【.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。

1. /*
2. * 入参1 string：代表HttpContext
3. * 入参2 Func<Task>：下一个中间件的方法
4. * 结果返回 Task：避免线程阻塞
5. * **/
6. Func<string, Func<Task>, Task> middleware = async (context, next) =>
7. {
8.     Console.WriteLine($"Before middleware: {context}");
10.     await next(); // 调用下一个中间件
12.     Console.WriteLine($"After middleware: {context}");
13. };

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1. Func<Task> finalMiddleware = () =>
2. {
3.     // 最后一个中间件的逻辑
4.     Console.WriteLine("Final middleware");
5.     return Task.CompletedTask;
6. };

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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。

1. public delegate Task RequestDelegate(HttpContext context);

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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。

1. public class MiddlewarePipeline
2. {
3.     private readonly List<Func<RequestDelegate, RequestDelegate>> _middlewares =
4.         new List<Func<RequestDelegate, RequestDelegate>>();
6.     public void Use(Func<RequestDelegate, RequestDelegate> middleware)
7.     {
8.         _middlewares.Add(middleware);
9.     }
11.     public RequestDelegate Build()
12.     {
13.         RequestDelegate next = context => Task.CompletedTask;
14.         
15.         for (int i = _middlewares.Count - 1; i >= 0; i--)
16.         {
17.             next = _middlewares[i](next);
18.         }
20.         return next;
21.     }
22. }

复制代码

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：

1. using System.Globalization;
3. var builder = WebApplication.CreateBuilder(args);
4. var app = builder.Build();
6. app.UseHttpsRedirection();
8. app.Use(async (context, next) =>
9. {
10.     var cultureQuery = context.Request.Query["culture"];
11.     if (!string.IsNullOrWhiteSpace(cultureQuery))
12.     {
13.         var culture = new CultureInfo(cultureQuery);
15.         CultureInfo.CurrentCulture = culture;
16.         CultureInfo.CurrentUICulture = culture;
17.     }
19.     // Call the next delegate/middleware in the pipeline.
20.     await next(context);
21. });
23. app.Run(async (context) =>
24. {
25.     await context.Response.WriteAsync(
26.         $"CurrentCulture.DisplayName: {CultureInfo.CurrentCulture.DisplayName}");
27. });
29. app.Run();

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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。
    
  
  

1. using System.Globalization;
3. namespace Middleware.Example;
5. public class RequestCultureMiddleware
6. {
7.     private readonly RequestDelegate _next;
9.     public RequestCultureMiddleware(RequestDelegate next)
10.     {
11.         _next = next;
12.     }
14.     public async Task InvokeAsync(HttpContext context)
15.     {
16.         var cultureQuery = context.Request.Query["culture"];
17.         if (!string.IsNullOrWhiteSpace(cultureQuery))
18.         {
19.             var culture = new CultureInfo(cultureQuery);
21.             CultureInfo.CurrentCulture = culture;
22.             CultureInfo.CurrentUICulture = culture;
23.         }
25.         // Call the next delegate/middleware in the pipeline.
26.         await _next(context);
27.     }
28. }
30. // 封装扩展方法
31. public static class RequestCultureMiddlewareExtensions
32. {
33.     public static IApplicationBuilder UseRequestCulture(
34.         this IApplicationBuilder builder)
35.     {
36.         return builder.UseMiddleware<RequestCultureMiddleware>();
37.     }
38. }

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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：

1. // 自定义中间件类实现 IMiddleware 接口
2. public class CustomMiddleware : IMiddleware
3. {
4.     public async Task InvokeAsync(HttpContext context, RequestDelegate next)
5.     {
6.         // 中间件逻辑
7.         await next(context);
8.     }
9. }
11. // 自定义中间件工厂类实现 IMiddlewareFactory 接口
12. public class CustomMiddlewareFactory : IMiddlewareFactory
13. {
14.     public IMiddleware Create(IServiceProvider serviceProvider)
15.     {
16.         // 在这里可以进行一些初始化操作，如依赖注入等
17.         return new CustomMiddleware();
18.     }
19. }
21. // 在 Startup.cs 中使用中间件工厂模式添加中间件
22. public void Configure(IApplicationBuilder app)
23. {
24.     app.UseMiddleware<CustomMiddlewareFactory>();
25. }

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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。

1. // 在Program.cs文件中调用
2. var builder = WebApplication.CreateBuilder(args);

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CreateBuilder方法返回了WebApplicationBuilder实例

1. public static WebApplicationBuilder CreateBuilder(string[] args) =>
2.     new WebApplicationBuilder(new WebApplicationOptions(){ Args = args });

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在 WebApplicationBuilder 的构造函数中，将配置并注册中间件

1. internal WebApplicationBuilder(WebApplicationOptions options, Action<IHostBuilder>? configureDefaults = null)
2. {
3.     // 创建BootstrapHostBuilder实例
4.     var bootstrapHostBuilder = new BootstrapHostBuilder(_hostApplicationBuilder);
6.     // bootstrapHostBuilder 上调用 ConfigureWebHostDefaults 方法，以进行特定于 Web 主机的配置
7.     bootstrapHostBuilder.ConfigureWebHostDefaults(webHostBuilder =>
8.     {
9.         // 配置应用程序包含了中间件的注册过程和一系列的配置
10.         webHostBuilder.Configure(ConfigureApplication);
11.     });
13.     var webHostContext = (WebHostBuilderContext)bootstrapHostBuilder.Properties[typeof(WebHostBuilderContext)];
14.     Environment = webHostContext.HostingEnvironment;
16.     Host = new ConfigureHostBuilder(bootstrapHostBuilder.Context, Configuration, Services);
17.     WebHost = new ConfigureWebHostBuilder(webHostContext, Configuration, Services);
18. }

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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。

1. private void ConfigureApplication(WebHostBuilderContext context, IApplicationBuilder app)
2. {
3.     Debug.Assert(_builtApplication is not null);
5.     // 在 WebApplication 之前调用 UseRouting，例如在 StartupFilter 中，
6.     // 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
7.     if (app.Properties.TryGetValue(EndpointRouteBuilderKey, out var priorRouteBuilder))
8.     {
9.         app.Properties.Remove(EndpointRouteBuilderKey);
10.     }
12.     // ...
14.     // 将源管道连接到目标管道
15.     var wireSourcePipeline = new WireSourcePipeline(_builtApplication);
16.     app.Use(wireSourcePipeline.CreateMiddleware);
18.     // ..
20.     // 将属性复制到目标应用程序构建器
21.     foreach (var item in _builtApplication.Properties)
22.     {
23.         app.Properties[item.Key] = item.Value;
24.     }
26.     // 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
27.     app.Properties.Remove(WebApplication.GlobalEndpointRouteBuilderKey);
29.     // 如果之前存在路由构建器，则重置它，这对于 StartupFilters 是必要的
30.     if (priorRouteBuilder is not null)
31.     {
32.         app.Properties[EndpointRouteBuilderKey] = priorRouteBuilder;
33.     }
34. }

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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

1. private sealed class WireSourcePipeline(IApplicationBuilder builtApplication)
2. {
3.     private readonly IApplicationBuilder _builtApplication = builtApplication;
5.     public RequestDelegate CreateMiddleware(RequestDelegate next)
6.     {
7.         _builtApplication.Run(next);
8.         return _builtApplication.Build();
9.     }
10. }

复制代码

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。

1. // Program调用Run
2. app.Run();
4. // 实现Run();
5. public void Run([StringSyntax(StringSyntaxAttribute.Uri)] string? url = null)
6. {
7.     Listen(url);
8.     HostingAbstractionsHostExtensions.Run(this);
9. }
11. // 实现HostingAbstractionsHostExtensions.Run(this);
12. public static async Task RunAsync(this IHost host, CancellationToken token = default)
13. {
14.     try
15.     {
16.         await host.StartAsync(token).ConfigureAwait(false);
18.         await host.WaitForShutdownAsync(token).ConfigureAwait(false);
19.     }
20.     finally
21.     {
22.         if (host is IAsyncDisposable asyncDisposable)
23.         {
24.             await asyncDisposable.DisposeAsync().ConfigureAwait(false);
25.         }
26.         else
27.         {
28.             host.Dispose();
29.         }
30.     }
31. }

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将中间件和StartupFilters扩展传入HostingApplication主机，并进行启动

1. public async Task StartAsync(CancellationToken cancellationToken)
2. {
3.     // ...省略了从配置中获取服务器监听地址和端口...
5.     // 通过配置构建中间件管道
6.     RequestDelegate? application = null;
7.     try
8.     {
9.         IApplicationBuilder builder = ApplicationBuilderFactory.CreateBuilder(Server.Features);
11.         foreach (var filter in StartupFilters.Reverse())
12.         {
13.             configure = filter.Configure(configure);
14.         }
15.         configure(builder);
16.         // Build the request pipeline
17.         application = builder.Build();
18.     }
19.     catch (Exception ex)
20.     {
21.         Logger.ApplicationError(ex);
22.     }
24.     /*
25.      * application:中间件
26.      * DiagnosticListener:事件监听器
27.      * HttpContextFactory：HttpContext对象的工厂
28.      */
29.     HostingApplication httpApplication = new HostingApplication(application, Logger, DiagnosticListener, ActivitySource, Propagator, HttpContextFactory, HostingEventSource.Log, HostingMetrics);
31.     await Server.StartAsync(httpApplication, cancellationToken);
33. }

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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。

1. public RequestDelegate Build()
2. {
3.     // 构建一个 RequestDelegate 委托，代表请求的处理逻辑
4.     RequestDelegate app = context =>
5.     {
6.         var endpoint = context.GetEndpoint();
7.         var endpointRequestDelegate = endpoint?.RequestDelegate;
8.         if (endpointRequestDelegate != null)
9.         {
10.             throw new InvalidOperationException(message);
11.         }
13.         return Task.CompletedTask;
14.     };
16.     // 逐步构建了包含所有中间件的管道
17.     for (var c = _components.Count - 1; c >= 0; c--)
18.     {
19.         app = _components[c](app);
20.     }
22.     return app;
23. }

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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）。
  

1. public partial class ApplicationBuilder : IApplicationBuilder
2.   {
3.       private readonly List<Func<RequestDelegate, RequestDelegate>> _components = new();
4.       private readonly List<string>? _descriptions;
6.       /// <summary>
7.       /// Adds the middleware to the application request pipeline.
8.       /// </summary>
9.       /// <param name="middleware">The middleware.</param>
10.       /// <returns>An instance of <see cref="IApplicationBuilder"/> after the operation has completed.</returns>
11.       public IApplicationBuilder Use(Func<RequestDelegate, RequestDelegate> middleware)
12.       {
13.           _components.Add(middleware);
14.           _descriptions?.Add(CreateMiddlewareDescription(middleware));
16.           return this;
17.       }
19.       private static string CreateMiddlewareDescription(Func<RequestDelegate, RequestDelegate> middleware)
20.       {
21.           if (middleware.Target != null)
22.           {
23.               // To IApplicationBuilder, middleware is just a func. Getting a good description is hard.
24.               // Inspect the incoming func and attempt to resolve it back to a middleware type if possible.
25.               // UseMiddlewareExtensions adds middleware via a method with the name CreateMiddleware.
26.               // If this pattern is matched, then ToString on the target returns the middleware type name.
27.               if (middleware.Method.Name == "CreateMiddleware")
28.               {
29.                   return middleware.Target.ToString()!;
30.               }
32.               return middleware.Target.GetType().FullName + "." + middleware.Method.Name;
33.           }
35.           return middleware.Method.Name.ToString();
36.       }
38.       /// <summary>
39.       /// Produces a <see cref="RequestDelegate"/> that executes added middlewares.
40.       /// </summary>
41.       /// <returns>The <see cref="RequestDelegate"/>.</returns>
42.       public RequestDelegate Build()
43.       {
44.           RequestDelegate app = context =>
45.           {
46.               // If we reach the end of the pipeline, but we have an endpoint, then something unexpected has happened.
47.               // This could happen if user code sets an endpoint, but they forgot to add the UseEndpoint middleware.
48.               var endpoint = context.GetEndpoint();
49.               var endpointRequestDelegate = endpoint?.RequestDelegate;
50.               if (endpointRequestDelegate != null)
51.               {
52.                   var message =
53.                       $"The request reached the end of the pipeline without executing the endpoint: '{endpoint!.DisplayName}'. " +
54.                       $"Please register the EndpointMiddleware using '{nameof(IApplicationBuilder)}.UseEndpoints(...)' if using " +
55.                       $"routing.";
56.                   throw new InvalidOperationException(message);
57.               }
59.               // Flushing the response and calling through to the next middleware in the pipeline is
60.               // a user error, but don't attempt to set the status code if this happens. It leads to a confusing
61.               // behavior where the client response looks fine, but the server side logic results in an exception.
62.               if (!context.Response.HasStarted)
63.               {
64.                   context.Response.StatusCode = StatusCodes.Status404NotFound;
65.               }
67.               // Communicates to higher layers that the request wasn't handled by the app pipeline.
68.               context.Items[RequestUnhandledKey] = true;
70.               return Task.CompletedTask;
71.           };
73.           for (var c = _components.Count - 1; c >= 0; c--)
74.           {
75.               app = _components[c](app);
76.           }
78.           return app;
79.       }
81.   }

复制代码

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。

1. // Execute the request
2. public Task ProcessRequestAsync(Context context)
3. {
4.     return _application(context.HttpContext!);
5. }

复制代码

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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