一步步完成“迷你版” 的ASP.NET Core框架

一 前言

Artech 分享了 200行代码，7个对象——让你了解ASP.NET Core框架的本质 。 用一个极简的模拟框架阐述了ASP.NET Core框架最为核心的部分。

这里一步步来完成这个迷你框架。

二 先来一段简单的代码

这段代码非常简单，启动服务器并监听本地5000端口和处理请求。

        static async Task Main(string[] args)
        {
            HttpListener httpListener = new HttpListener();
            httpListener.Prefixes.Add("http://localhost:5000/");
            httpListener.Start();
            while (true)
            {
                var context = await httpListener.GetContextAsync();
                await context.Response.OutputStream.WriteAsync(Encoding.UTF8.GetBytes("hello world"));
                context.Response.Close();
            }
        }

现在要分离服务器(Server) 和 请求处理(handle),那么一个简单设计架构就出来了 ：

Pipeline =Server + HttpHandler

三 处理器的抽象

处理器要从请求(Request)中获取数据，和定制响应(Response)的数据。
可以想到我们的处理器的处理方法应该是这样的：

  Task Handle(/*HttpRequest HttpResponse*/);

它可以处理请求和响应，由于处理可以是同步或者异步的，所以返回Task。

很容易想到要封装http请求和响应，封装成一个上下文(Context) 供处理器使用(这样的好处，处理器需要的其他数据也可以封装在这里，统一使用)，所以要开始封装HttpContext。

封装HttpContext

 public class HttpRequest
    {
        public Uri Url  { get; }
        public NameValueCollection Headers { get; }
        public Stream Body { get; }
    }

    public class HttpResponse
    {
        public NameValueCollection Headers { get; }
        public Stream Body { get; }

        public int StatusCode { get; set; }
    }

    public class HttpContext
    {
        public HttpRequest Request { get; set; }

        public HttpResponse Response { get; set; }
    }

要支持不同的服务器，则不同的服务器都要提供HttpContext，这样有了新的难题：服务器和HttpContext之间的适配 。
现阶段的HttpContext包含HttpRequest和HttpResponse,请求和响应的数据都是要服务器(Server)提供的。
可以定义接口，让不同的服务器提供实现接口的实例：

    public interface IHttpRequestFeature
    {
        Uri Url { get; }

        NameValueCollection Headers { get; }

        Stream Body { get; }
    }
    public interface IHttpResponseFeature
    {
        int StatusCode { get; set; }

        NameValueCollection Headers { get; }

        Stream Body { get; }
    }

为了方便管理服务器和HttpContext之间的适配，定义一个功能的集合，通过类型可以找到服务器提供的实例

   public interface IFeatureCollection:IDictionary<Type,object>
    {
    }

    public static partial class Extensions
    {
        public static T Get<T>(this IFeatureCollection features)
        {
            return features.TryGetValue(typeof(T), out var value) ? (T)value : default;
        }

        public static IFeatureCollection Set<T>(this IFeatureCollection features,T feature)
        {
            features[typeof(T)] = feature;
            return features;
        }
    }

    public class FeatureCollection : Dictionary<Type, object>, IFeatureCollection { }

接下来修改HttpContext，完成适配

    public class HttpContext
    {
       
        public HttpContext(IFeatureCollection features)
        {
            Request = new HttpRequest(features);
            Response = new HttpResponse(features);
        }
        public HttpRequest Request { get; set; }

        public HttpResponse Response { get; set; }

    }
    
    public class HttpRequest
    {
        private readonly IHttpRequestFeature _httpRequestFeature;
        public HttpRequest(IFeatureCollection features)
        {
            _httpRequestFeature = features.Get<IHttpRequestFeature>();
        }
       public Uri Url => _httpRequestFeature.Url;

       public NameValueCollection Headers => _httpRequestFeature.Headers;

       public Stream Body => _httpRequestFeature.Body;
    }

    public class HttpResponse
    {
        private readonly IHttpResponseFeature _httpResponseFeature;
        public HttpResponse(IFeatureCollection features)
        {
            _httpResponseFeature = features.Get<IHttpResponseFeature>();
        }
       public int StatusCode
        {
            get => _httpResponseFeature.StatusCode;
            set => _httpResponseFeature.StatusCode = value;
        }

       public NameValueCollection Headers => _httpResponseFeature.Headers;

       public  Stream Body => _httpResponseFeature.Body;
        
    }
    public static partial class Extensions
    {
        public static Task WriteAsync(this HttpResponse response,string content)
        {
            var buffer = Encoding.UTF8.GetBytes(content);
            return response.Body.WriteAsync(buffer, 0, buffer.Length);
        }
    }

定义处理器

封装好了HttpContext,终于可以回过头来看看处理器。
处理器的处理方法现在应该是这样：

  Task Handle(HttpContext context);

接下来就是怎么定义这个处理器了。
起码有两种方式：
1、定义一个接口：

    public interface IHttpHandler
    {
        Task Handle(HttpContext context);
    }

2、定义一个委托类型

public delegate Task RequestDelegate(HttpContext context);

两种方式，本质上没啥区别，委托代码方式更灵活，不用实现一个接口，还符合鸭子模型。
处理器就选用委托类型。
定义了处理器，接下来看看服务器

四 服务器的抽象

服务器应该有一个开始方法，传入处理器，并执行。
服务器抽象如下：

    public interface IServer
    {
        Task StartAsync(RequestDelegate handler);
    }

定义一个HttpListener的服务器来实现IServer，由于HttpListener的服务器需要提供HttpContext所需的数据，所以先定义HttpListenerFeature

    public class HttpListenerFeature : IHttpRequestFeature, IHttpResponseFeature
    {

        private readonly HttpListenerContext _context;

        public HttpListenerFeature(HttpListenerContext context) => _context = context;
        Uri IHttpRequestFeature.Url => _context.Request.Url;

        NameValueCollection IHttpRequestFeature.Headers => _context.Request.Headers;

        NameValueCollection IHttpResponseFeature.Headers => _context.Response.Headers;

        Stream IHttpRequestFeature.Body => _context.Request.InputStream;

        Stream IHttpResponseFeature.Body => _context.Response.OutputStream;

        int IHttpResponseFeature.StatusCode
        {
            get => _context.Response.StatusCode;
            set => _context.Response.StatusCode = value;
        }
    }

定义HttpListener服务器

  public class HttpListenerServer : IServer
    {
        private readonly HttpListener _httpListener;

        private readonly string[] _urls;

        public HttpListenerServer(params string[] urls)
        {
            _httpListener = new HttpListener();
            _urls = urls.Any() ? urls : new string[] { "http://localhost:5000/" };
        }
        public async Task StartAsync(RequestDelegate handler)
        {
            Array.ForEach(_urls, url => _httpListener.Prefixes.Add(url));

            _httpListener.Start();
            Console.WriteLine($"服务器{typeof(HttpListenerServer).Name} 开启，开始监听：{string.Join(";", _urls)}");
            while (true)
            {
                var listtenerContext = await _httpListener.GetContextAsync();
                var feature = new HttpListenerFeature(listtenerContext);

                var features = new FeatureCollection()
                    .Set<IHttpRequestFeature>(feature)
                    .Set<IHttpResponseFeature>(feature);
                var httpContext = new HttpContext(features);

                await handler(httpContext);

                listtenerContext.Response.Close();
            }
        }
    }

修改Main方法运行测试

        static async Task Main(string[] args)
        {
            IServer server = new HttpListenerServer();
            async Task FooBar(HttpContext httpContext)
            {
                await httpContext.Response.WriteAsync("fooBar");
            }
            await server.StartAsync(FooBar); 
        }

运行结果如下：

至此，完成了服务器和处理器的抽象。
接下来单看处理器，所有的处理逻辑都集合在一个方法中，理想的方式是有多个处理器进行处理，比如处理器A处理完，则接着B处理器进行处理……
那么就要管理多个处理器之间的连接方式。

五 中间件

中间件的定义

假设有三个处理器A,B,C
框架要实现：A处理器开始处理，A处理完成之后，B处理器开始处理，B处理完成之后，C处理器开始处理。

引入中间件来完成处理器的连接。

中间件的要实现的功能很简单：

• 传入下一个要执行的处理器；
• 在中间件中的处理器里，记住下一个要执行的处理器；
• 返回中间件中的处理器，供其他中间件使用。
  所以中间件应该是这样的：

 //伪代码
 处理器  Middleware(传入下一个要执行的处理器)
 {
     return 处理器
     {
         //处理器的逻辑
         下一个要执行的处理器在这里执行
     }
 }

举个例子，现在有三个中间件FooMiddleware,BarMiddleware,BazMiddleware,分别对应的处理器为A,B,C
要保证 处理器的处理顺序为 A->B->C
则先要执行 最后一个BazMiddleware，传入“完成处理器” 返回 处理器C
然后把处理器C 传入 BarMiddleware ，返回处理器B,依次类推。

//伪代码
var middlewares=new []{FooMiddleware,BarMiddleware,BazMiddleware};
middlewares.Reverse();
var  next=完成的处理器;
foreach(var middleware in middlewares)
{
    next=  middleware(next);
}
//最后的next，就是最终要传入IServer 中的处理器

模拟上述foreach运行时的流程：

 //传入完成处理器，返回处理器C
 处理器 BazMiddleware(完成处理器)
 { 
     return 处理器C
            {    
               //处理器C的处理代码
               完成处理器
            };
 }
 //传入处理器C，返回处理器B
  处理器  BarMiddleware(处理器C)
 { 
     return 处理器B
            {    
               //处理器B的处理代码
               执行处理器C
            };
 }
  //传入处理器B，返回处理器A
  处理器  FooMiddleware(处理器B)
 { 
     return 处理器A
            {    
               //处理器A的处理代码
               执行处理器B
            };
 }

 

上述代码中最终返回处理器A,这样当处理器A执行的时候，会先执行自身的代码，然后执行处理器B,处理器B执行的时候，先执行自身的代码，然后执行处理器C,依次类推。
执行处理器时的伪代码流程：

中间件的方法应该是下面这样的：

RequestDelegate DoMiddleware(RequestDelegate next);

用委托表示中间件：

Func<RequestDelegate, RequestDelegate> middleware;

中间件的管理

要管理中间件，就要提供注册中间件的方法和最终构建出RequestDelegate的方法。
定义注册中间件和构建处理器的接口： IApplicationBuilder

    public interface IApplicationBuilder
    {
        IApplicationBuilder Use(Func<RequestDelegate, RequestDelegate> middleware);

        RequestDelegate Build();
    }

实现：

    public class ApplicationBuilder : IApplicationBuilder
    {
        private readonly List<Func<RequestDelegate, RequestDelegate>> _middlewares = new List<Func<RequestDelegate, RequestDelegate>>();
        public IApplicationBuilder Use(Func<RequestDelegate, RequestDelegate> middleware)
        {
            _middlewares.Add(middleware);
            return this;
        }
        public RequestDelegate Build()
        {
            _middlewares.Reverse();
            RequestDelegate next = context => { context.Response.StatusCode = 404; return Task.CompletedTask; };
            foreach (var middleware in _middlewares)
            {
                next = middleware(next);
            }
            return next;
        }       
    }

定义中间件测试

在Program 类里定义三个中间件：

        static RequestDelegate FooMiddleware(RequestDelegate next)
        {
            return async context =>
            {
                await context.Response.WriteAsync("foo=>");
                await next(context);
            };
        }
        static RequestDelegate BarMiddleware(RequestDelegate next)
        {
            return async context =>
            {
                await context.Response.WriteAsync("bar=>");
                await next(context);
            };
        }
        static RequestDelegate BazMiddleware(RequestDelegate next)
        {
            return async context =>
            {
                await context.Response.WriteAsync("baz=>");
                await next(context);
            };
        }

修改Main方法测试运行

        static async Task Main(string[] args)
        {
            IServer server = new HttpListenerServer();

            var handler = new ApplicationBuilder()
                .Use(FooMiddleware)
                .Use(BarMiddleware)
                .Use(BazMiddleware)
                .Build();
            await server.StartAsync(handler); 
        }

运行结果如下：

六 管理服务器和处理器

为了管理服务器和处理器之间的关系 抽象出web宿主
如下：

 public interface IWebHost
    {
        Task StartAsync();
    }

    public class WebHost : IWebHost
    {
        private readonly IServer _server;

        private readonly RequestDelegate _handler;

        public WebHost(IServer server,RequestDelegate handler)
        {
            _server = server;
            _handler = handler;

        }
        public Task StartAsync()
        {
            return _server.StartAsync(_handler);
        }
    }

Main方法可以改一下测试

        static async Task Main(string[] args)
        {
            IServer server = new HttpListenerServer();

            var handler = new ApplicationBuilder()
                .Use(FooMiddleware)
                .Use(BarMiddleware)
                .Use(BazMiddleware)
                .Build();

            IWebHost webHost = new WebHost(server, handler);
            await webHost.StartAsync();
        }

要构建WebHost，需要知道用哪个服务器，和配置了哪些中间件，最后可以构建出WebHost
代码如下：

 public interface IWebHostBuilder
    {
        IWebHostBuilder UseServer(IServer server);

        IWebHostBuilder Configure(Action<IApplicationBuilder> configure);

        IWebHost Build();
    }

    public class WebHostBuilder : IWebHostBuilder
    {
        private readonly List<Action<IApplicationBuilder>> _configures = new List<Action<IApplicationBuilder>>();
        private IServer _server;
        public IWebHost Build()
        {
            //所有的中间件都注册在builder上
            var builder = new ApplicationBuilder();
            foreach (var config in _configures)
            {
                config(builder);
            }
            return new WebHost(_server, builder.Build());
        }

        public IWebHostBuilder Configure(Action<IApplicationBuilder> configure)
        {
            _configures.Add(configure);
            return this;
        }

        public IWebHostBuilder UseServer(IServer server)
        {
            _server = server;
            return this;
        }
    }

给IWebHostBuilder加一个扩展方法,用来使用HttpListenerServer 服务器

    public static partial class Extensions
    {
        public static IWebHostBuilder UseHttpListener(this IWebHostBuilder builder, params string[] urls)
        {
            return builder.UseServer(new HttpListenerServer(urls));
        }
    }

修改Mian方法

        static async Task Main(string[] args)
        {
            await new WebHostBuilder()
                .UseHttpListener()
                .Configure(app=>
                app.Use(FooMiddleware)
                .Use(BarMiddleware)
                .Use(BazMiddleware))
                .Build()
                .StartAsync();              

        }

完成。

七 添加一个UseMiddleware 扩展 玩玩

        public static IApplicationBuilder UseMiddleware(this IApplicationBuilder application, Type type)
        {
            //省略实现
        }

        public static IApplicationBuilder UseMiddleware<T>(this IApplicationBuilder application) where T : class
        {
            return application.UseMiddleware(typeof(T));
        }

添加一个中间件

    public class QuxMiddleware
    {
        private readonly RequestDelegate _next;

        public QuxMiddleware(RequestDelegate next)
        {
            _next = next;
        }

        public async Task InvokeAsync(HttpContext context)
        {

           await context.Response.WriteAsync("qux=>");

            await _next(context);
        }
    }
    public static partial class Extensions
    {
        public static IApplicationBuilder UseQux(this IApplicationBuilder builder)
        {
            return builder.UseMiddleware<QuxMiddleware>();
        }
    }

使用中间件

    class Program
    {
        static async Task Main(string[] args)
        {
            await new WebHostBuilder()
                .UseHttpListener()
                .Configure(app=>
                app.Use(FooMiddleware)
                .Use(BarMiddleware)
                .Use(BazMiddleware)
                .UseQux())
                .Build()
                .StartAsync();              

        }

运行结果

最后，期待Artech 新书。