注册连接中间件。第一个Use方法使用Func<ConnectionContext, Func<Task>, Task>委托来表示中间件。其余两个方法用来注册管道末端的中间件,这样的中间件本质上就是一个ConnectionDelegate委托,我们可以将其定义成一个派生于ConnectionHandler的类型。

  1. public static class ConnectionBuilderExtensions
  2. {
  3. public static IConnectionBuilder Use(this IConnectionBuilder connectionBuilder,Func<ConnectionContext, Func<Task>, Task> middleware);
  4. public static IConnectionBuilder Run(this IConnectionBuilder connectionBuilder,Func<ConnectionContext, Task> middleware);
  5. public static IConnectionBuilder UseConnectionHandler<TConnectionHandler>(this IConnectionBuilder connectionBuilder) where TConnectionHandler : ConnectionHandler;
  6. }
  7.  
  8. public abstract class ConnectionHandler
  9. {
  10. public abstract Task OnConnectedAsync(ConnectionContext connection);
  11. }

三、HTTP 1.x/HTTP 2.x V.S. HTTP 3

KestrelServer针对HTTP 1.X/2和HTTP 3的设计和实现基本上独立的,这一点从监听器的定义就可以看出来。就连接管道来说,基于HTTP 3的多路复用连接通过MultiplexedConnectionContext表示,它也具有“配套”的MultiplexedConnectionDelegate委托和IMultiplexedConnectionBuilder接口。ListenOptions类型同时实现了IConnectionBuilder和IMultiplexedConnectionBuilder接口,意味着我们在注册终结点的时候还可以注册任意中间件。

  1. public delegate Task MultiplexedConnectionDelegate(MultiplexedConnectionContext connection);
  2.  
  3. public interface IMultiplexedConnectionBuilder
  4. {
  5. IServiceProvider ApplicationServices { get; }
  6. IMultiplexedConnectionBuilder Use(Func<MultiplexedConnectionDelegate, MultiplexedConnectionDelegate> middleware);
  7. MultiplexedConnectionDelegate Build();
  8. }
  9.  
  10. public class MultiplexedConnectionBuilder : IMultiplexedConnectionBuilder
  11. {
  12. public IServiceProvider ApplicationServices { get; }
  13. public IMultiplexedConnectionBuilder Use(Func<MultiplexedConnectionDelegate, MultiplexedConnectionDelegate> middleware);
  14. public MultiplexedConnectionDelegate Build();
  15. }
  16.  
  17. public class ListenOptions : IConnectionBuilder, IMultiplexedConnectionBuilder

四、MiniKestrelServer

在了解了KestrelServer的连接管道后,我们来简单模拟一下这种服务器类型的实现,为此我们定义了一个名为MiniKestrelServer的服务器类型。简单起见,MiniKestrelServer只提供针对HTTP 1.1的支持。对于任何一个服务来说,它需要将请求交付给一个IHttpApplication<TContext>对象进行处理,MiniKestrelServer将这项工作实现在如下这个HostedApplication<TContext>类型中。

  1. public class HostedApplication<TContext> : ConnectionHandler where TContext : notnull
  2. {
  3. private readonly IHttpApplication<TContext> _application;
  4. public HostedApplication(IHttpApplication<TContext> application) => _application = application;
  5.  
  6. public override async Task OnConnectedAsync(ConnectionContext connection)
  7. {
  8. var reader = connection!.Transport.Input;
  9. while (true)
  10. {
  11. var result = await reader.ReadAsync();
  12. using (var body = new MemoryStream())
  13. {
  14. var (features, request, response) = CreateFeatures(result, body);
  15. var closeConnection = request.Headers.TryGetValue("Connection", out var vallue) && vallue == "Close";
  16. reader.AdvanceTo(result.Buffer.End);
  17.  
  18. var context = _application.CreateContext(features);
  19. Exception? exception = null;
  20. try
  21. {
  22. await _application.ProcessRequestAsync(context);
  23. await ApplyResponseAsync(connection, response, body);
  24. }
  25. catch (Exception ex)
  26. {
  27. exception = ex;
  28. }
  29. finally
  30. {
  31. _application.DisposeContext(context, exception);
  32. }
  33. if (closeConnection)
  34. {
  35. await connection.DisposeAsync();
  36. return;
  37. }
  38. }
  39. if (result.IsCompleted)
  40. {
  41. break;
  42. }
  43. }
  44.  
  45. static (IFeatureCollection, IHttpRequestFeature, IHttpResponseFeature) CreateFeatures(ReadResult result, Stream body)
  46. {
  47. var handler = new HttpParserHandler();
  48. var parserHandler = new HttpParser(handler);
  49. var length = (int)result.Buffer.Length;
  50. var array = ArrayPool<byte>.Shared.Rent(length);
  51. try
  52. {
  53. result.Buffer.CopyTo(array);
  54. parserHandler.Execute(new ArraySegment<byte>(array, 0, length));
  55. }
  56. finally
  57. {
  58. ArrayPool<byte>.Shared.Return(array);
  59. }
  60. var bodyFeature = new StreamBodyFeature(body);
  61.  
  62. var features = new FeatureCollection();
  63. var responseFeature = new HttpResponseFeature();
  64. features.Set<IHttpRequestFeature>(handler.Request);
  65. features.Set<IHttpResponseFeature>(responseFeature);
  66. features.Set<IHttpResponseBodyFeature>(bodyFeature);
  67.  
  68. return (features, handler.Request, responseFeature);
  69. }
  70.  
  71. static async Task ApplyResponseAsync(ConnectionContext connection, IHttpResponseFeature response, Stream body)
  72. {
  73. var builder = new StringBuilder();
  74. builder.AppendLine($"HTTP/1.1 {response.StatusCode} {response.ReasonPhrase}");
  75. foreach (var kv in response.Headers)
  76. {
  77. builder.AppendLine($"{kv.Key}: {kv.Value}");
  78. }
  79. builder.AppendLine($"Content-Length: {body.Length}");
  80. builder.AppendLine();
  81. var bytes = Encoding.UTF8.GetBytes(builder.ToString());
  82.  
  83. var writer = connection.Transport.Output;
  84. await writer.WriteAsync(bytes);
  85. body.Position = 0;
  86. await body.CopyToAsync(writer);
  87. }
  88. }
  89. }

HostedApplication<TContext>是对一个IHttpApplication<TContext>对象的封装。它派生于抽象类ConnectionHandler,重写的OnConnectedAsync方法将针对请求的读取和处理置于一个无限循环中。为了将读取的请求转交给IHostedApplication<TContext>对象进行处理,它需要根据特性集合将TContext上下文创建出来。这里提供的特性集合只包含三种核心的特性,一个是描述请求的HttpRequestFeature特性,它是利用HttpParser解析请求荷载内容得到的。另一个是描述响应的HttpResponseFeature特性,至于提供响应主体的特性由如下所示的StreamBodyFeature对象来表示。这三个特性的创建实现在CreateFeatures方法中。

  1. public class StreamBodyFeature : IHttpResponseBodyFeature
  2. {
  3. public Stream Stream { get; }
  4. public PipeWriter Writer { get; }
  5.  
  6. public StreamBodyFeature(Stream stream)
  7. {
  8. Stream = stream;
  9. Writer = PipeWriter.Create(Stream);
  10. }
  11.  
  12. public Task CompleteAsync() => Task.CompletedTask;
  13. public void DisableBuffering() { }
  14. public Task SendFileAsync(string path, long offset, long? count,
  15. CancellationToken cancellationToken = default)=> throw new NotImplementedException();
  16. public Task StartAsync(CancellationToken cancellationToken = default) => Task.CompletedTask;
  17. }

包含三大特性的集合随后作为参数调用了IHostedApplication<TContext>对象的CreateContext方法将TContext上下文创建出来,此上下文作为参数传入了同一对象的ProcessRequestAsync方法,此时中间件管道接管请求。待中间件管道完成处理后, ApplyResponseAsync方法被调用以完成最终的响应工作。ApplyResponseAsync方法将响应状态从HttpResponseFeature特性中提取并生成首行响应内容(“HTTP/1.1 {StatusCode} {ReasonPhrase}”),然后再从这个特性中将响应报头提取出来并生成相应的文本。响应报文的首行内容和报头文本按照UTF-8编码生成二进制数组后利用ConnectionContext上下文的Transport属性返回的IDuplexPipe对象发送出去后,它再将StreamBodyFeature特性收集到的响应主体输出流“拷贝”到这个IDuplexPipe对象中,进而完成了针对响应主体内容的输出。

如下所示的是MiniKestrelServer类型的完整定义。该类型的构造函数中注入了用于提供配置选项的IOptions<KestrelServerOptions>特性和IConnectionListenerFactory工厂,并且创建了一个ServerAddressesFeature对象并注册到Features属性返回的特性集合中。

  1. public class MiniKestrelServer : IServer
  2. {
  3. private readonly KestrelServerOptions _options;
  4. private readonly IConnectionListenerFactory _factory;
  5. private readonly List<IConnectionListener> _listeners = new();
  6.  
  7. public IFeatureCollection Features { get; } = new FeatureCollection();
  8.  
  9. public MiniKestrelServer(IOptions<KestrelServerOptions> optionsAccessor, IConnectionListenerFactory factory)
  10. {
  11. _factory = factory;
  12. _options = optionsAccessor.Value;
  13. Features.Set<IServerAddressesFeature>(new ServerAddressesFeature());
  14. }
  15.  
  16. public void Dispose() => StopAsync(CancellationToken.None).GetAwaiter().GetResult();
  17. public Task StartAsync<TContext>(IHttpApplication<TContext> application, CancellationToken cancellationToken) where TContext : notnull
  18. {
  19. var feature = Features.Get<IServerAddressesFeature>()!;
  20. IEnumerable<ListenOptions> listenOptions;
  21. if (feature.PreferHostingUrls)
  22. {
  23. listenOptions = BuildListenOptions(feature);
  24. }
  25. else
  26. {
  27. listenOptions = _options.GetListenOptions();
  28. if (!listenOptions.Any())
  29. {
  30. listenOptions = BuildListenOptions(feature);
  31. }
  32. }
  33.  
  34. foreach (var options in listenOptions)
  35. {
  36. _ = StartAsync(options);
  37. }
  38. return Task.CompletedTask;
  39.  
  40. async Task StartAsync(ListenOptions litenOptions)
  41. {
  42. var listener = await _factory.BindAsync(litenOptions.EndPoint,cancellationToken);
  43. _listeners.Add(listener!);
  44. var hostedApplication = new HostedApplication<TContext>(application);
  45. var pipeline = litenOptions.Use(next => context => hostedApplication.OnConnectedAsync(context)).Build();
  46. while (true)
  47. {
  48. var connection = await listener.AcceptAsync();
  49. if (connection != null)
  50. {
  51. _ = pipeline(connection);
  52. }
  53. }
  54. }
  55.  
  56. IEnumerable<ListenOptions> BuildListenOptions(IServerAddressesFeature feature)
  57. {
  58. var options = new KestrelServerOptions();
  59. foreach (var address in feature.Addresses)
  60. {
  61. var url = new Uri(address);
  62. if (string.Compare("localhost", url.Host, true) == 0)
  63. {
  64. options.ListenLocalhost(url.Port);
  65. }
  66. else
  67. {
  68. options.Listen(IPAddress.Parse(url.Host), url.Port);
  69. }
  70.  
  71. }
  72. return options.GetListenOptions();
  73. }
  74. }
  75.  
  76. public Task StopAsync(CancellationToken cancellationToken) => Task.WhenAll(_listeners.Select(it => it.DisposeAsync().AsTask()));
  77. }

如上所示的演示程序将替换了针对IServer的服务注册,意味着默认的KestrelServer将被替换成自定义的MiniKestrelServer。启动该程序后,由浏览器发送的HTTP请求(不支持HTTPS)同样会被正常处理,并得到如图18-6所示的响应内容。需要强调一下,MiniKestrelServer仅仅用来模拟KestrelServer的实现原理,不要觉得真实的实现会如此简单。


图1 由MiniKestrelServer回复的响应内容

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