AspNetCore7.0源码解读之UseMiddleware

Use​Middleware​Extensions

前言

本文编写时源码参考github仓库主分支。

aspnetcore提供了Use方法供开发者自定义中间件，该方法接收一个委托对象，该委托接收一个RequestDelegate对象，并返回一个RequestDelegate对象，方法定义如下：

IApplicationBuilder Use(Func<RequestDelegate, RequestDelegate> middleware);

委托RequestDelegate的定义

/// <summary>
/// A function that can process an HTTP request.
/// </summary>
/// <param name="context">The <see cref="HttpContext"/> for the request.</param>
/// <returns>A task that represents the completion of request processing.</returns>
public delegate Task RequestDelegate(HttpContext context);

如果我们直接使用IApplicationBuilder.Use来写中间件逻辑，可以使用lamda表达式来简化代码，如下：

app.Use((RequestDelegate next) =>
{
    return (HttpContext ctx) =>
    {
        // do your logic
        return next(ctx);
    };
});

如果写一些简单的逻辑，这种方式最为方便，问题是如果需要写的中间件代码比较多，依然这样去写，会导致我们Program.cs文件代码非常多，如果有多个中间件，那么最后我们的的Program.cs文件包含多个中间件代码，看上去十分混乱。

将中间件逻辑独立出来

为了解决我们上面的代码不优雅，我们希望能将每个中间件业务独立成一个文件，多个中间件代码不混乱的搞到一起。我们需要这样做。

单独的中间件文件

// Middleware1.cs
public class Middleware1
{
    public static RequestDelegate Logic(RequestDelegate requestDelegate)
    {
        return (HttpContext ctx) =>
        {
            // do your logic
            return requestDelegate(ctx);
        };
    }
}

调用中间件

app.Use(Middleware1.Logic);
// 以下是其他中间件示例
app.Use(Middleware2.Logic);
app.Use(Middleware3.Logic);
app.Use(Middleware4.Logic);

这种方式可以很好的将各个中间件逻辑独立出来，Program.cs此时变得十分简洁，然而我们还不满足这样，因为我们的Logic方法中直接返回一个lamada表达式（RequestDelegate对象），代码层级深了一层，每个中间件都多写这一层壳似乎不太优雅，能不能去掉这层lamada表达式呢？

UseMiddlewareExtensions

为了解决上面提到的痛点，UseMiddlewareExtensions扩展类应运而生，它在Aspnetcore底层大量使用,它主要提供一个泛型UseMiddleware<T>方法用来方便我们注册中间件，下面是该方法的定义

public static IApplicationBuilder UseMiddleware<TMiddleware>(this IApplicationBuilder app, params object?[] args)

如果只看这个方法的声明，估计没人知道如何使用，因为该方法接收的泛型参数TMiddleware没有添加任何限制，而另一个args参数也是object类型，而且是可以不传的，也就是它只需要传任意一个类型都不会在编译时报错。

比如这样，完全不会报错：

当然，如果你这样就运行程序，一定会收到下面的异常

System.InvalidOperationException:“No public 'Invoke' or 'InvokeAsync' method found for middleware of type 'System.String'.”

提示我们传的类型没有Invoke或InvokeAsync公共方法，这里大概能猜到，底层应该是通过反射进行动态调用Invoke或InvokeAsync公共方法的。

源码分析

想要知道其本质，唯有查看源码,以下源码来自UseMiddlewareExtensions

如下，该扩展类一共提供两个并且是重载的公共方法UseMiddleware，一般都只会使用第一个UseMiddleware,第一个UseMiddleware方法内部再去调用第二个UseMiddleware方法，源码中对类型前面添加的[DynamicallyAccessedMembers(MiddlewareAccessibility)]属性可以忽略，它的作用是为了告诉编译器我们通过反射访问的范围，以防止对程序集对我们可能调用的方法或属性等进行裁剪。

internal const string InvokeMethodName = "Invoke";
internal const string InvokeAsyncMethodName = "InvokeAsync";

/// <summary>
/// Adds a middleware type to the application's request pipeline.
/// </summary>
/// <typeparam name="TMiddleware">The middleware type.</typeparam>
/// <param name="app">The <see cref="IApplicationBuilder"/> instance.</param>
/// <param name="args">The arguments to pass to the middleware type instance's constructor.</param>
/// <returns>The <see cref="IApplicationBuilder"/> instance.</returns>
public static IApplicationBuilder UseMiddleware<[DynamicallyAccessedMembers(MiddlewareAccessibility)] TMiddleware>(this IApplicationBuilder app, params object?[] args)
{
    return app.UseMiddleware(typeof(TMiddleware), args);
}

/// <summary>
/// Adds a middleware type to the application's request pipeline.
/// </summary>
/// <param name="app">The <see cref="IApplicationBuilder"/> instance.</param>
/// <param name="middleware">The middleware type.</param>
/// <param name="args">The arguments to pass to the middleware type instance's constructor.</param>
/// <returns>The <see cref="IApplicationBuilder"/> instance.</returns>
public static IApplicationBuilder UseMiddleware(
    this IApplicationBuilder app,
    [DynamicallyAccessedMembers(MiddlewareAccessibility)] Type middleware,
    params object?[] args)
{
    if (typeof(IMiddleware).IsAssignableFrom(middleware))
    {
        // IMiddleware doesn't support passing args directly since it's
        // activated from the container
        if (args.Length > 0)
        {
            throw new NotSupportedException(Resources.FormatException_UseMiddlewareExplicitArgumentsNotSupported(typeof(IMiddleware)));
        }

        return UseMiddlewareInterface(app, middleware);
    }

    var applicationServices = app.ApplicationServices;
    var methods = middleware.GetMethods(BindingFlags.Instance | BindingFlags.Public);
    MethodInfo? invokeMethod = null;
    foreach (var method in methods)
    {
        if (string.Equals(method.Name, InvokeMethodName, StringComparison.Ordinal) || string.Equals(method.Name, InvokeAsyncMethodName, StringComparison.Ordinal))
        {
            if (invokeMethod is not null)
            {
                throw new InvalidOperationException(Resources.FormatException_UseMiddleMutlipleInvokes(InvokeMethodName, InvokeAsyncMethodName));
            }

            invokeMethod = method;
        }
    }

    if (invokeMethod is null)
    {
        throw new InvalidOperationException(Resources.FormatException_UseMiddlewareNoInvokeMethod(InvokeMethodName, InvokeAsyncMethodName, middleware));
    }

    if (!typeof(Task).IsAssignableFrom(invokeMethod.ReturnType))
    {
        throw new InvalidOperationException(Resources.FormatException_UseMiddlewareNonTaskReturnType(InvokeMethodName, InvokeAsyncMethodName, nameof(Task)));
    }

    var parameters = invokeMethod.GetParameters();
    if (parameters.Length == 0 || parameters[0].ParameterType != typeof(HttpContext))
    {
        throw new InvalidOperationException(Resources.FormatException_UseMiddlewareNoParameters(InvokeMethodName, InvokeAsyncMethodName, nameof(HttpContext)));
    }

    var state = new InvokeMiddlewareState(middleware);

    return app.Use(next =>
    {
        var middleware = state.Middleware;

        var ctorArgs = new object[args.Length + 1];
        ctorArgs[0] = next;
        Array.Copy(args, 0, ctorArgs, 1, args.Length);
        var instance = ActivatorUtilities.CreateInstance(app.ApplicationServices, middleware, ctorArgs);
        if (parameters.Length == 1)
        {
            return (RequestDelegate)invokeMethod.CreateDelegate(typeof(RequestDelegate), instance);
        }

        var factory = Compile<object>(invokeMethod, parameters);

        return context =>
        {
            var serviceProvider = context.RequestServices ?? applicationServices;
            if (serviceProvider == null)
            {
                throw new InvalidOperationException(Resources.FormatException_UseMiddlewareIServiceProviderNotAvailable(nameof(IServiceProvider)));
            }

            return factory(instance, context, serviceProvider);
        };
    });
}

第一个UseMiddleware可以直接跳过，看第二个UseMiddleware方法，该方法一上来就先判断我们传的泛型类型是不是IMiddleware接口的派生类，如果是，直接交给UseMiddlewareInterface方法。

if (typeof(IMiddleware).IsAssignableFrom(middleware))
 {
     // IMiddleware doesn't support passing args directly since it's
     // activated from the container
     if (args.Length > 0)
     {
         throw new NotSupportedException(Resources.FormatException_UseMiddlewareExplicitArgumentsNotSupported(typeof(IMiddleware)));
     }

     return UseMiddlewareInterface(app, middleware);
 }

这里总算看到应该有的东西了，如果声明UseMiddleware<T>方法时，对泛型T添加IMiddleware限制,我们不看源码就知道如何编写我们的中间件逻辑了，只需要写一个类，继承IMiddleware并实现InvokeAsync方法即可， UseMiddlewareInterface方法的实现比较简单，因为我们继承了接口，逻辑相对会简单点。

private static IApplicationBuilder UseMiddlewareInterface(
    IApplicationBuilder app,
    Type middlewareType)
{
    return app.Use(next =>
    {
        return async context =>
        {
            var middlewareFactory = (IMiddlewareFactory?)context.RequestServices.GetService(typeof(IMiddlewareFactory));
            if (middlewareFactory == null)
            {
                // No middleware factory
                throw new InvalidOperationException(Resources.FormatException_UseMiddlewareNoMiddlewareFactory(typeof(IMiddlewareFactory)));
            }

            var middleware = middlewareFactory.Create(middlewareType);
            if (middleware == null)
            {
                // The factory returned null, it's a broken implementation
                throw new InvalidOperationException(Resources.FormatException_UseMiddlewareUnableToCreateMiddleware(middlewareFactory.GetType(), middlewareType));
            }

            try
            {
                await middleware.InvokeAsync(context, next);
            }
            finally
            {
                middlewareFactory.Release(middleware);
            }
        };
    });
}

public interface IMiddleware
{
    /// <summary>
    /// Request handling method.
    /// </summary>
    /// <param name="context">The <see cref="HttpContext"/> for the current request.</param>
    /// <param name="next">The delegate representing the remaining middleware in the request pipeline.</param>
    /// <returns>A <see cref="Task"/> that represents the execution of this middleware.</returns>
    Task InvokeAsync(HttpContext context, RequestDelegate next);
}

如果我们的类不满足IMiddleware，继续往下看

通过反射查找泛型类中Invoke或InvokeAsync方法

var applicationServices = app.ApplicationServices;
var methods = middleware.GetMethods(BindingFlags.Instance | BindingFlags.Public);
MethodInfo? invokeMethod = null;
foreach (var method in methods)
{
    if (string.Equals(method.Name, InvokeMethodName, StringComparison.Ordinal) || string.Equals(method.Name, InvokeAsyncMethodName, StringComparison.Ordinal))
    {
        // 如果Invoke和InvokeAsync同时存在，则抛出异常，也就是，我们只能二选一
        if (invokeMethod is not null)
        {
            throw new InvalidOperationException(Resources.FormatException_UseMiddleMutlipleInvokes(InvokeMethodName, InvokeAsyncMethodName));
        }

        invokeMethod = method;
    }
}

// 如果找不到Invoke和InvokeAsync则抛出异常，上文提到的那个异常。
if (invokeMethod is null)
{
    throw new InvalidOperationException(Resources.FormatException_UseMiddlewareNoInvokeMethod(InvokeMethodName, InvokeAsyncMethodName, middleware));
}

// 如果Invoke和InvokeAsync方法的返回值不是Task或Task的派生类，则抛出异常
if (!typeof(Task).IsAssignableFrom(invokeMethod.ReturnType))
{
    throw new InvalidOperationException(Resources.FormatException_UseMiddlewareNonTaskReturnType(InvokeMethodName, InvokeAsyncMethodName, nameof(Task)));
}
Snippet

// 如果Invoke和InvokeAsync方法没有参数，或第一个参数不是HttpContext，抛异常
var parameters = invokeMethod.GetParameters();
if (parameters.Length == 0 || parameters[0].ParameterType != typeof(HttpContext))
{
    throw new InvalidOperationException(Resources.FormatException_UseMiddlewareNoParameters(InvokeMethodName, InvokeAsyncMethodName, nameof(HttpContext)));
}

上面一堆逻辑主要就是检查我们的Invoke和InvokeAsync方法是否符合要求,即：必须是接收HttpContext参数，返回Task对象，这恰好就是委托RequestDelegate的定义。

构造RequestDelegate

这部分源码的解读都注释到相应的位置了，如下

var state = new InvokeMiddlewareState(middleware);
// 调用Use函数，向管道中注册中间件
return app.Use(next =>
{
    var middleware = state.Middleware;

    var ctorArgs = new object[args.Length + 1];
    // next是RequestDelegate对象，作为构造函数的第一个参数传入
    ctorArgs[0] = next;
    Array.Copy(args, 0, ctorArgs, 1, args.Length);
    // 反射实例化我们传入的泛型类，并把next和args作为构造函数的参数传入
    var instance = ActivatorUtilities.CreateInstance(app.ApplicationServices, middleware, ctorArgs);
    // 如果我们的Invoke方法只有一个参数，则直接创建该方法的委托
    if (parameters.Length == 1)
    {
        return (RequestDelegate)invokeMethod.CreateDelegate(typeof(RequestDelegate), instance);
    }

    // 当Invoke方法不止一个参数HttpContext，通过Compile函数创建动态表达式目录树，
    // 表达式目录树的构造此处略过，其目的是实现将除第一个参数的其他参数通过IOC注入
    var factory = Compile<object>(invokeMethod, parameters);

    return context =>
    {
        // 获取serviceProvider用于在上面构造的表达式目录树中实现依赖注入
        var serviceProvider = context.RequestServices ?? applicationServices;
        if (serviceProvider == null)
        {
            throw new InvalidOperationException(Resources.FormatException_UseMiddlewareIServiceProviderNotAvailable(nameof(IServiceProvider)));
        }
        // 将所需的参数传入构造的表达式目录树工厂
        return factory(instance, context, serviceProvider);
    };
});

至此，整个扩展类的源码就解读完了。

通过UseMiddleware注入自定义中间件

通过上面的源码解读，我们知道了其实我们传入的泛型类型是有严格的要求的，主要有两种

通过继承IMiddleware

继承IMiddleware并实现该接口的InvokeAsync函数

public class Middleware1 : IMiddleware
{
    public async Task InvokeAsync(HttpContext context, RequestDelegate next)
    {
        // do your logic
        await next(context);
    }
}

通过反射

我们知道，在不继承IMiddleware的情况下，底层会通过反射实例化泛型类型，并通过构造函数传入RequestDelegate,而且要有一个公共函数Invoke或InvokeAsync，并且接收的第一个参数是HttpContext，返回Task,根据要求我们将Middleware1.cs改造如下

public class Middleware1
{
    RequestDelegate next;

    public Middleware1(RequestDelegate next)
    {
        this.next = next;
    }

    public async Task Invoke(HttpContext httpContext)
    {
        // do your logic
        await this.next(httpContext);
    }
}

总结

通过源码的学习，我们弄清楚底层注册中间件的来龙去脉，两种方式根据自己习惯进行使用，笔者认为通过接口的方式更加简洁直观简单，并且省去了反射带来的性能损失，推荐使用。既然通过继承接口那么爽，为啥还费那么大劲实现反射的方式呢？由源码可知，如果继承接口的话，就不能进行动态传参了。

if (typeof(IMiddleware).IsAssignableFrom(middleware))
        {
            // IMiddleware doesn't support passing args directly since it's
            // activated from the container
            if (args.Length > 0)
            {
                throw new NotSupportedException(Resources.FormatException_UseMiddlewareExplicitArgumentsNotSupported(typeof(IMiddleware)));
            }

            return UseMiddlewareInterface(app, middleware);
        }

所以在需要传参的场景，则必须使用反射的方式，所以两种方式都有其存在的必要。

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