ASP.NET 2.0 异步页面原理浅析 [1]

 
      与 ASP.NET 1.0 相比，ASP.NET 2.0 的各方面改进可以说是非常巨大的。但就其实现层面来说，最大的增强莫过于提供了对异步页面的支持。通过此机制，编写良好的页面可以将数据库、WebService 调用等慢速操作，对网站吞吐能力的影响降到最低，并极大的改善网站的平均页面响应速度。本文将从使用和实现两个层面，简单的剖析这一强大机制的原理，以便读者能够更好的应用这一机制。
      对一个网页请求的生命周期来说，首先是 Web 服务器收到客户端 HTTP 请求，将请求转交给 ASP.NET 引擎；引擎将以流水线方式调用合适的 Web 应用程序和最终的页面进行处理；页面会根据请求内容，执行某些后台操作，如访问数据库、调用远程 WebService 等等；最终将结果以某种可视化形式，展示到最终用户的浏览器中。
      而为了提高响应速度和吞吐量，现代的 Web 服务器往往会将 Web 应用程序和页面，放在一个缓冲池中备用，避免每次处理请求时重建环境。而请求到来时，Web 服务器会从一个系统线程池中获取临时线程，调用从 Web 应用程序和页面缓冲池中获取的处理实例，完成对请求的处理，并最终返回处理的结果。
      咋一看这种机制非常完美，能够最大限度的重用系统资源，但实际上其中存在着很大的优化余地。

      我们可以将一个页面请求的处理过程进一步细化为下面步骤：

      1.Web 服务器接受请求并由引擎转发请求
      2.页面处理请求，访问数据库、调用远程 WebService 等
      3.页面将处理结果，以某种形式展现，如 HTML 表格等
      4.Web 服务器将结果返回给最终客户的浏览器

      其中第一步涉及到核心态网络驱动，需要频繁切换回用户态，以将请求转交给处理引擎。这里涉及到大量的核心态和用户态切换。为减少这个负担，IIS 6 开始提供了 http.sys 在核心态直接对大多数请求进行处理。这是 MS 在中间件一级就已经替我们做好的优化，我们无需也无法关心。

      而另外一个潜在的优化点就是异步页面的目标：增强页面处理请求的并发性。
      Web 服务器在从线程池获取临时线程后，在线程中调用页面相关代码处理请求。而这里的请求处理过程往往涉及到较为缓慢的操作，例如访问数据库、调用远程 WebService 等。如果数据库是在本机的话还好，系统 CPU 时间只是从处理线程移交到后台数据库线程；而一旦处理运算逻辑在远程，例如访问外部独立数据库，或调用 WebService 完成某种操作，此时此线程就只能无谓的等待操作结束。而作为 Web 服务器处理客户端请求的线程池，其最大容纳线程的数量肯定是有限的。（虽然大多数情况下这个上限值可以修改，例如 ASP.NET 中可以通过修改 machine.config 的 processModel 标签调整最大数量，缺省25）。一旦超过此数量的请求正在并行执行，或者说正在等待后台慢速的操作，此时新来的请求就会因为处理请求线程池中无可用线程，出现虽然 CPU 负荷非常低，但仍出现 “503 服务器不可用” 类似的错误，从而事实上造成对应用的 DoS（拒绝服务）攻击。即使此上限设置很大，也会因为大量等待操作，降低其它本可以快速的页面的响应速度。

      要处理这种情况，虽然可以通过继续增大请求处理线程池最大容量缓解，但总是治标不治本。更好的方法就是将请求处理和页面处理分离，避免慢速页面处理占用快速请求处理的时间。页面在接受到引擎的处理页面请求后，通过调用异步方法来试图完成实际页面处理，处理结果从单独线程池获取线程进行监控，而发送页面请求的请求处理线程将被直接释放，以便继续处理其它的页面请求。这也就是 ASP.NET 异步页面的基本思路。实际上这个思路在 ASP.NET 1.1 时就已经提出，Fritz Onion 曾于 2003 年在 MSDN 杂志发表过一篇文章详细讨论这个问题，并给出了一个简单的解决方案。

      Use Threads and Build Asynchronous Handlers in Your Server-Side Web Code

      文中提供的实现，很好的对此问题进行原理上的验证。但从实现角度较为繁琐，需要自行处理 IAsyncResult 接口以及自定义线程池，而且缺少对 HTTP 上下文以及超时等的处理。

      好在 ASP.NET 2.0 对此问题提供了内建的支持，Jeff Prosise 在 MSDN 杂志的文章中详细的讨论了其实现思路和使用方法。

      Asynchronous Pages in ASP.NET 2.0

      从使用角度来说，异步页面的支持非常透明。使用者只需要在页面定义的 Page 标签中指定异步模式，例如：

<%@ Page Async="true" ... %>

      然后就可以在 Page 的实现代码中，通过 Page 类型的 AddOnPreRenderCompleteAsync 或 PageAsyncTask 方法，提交异步的页面处理代码。ASP.NET 引擎会根据页面的异步模式设定，调用合适的页面处理开始和结束方法。

      对大多数简单的异步处理情况，可以直接调用 AddOnPreRenderCompleteAsync 方法，提交页面请求开始和结束时的处理代码，例如上述文章中给出的一个内部处理 HTTP 页面请求的例子：

 1// AsyncPage.aspx.cs
 2using System;
 3using System.Web;
 4using System.Web.UI;
 5using System.Web.UI.WebControls;
 6using System.Net;
 7using System.IO;
 8using System.Text;
 9using System.Text.RegularExpressions;
10
11public partial class AsyncPage : System.Web.UI.Page
12{
13    private WebRequest _request;
14
15    void Page_Load (object sender, EventArgs e)
16    {
17        AddOnPreRenderCompleteAsync (
18            new BeginEventHandler(BeginAsyncOperation),
19            new EndEventHandler (EndAsyncOperation)
20        );
21    }
22
23    IAsyncResult BeginAsyncOperation (object sender, EventArgs e, 
24        AsyncCallback cb, object state)
25    {
26        _request = WebRequest.Create("http://msdn.microsoft.com");
27        return _request.BeginGetResponse (cb, state);
28    }
29    void EndAsyncOperation (IAsyncResult ar)
30    {
31        string text;
32        using (WebResponse response = _request.EndGetResponse(ar))
33        {
34            using (StreamReader reader = 
35                new StreamReader(response.GetResponseStream()))
36            {
37                text = reader.ReadToEnd();
38            }
39        }
40
41        Regex regex = new Regex ("href\s*=\s*"([^"]*)"", 
42            RegexOptions.IgnoreCase);
43        MatchCollection matches = regex.Matches(text);
44
45        StringBuilder builder = new StringBuilder(1024);
46        foreach (Match match in matches)
47        {
48            builder.Append (match.Groups[1]);
49            builder.Append("<br/>");
50        }
51
52        Output.Text = builder.ToString ();
53    }
54}

      AsyncPage 页面的 OnLoad 事件中提交异步处理方法；ASP.NET 引擎会在页面加载完成后，调用 BeginAsyncOperation 方法启动异步方法。这里的异步请求是打开一个远程 Web 页面，而大多数诸如数据库、WebService 调用等等，都提供了类似的异步调用版本。页面处理开始方法会返回异步调用请求的 IAsyncResult 封装，通过此接口检测处理的完成情况。而在 BeginAsyncOperation 方法返回之后，处理连接请求的线程将回到线程池，用来处理后续的连接请求。直到实际的异步处理操作完成，例如 Web 页面被取回，引擎才会从独立线程池中获取临时线程，调用 EndAsyncOperation 方法完成后续的操作。
      其实际的处理流程如下图所示：

 

      而 PageAsyncTask 的方式则是增强版本，除了异步页面处理开始和结束方法自身外，还可以提供在超时情况下的处理方法，以及处理时的状态对象。上述文章中给出的对应例子如下：

 1// AsyncPageTask.aspx.cs
 2using System;
 3using System.Web;
 4using System.Web.UI;
 5using System.Web.UI.WebControls;
 6using System.Net;
 7using System.IO;
 8using System.Text;
 9using System.Text.RegularExpressions;
10
11public partial class AsyncPageTask : System.Web.UI.Page
12{
13    private WebRequest _request;
14
15    protected void Page_Load(object sender, EventArgs e)
16    {
17        PageAsyncTask task = new PageAsyncTask(
18            new BeginEventHandler(BeginAsyncOperation),
19            new EndEventHandler(EndAsyncOperation),
20            new EndEventHandler(TimeoutAsyncOperation),
21            null
22        );
23        RegisterAsyncTask(task);
24    }
25
26    IAsyncResult BeginAsyncOperation(object sender, EventArgs e, 
27        AsyncCallback cb, object state)
28    {
29        _request = WebRequest.Create("http://msdn.microsoft.com");
30        return _request.BeginGetResponse(cb, state);
31    }
32
33    void EndAsyncOperation(IAsyncResult ar)
34    {
35        string text;
36        using (WebResponse response = _request.EndGetResponse(ar))
37        {
38            using (StreamReader reader = 
39                new StreamReader(response.GetResponseStream()))
40            {
41                text = reader.ReadToEnd();
42            }
43        }
44
45        Regex regex = new Regex("href\s*=\s*"([^"]*)"", 
46            RegexOptions.IgnoreCase);
47        MatchCollection matches = regex.Matches(text);
48
49        StringBuilder builder = new StringBuilder(1024);
50        foreach (Match match in matches)
51        {
52            builder.Append(match.Groups[1]);
53            builder.Append("<br/>");
54        }
55
56        Output.Text = builder.ToString();
57    }
58
59    void TimeoutAsyncOperation(IAsyncResult ar)
60    {
61        Output.Text = "Data temporarily unavailable";
62    }
63}

      为验证这一机制的实现效果，我们可以在各个方法的入口处设置断点。因为 VS2005 的 IDE 屏蔽了底层 CLR 实现信息，我们需要在 DebugWindowsImmediate Window 窗口中，输入 .load sos 命令加载 CLR 调试支持。具体的 sos 命令可以输入 !help 查询帮助，或参考我以前《用WinDbg探索CLR世界》的系列文章，这里不再罗嗦。

      在 AsyncPage 类型的 Page_Load、BeginAsyncOperation 和 EndAsyncOperation 方法中，分别输入 !ClrStack 命令可以获取当前线程的调用堆栈：

!clrstack
OS Thread Id: 0xb00 (2816)
ESP       EIP     
0361d9d4 05a9c817 AsyncPage.Page_Load(System.Object, System.EventArgs)
...
0361df34 050dd403 System.Web.HttpRuntime.ProcessRequest(System.Web.HttpWorkerRequest)
...

!clrstack
OS Thread Id: 0xb00 (2816)
ESP       EIP     
0361dc04 05a9d819 AsyncPage.BeginAsyncOperation(System.Object, System.EventArgs, System.AsyncCallback, System.Object)
...
0361df34 050dd403 System.Web.HttpRuntime.ProcessRequest(System.Web.HttpWorkerRequest)
...

!clrstack
OS Thread Id: 0xd30 (3376)
ESP       EIP     
04c5eee0 05fef30f AsyncPage.EndAsyncOperation(System.IAsyncResult)
...
04c5f60c 05fe976c System.Net.Connection.ReadComplete(Int32, System.Net.WebExceptionStatus)
...

      可以看到 Page_Load 和 BeginAsyncOperation 方法都是在 ID 为 2816 的线程中被调用，其调用源也都是处理 HTTP 请求的 HttpRuntime.ProcessRequest 方法；而 EndAsyncOperation 则是在另外一个 ID 为 3376 的线程中调用，调用源也是完成网络读操作的 Connection.ReadComplete 方法。

      而从实现角度来看，AddOnPreRenderCompleteAsync 方法将异步页面处理的启动和停止方法，放到一个 Page.PageAsyncInfo 对象中。此对象维护了与页面相关的各种上下文信息，以及开始、停止和状态的数组。而 RegisterAsyncTask 方法也是类似，将 PageAsyncTask 实例放到 PageAsyncTaskManager 类型的管理器中。

 

 1class Page
 2{
 3    private Page.PageAsyncInfo _asyncInfo;
 4    private PageAsyncTaskManager _asyncTaskManager;
 5
 6  public void AddOnPreRenderCompleteAsync(BeginEventHandler beginHandler, EndEventHandler endHandler, object state)
 7  {
 8      // 处理参数和状态异常情况
 9      
10      // 延迟构造异步页面信息
11      if (_asyncInfo == null)      
12        _asyncInfo = new Page.PageAsyncInfo(this);  
13      
14      _asyncInfo.AddHandler(beginHandler, endHandler, state);
15    }
16    
17    public void RegisterAsyncTask(PageAsyncTask task)
18    {
19      // 处理参数和状态异常情况
20    &nbnbsp; 
21      // 延迟构造异步任务管理器
22    if (this._asyncTaskManager == null)
23      _asyncTaskManager = new PageAsyncTaskManager(this);
24     
25    _asyncTaskManager.AddTask(task);
26    }
27}

      HttpApplication 在处理页面请求时，通过其 pipeline 的 CallHandlerExecutionStep 步骤，调用页面的 BeginProcessRequest 方法，其伪代码如下：

 1void HttpApplication.IExecutionStep.Execute()
 2{
 3  // 从上下文中获取获取当前页面的处理器
 4  HttpContext context = _application.Context;
 5  IHttpHandler handler = context.Handler;
 6    
 7  if (handler == null)
 8  {
 9    _sync = true;
10  }
11  else if (handler is IHttpAsyncHandler)
12  {
13    // 如果是异步处理器，则调用异步处理开始方法
14        IHttpAsyncHandler asyncHandler = (IHttpAsyncHandler) handler1;
15    
16    _sync = false;
17    _handler = asyncHandler;
18    
19    IAsyncResult result = asyncHandler.BeginProcessRequest(context, _completionCallback, null);
20            
21        // 如果的确是异步操作，就直接返回            
22        if (!result.CompletedSynchronously)
23            return;
24      
25    // 否则恢复同步的页面处理流程
26    _sync = true;
27    _handler = null;
28    asyncHandler.EndProcessRequest(result);
29  }
30  else
31  {
32      // 采用同步模式处理页面
33    _sync = true;
34    
35    _application.SyncContext.SetSyncCaller();
36    try
37    {
38      handler.ProcessRequest(context);
39    }
40    finally
41    {
42      _application.SyncContext.ResetSyncCaller();
43    }
44  }
45}

      而 ASP.NET 页面一旦通过 Page 标记定义为异步模式，其编译生成的 Page 子类就会实现 IHttpAsyncHandler 接口。
      例如对上述例子，我们可以通过 !ClrStack 命令看到页面被编译为名称为 ASP.asyncpage_aspx 的类型。

!clrstack
OS Thread Id: 0xb00 (2816)
ESP       EIP     
0361d9d4 05a9c817 AsyncPage.Page_Load(System.Object, System.EventArgs)
...
0361dd5c 0545b90e System.Web.UI.Page.AsyncPageBeginProcessRequest(System.Web.HttpContext, System.AsyncCallback, System.Object)
0361dd98 0545b813 ASP.asyncpage_aspx.BeginProcessRequest(System.Web.HttpContext, System.AsyncCallback, System.Object)
0361ddec 0545b6b6 System.Web.HttpApplication+CallHandlerExecutionStep.System.Web.HttpApplication.IExecutionStep.Execute()
0361de28 05400c18 System.Web.HttpApplication.ExecuteStep(IExecutionStep, Boolean ByRef)
...

      进一步使用 !DumpDomain 命令可以找到其页面编译的临时文件，如

!DumpDomain 

...

Assembly: 0023ade0 [D:WINDOWSMicrosoft.NETFrameworkv2.0.50727Temporary ASP.NET Filesasyncpagea0a38653cd7d92App_Web_n97gem4v.dll]
ClassLoader: 0023abc0
SecurityDescriptor: 00229ac0
  Module Name
05a502cc D:WINDOWSMicrosoft.NETFrameworkv2.0.50727Temporary ASP.NET Filesasyncpagea0a38653cd7d92App_Web_n97gem4v.dll

...

      使用 IL 反汇编根据打开此文件，可以看到 AsyncPage.aspx 被编译为 asyncpage_aspx 类型，如下所示：

 1public class asyncpage_aspx : AsyncPage, IHttpAsyncHandler, IHttpHandler
 2{
 3    public virtual IAsyncResult BeginProcessRequest(HttpContext context, AsyncCallback cb, object data)
 4    {
 5    return base.AsyncPageBeginProcessRequest(context, cb, data);
 6    }
 7 
 8    public virtual void EndProcessRequest(IAsyncResult ar)
 9    {    
10    base.AsyncPageEndProcessRequest(ar);
11    }
12}
13
14public interface IHttpAsyncHandler : IHttpHandler
15{
16  // Methods
17  IAsyncResult BeginProcessRequest(HttpContext context, AsyncCallback cb, object extraData);
18  void EndProcessRequest(IAsyncResult result);
19}

      其中 AsyncPage 类型是后台实现代码编译生成的类型，asyncpage_aspx 则是 .aspx 页面编译生成。

      而在 Page.AsyncPageBeginProcessRequest 方法中，将首先处理上下文环境初始化，初始化异步执行信息，以及相应回调函数的执行；然后会调用 PageAsyncTaskManager.RegisterHandlersForPagePreRenderCompleteAsync 将异步任务管理器中所有的异步任务，封装后注册到 Page.PageAsyncInfo 对象中维护的异步调用信息中；最后调用      其 CallHandlers 方法完成对异步处理开始方法的调用。完整的伪代码如下：

 1class Page
 2{
 3  protected IAsyncResult AsyncPageBeginProcessRequest(HttpContext context, AsyncCallback callback, object extraData)
 4    {
 5        // 处理上下文环境初始化
 6        
 7        // 初始化异步执行信息
 8        _asyncInfo.AsyncResult = new HttpAsyncResult(callback, extraData);
 9    _asyncInfo.CallerIsBlocking = callback == null;
10
11        // 执行相应回调函数
12        
13        // 注册异步任务
14        if ((_asyncTaskManager != null) && !_asyncInfo.CallerIsBlocking)    
15      _asyncTaskManager.RegisterHandlersForPagePreRenderCompleteAsync();
16    
17    // 调用所有的异步处理开始方法
18        _asyncInfo.CallHandlers(true);
19    
20        return _asyncInfo.AsyncResult;    
21    }
22}

      而在 PageAsyncTaskManager 中被管理的异步任务，会作为一个异步执行信息注册到 PageAsyncInfo 中去。并在其被调用时，实际调用 PageAsyncTaskManager 类型的 ExecuteTasks 方法，实现较为复杂的异步调用逻辑。

 1internal class PageAsyncTaskManager
 2{
 3    internal void RegisterHandlersForPagePreRenderCompleteAsync()
 4    {
 5    _page.AddOnPreRenderCompleteAsync(new BeginEventHandler(this.BeginExecuteAsyncTasks), new EndEventHandler(this.EndExecuteAsyncTasks));
 6    }
 7    
 8    private IAsyncResult BeginExecuteAsyncTasks(object sender, EventArgs e, AsyncCallback cb, object extraData)
 9    {
10    return ExecuteTasks(cb, extraData);
11    }
12    
13    private void EndExecuteAsyncTasks(IAsyncResult ar)
14    {
15    _asyncResult.End();
16    }
17}

      以上我们对异步页面的目的、范围、使用方式和实现原理等，有了一个大致的了解。并针对异步任务的管理做了简要的分析，基本上已经能弄清异步页面的静态运行机制如何。下一节我们将从动态执行的角度，对两级异步任务，以及相应的调度和线程使用做进一步探索。

to be continue...