学习ASP.NET Core, 怎能不了解请求处理管道[6]: 管道是如何随着WebHost的开启被构建出来的？
注册的服务器和中间件共同构成了ASP.NET Core用于处理请求的管道， 这样一个管道是在我们启动作为应用宿主的WebHost时构建出来的。要深刻了解这个管道是如何被构建出来的，我们就必须对WebHost和它的创建者WebHostBuilder这个重要的对象具有深刻的理解。[本文已经同步到《ASP.NET Core框架揭秘》之中]
目录
一、WebHost
WebHostOptions
构建管道的三个步骤
二、WebHostBuilder
WebHost的创建
几个常用的扩展方法
一、WebHost
顾名思义，WebHost被作为Web应用的宿主，应用的启动和关闭都是通过启动或者关闭对应WebHost的方式来实现的。这里所说的WebHost是对所有实现了IWebHost接口的所有类型及其对应对象的统称。IWebHost接口具有如下三个基本成员，其中Start方法用于启动宿主程序。我们编程中通常会调用它的一个扩展方法Run来启动WebHost，实际上背后调用的其实还是这个Start方法。当WebHost启动之后，注册的服务器变开始了针对请求的监听，所以WebHost需要具有与服务器相关的一些特性，这些特性就保存在通过属性ServerFeatures返回的特性集合中。
1: public interface IWebHost : IDisposable
2: {
3: void Start();
4: IFeatureCollection ServerFeatures { get; }
5: IServiceProvider Services { get; }
6: }
我们多次提到ASP.NET Core管道在构建和进行请求处理过程中广泛使用到了依赖注入。依赖注入只要体现在：ASP.NET Core框架以及应用程序会根据需要注册一系列的服务，这些服务会在WebHost启动的时候被用来创建一个ServiceProvider对象，管道在进行请求处理过程所需的任何服务对象都可以从这个ServiceProvider对象中获取。IWebHost接口的Services属性返回的就是这么一个ServiceProvider对象。
具有如下定义的WebHost类是对IWebHost接口的默认实现，我们默认使用的WebHost就是这么一个对象。一般来说，WebHost是通过对应的WebHostBuilder创建的，当后者通过调用构造函数创建一个WebHost对象的时候，需要提供四个参数，它们分别是直接注册到WebHostBuilder上面的服务（appServices）和由此创建的ServiceProvider（hostingServiceProvider），针对WebHost的选项设置（options）和配置（config）。
1: public class WebHost : IWebHost
2: {
3: public IFeatureCollection ServerFeatures { get; }
4: public IServiceProvider Services { get; }
5:
6: public WebHost(
7: IServiceCollection appServices,
8: IServiceProvider hostingServiceProvider,
9: WebHostOptions options,
10: IConfiguration config);
11:
12: public void Dispose();
13: public void Start();
14: }
WebHostOptions
顾名思义，一个WebHostOptions对象为构建的WebHost对象提供一些预定义的选项设置。这些选项设置很重要，它们决定由WebHost构建的管道进行内容加载以及异常处理等方面的行为。至于它具体携带着哪些选项设置，我们只需要看看这个类型具有怎样的属性成员。
1: public class WebHostOptions
2: {
3: public string ApplicationName { get; set; }
4: public bool DetailedErrors { get; set; }
5: public bool CaptureStartupErrors { get; set; }
6: public string Environment { get; set; }
7: public string StartupAssembly { get; set; }
8: public string WebRoot { get; set; }
9: public string ContentRootPath { get; set; }
10:
11: public WebHostOptions()
12: public WebHostOptions(IConfiguration configuration)
13: }
如下面的代码片段所示，WebHostOptions具有七个属性成员。这些属性都是可读可写的，我们可以调用默认无参构造函数创建一个空的WebHostOptions对象，通过手工为这些属性赋值的方式来设置对应的选项。除此之外，我们可以将这些选项设置定义在配置中，并利用对应的Configuration对象来创建一个WebHostOptions对象。
构建管道的三个步骤
一般我们开启了作为应用宿主的WebHost，由注册的服务器和中间件构成的整个管道被构建起来，服务器开始绑定到基地址进行请求的监听。接下来我们就来着重聊聊WebHost在开启过程中都做了些什么。总的来说，WebHost的整个开启过程大体上可以分为如下三个步骤：
- 注册服务：获取Startup对象并利用它完成服务的注册。
- 中间件注册：利用获取的Startup对象完成中间件的注册。
- 设置并开启服务器：获取注册到WebHostBuilder上的服务器并为之设置监听地址，最后启动服务器。
接下来我们按照这个步骤定义一个同名的类型来模式真实WebHost的实现逻辑。如下面的代码片段所示，这个模拟的WebHost和真正的WebHost的构造函数具有完全一致的参数列表，我们定义了对应的字段来保存这些参数值。除此之外，我们会创建一个ApplicationLifetime对象并将其注册到提供个ServiceCollection，在WebHost开启和关闭之后我们会利用它发送相应的通知。
1: public class WebHost : IWebHost
2: {
3: private IServiceCollection _appServices;
4: private IServiceProvider _hostingServiceProvider;
5: private WebHostOptions _options;
6: private IConfiguration _config;
7: private ApplicationLifetime _applicationLifetime;
8:
9: public WebHost(IServiceCollection appServices, IServiceProvider hostingServiceProvider, WebHostOptions options, IConfiguration config)
10: {
11: _appServices = appServices;
12: _hostingServiceProvider = hostingServiceProvider;
13: _options = options;
14: _config = config;
15: _applicationLifetime = new ApplicationLifetime();
16: appServices.AddSingleton<IApplicationLifetime>(_applicationLifetime);
17: }
18: …
19: }
20:
我们接下来看WebHost除Start方法之外的其他成员的定义。只读属性Services返回一个ServiceProvider对象，我们将在完成所有服务注册工作之后利用ServiceCollection对象创建这个对象，所以只要实现具有相关的服务注册，我们就能够利用它得到对应的服务对象。只读属性ServerFeatures返回服务器的特性集合，而服务器本身则直接利用上述这个ServiceProvider获得。当MyWebHost对象因Dispose方法的调用而被回收之后，我们会对ServiceProvider实施回收 工作。在实施回收的前后，我们利用ApplicationLifetime发送相应的信号。
1: public class WebHost : IWebHost
2: {
3: private ApplicationLifetime _applicationLifetime;
4: public IServiceProvider Services { get; private set; }
5: public IFeatureCollection ServerFeatures
6: {
7: get { return this.Services.GetRequiredService<IServer>()?.Features; }
8: }
9: public void Dispose()
10: {
11: _applicationLifetime.StopApplication();
12: (this.Services as IDisposable)?.Dispose();
13: _applicationLifetime.NotifyStopped();
14: }
15: }
16:
真正开启WebHost的实现体现在如下所示的代码片段中。我们直接利用WebHostBuilder提供ServiceProvider获取一个Startup对象，并调用其ConfigureServices方法完成服务的注册，作为参数的ServiceCollection对象也是由WebHostBuilder提供的。当所有的服务注册工作完成之后，我们利用最新的ServiceCollection对象创建一个ServiceProvider对象，并利用此对象对Services属性进行赋值。在后续管道构建过程，以及管道在处理请求过程中所使用的服务均是从这个ServiceProvider中提取的。
1: public class WebHost : IWebHost
2: {
3: private IServiceCollection _appServices;
4: private IServiceProvider _hostingServiceProvider;
5: private WebHostOptions _options;
6: private IConfiguration _config;
7: private ApplicationLifetime _applicationLifetime;
8:
9: public void Start()
10: {
11: //注册服务
12: IStartup startup = _hostingServiceProvider.GetRequiredService<IStartup>();
13: this.Services = startup.ConfigureServices(_appServices);
14:
15: //注册中间件
16: Action<IApplicationBuilder> configure = startup.Configure;
17: configure = this.Services.GetServices<IStartupFilter>().Reverse().Aggregate(configure, (next, current) => current.Configure(next));
18: IApplicationBuilder appBuilder = this.Services.GetRequiredService<IApplicationBuilder>();
19: configure(appBuilder);
20:
21: //为服务器设置监听地址
22: IServer server = this.Services.GetRequiredService<IServer>();
23: IServerAddressesFeature addressesFeature = server.Features.Get<IServerAddressesFeature>();
24: if (null != addressesFeature && !addressesFeature.Addresses.Any())
25: {
26: string addresses = _config["urls"] ?? "http://localhost:5000";
27: foreach (string address in addresses.Split(';'))
28: {
29: addressesFeature.Addresses.Add(address);
30: }
31: }
32:
33: //启动服务器
34: RequestDelegate application = appBuilder.Build();
35: ILogger logger = this.Services.GetRequiredService <ILogger<MyWebHost>>();
36: DiagnosticSource diagnosticSource = this.Services.GetRequiredService<DiagnosticSource>();
37: IHttpContextFactory httpContextFactory = this.Services.GetRequiredService<IHttpContextFactory>();
38: server.Start(new HostingApplication(application, logger, diagnosticSource, httpContextFactory));
39:
40: //对外发送通知
41: _applicationLifetime.NotifyStarted();
42: }
43: }
44:
当服务注册结束并成功创建出ServiceProvider之后，接下来的工作就是注册中间件了。通过上面的介绍我们知道，中间件的注册既可以利用Startup来完成，也可以利用注册的StartupFilter来实现，为此我们利用最新构建的ServiceProvider获取所有注册的StartupFilter，并结合之前提取的Startup对象创建了一个用于注册中间的委托链（最终体现为一个Action<IApplicationBuilder>对象）。我们最终执行这个委托链完成了对所有中间件的注册，执行过程中作为参数的ApplicationBuilder对象同样是通过ServiceProvider提取出来的。
再此之后，我们利用ServiceProvider提取出注册在WebHostBuiler上的服务器。如果服务器的监听地址尚未指定，我们在开启服务器之前必须指定。通过前面对服务器的介绍，我们知道监听地址保存在服务器的一个名为ServerAddressesFeature的特性中，而用户设置的监听地址则保存在配置中，对应的Key为“urls”，所以我们将从配置中提取的地址列表添加到ServerAddressesFeature特性中。如果监听地址不曾配置，我们会为之指定一个默认的地址，即“http://localhost:5000”。
一切就绪的服务器通过调用Start方法开启，该方法接收一个HttpApplication对象作为参数。通过前面的介绍我们知道这个HttpApplication对象可以视为对所有注册中间件和应用的封装，服务器将接收到的请求传递给它作后续处理。我们默认创建的HttpApplication是一个HostingApplication对象，而构建过程中需要提供四个对象，它们分别是代表中间件链表的RequestDelegate对象，用于日志记录和诊断的Logger和DiagnosticSource，以及用来创建HTTP上下文的HttpContextFactory，除了第一个通过调用ApplicationBuilder的Build方法创建之外，其余的都是通过ServiceProvider提取的。在服务器被成功开启之后，我们利用ApplicationLifetime对外发送应用启动的通知。
二、WebHostBuilder
顾名思义,WebHostBuilder就是WebHost的创建者，所谓的WebHostBuilder是对所有实现了IWebHostBuilder接口的类型以及对应对象的统称。如下面的代码片段所示，IWebHostBuilder接口除了用来创建WebHost的核心方法Build之外，还具有其他一些额外的方法。
1: public interface IWebHostBuilder
2: {
3: IWebHost Build();
4: IWebHostBuilder ConfigureServices(Action<IServiceCollection> configureServices);
5: IWebHostBuilder UseLoggerFactory(ILoggerFactory loggerFactory);
6: IWebHostBuilder ConfigureLogging(Action<ILoggerFactory> configureLogging);
7: string GetSetting(string key);
8: IWebHostBuilder UseSetting(string key, string value);
9: }
ConfigureServices方法让我们可以直接将我们所需的服务注册到WebHostBuilder上面。ASP.NET Core具有两种注册服务的途径，一种是将服务注册实现在启动类的ConfigureServices方法中，另一种服务注册的方式就是调用这个方法。对于前者，服务实际上是在开启WebHost的时候调用Startup对象的ConfigureServices进行注册的；至于后者，注册的服务将直接提供给创建的WebHost。UseLoggerFactory 和ConfigureLogging方法与日志记录有关，前者帮助我们设置一个默认的LoggerFactory，后者则对LoggerFactory进行相关设置，最重要的设置就是添加相应的LoggerProvider。GetSetting和UseSetting以键值对的形式获取和设置一些配置。
WebHost的创建
ASP.NET Core定义了一个名为WebHostBuilder的类型作为对IWebHostBuilder接口的默认实现，我们同样采用定义模拟类型的形式来说明WebHostBuilder创建WebHost的实现原理。我们将这个模拟类型命名为，如下的代码片段展示了除Build方法之外的所有成员的定义。
1: public class WebHostBuilder : IWebHostBuilder
2: {
3: private List<Action<ILoggerFactory>> _configureLoggingDelegates = new List<Action<ILoggerFactory>>();
4: private List<Action<IServiceCollection>> _configureServicesDelegates = new List<Action<IServiceCollection>>();
5: private ILoggerFactory _loggerFactory = new LoggerFactory();
6: private IConfiguration _config = new ConfigurationBuilder().AddEnvironmentVariables("ASPNETCORE_").Build();
7:
8: public IWebHostBuilder ConfigureLogging(Action<ILoggerFactory> configureLogging)
9: {
10: _configureLoggingDelegates.Add(configureLogging);
11: return this;
12: }
13:
14: public IWebHostBuilder ConfigureServices(Action<IServiceCollection> configureServices)
15: {
16: _configureServicesDelegates.Add(configureServices);
17: return this;
18: }
19:
20: public string GetSetting(string key)
21: {
22: return _config[key];
23: }
24:
25: public IWebHostBuilder UseLoggerFactory(ILoggerFactory loggerFactory)
26: {
27: _loggerFactory = loggerFactory;
28: return this;
29: }
30:
31: public IWebHostBuilder UseSetting(string key, string value)
32: {
33: _config[key] = value;
34: return this;
35: }
36: ...
37: }
38:
如上面的代码片段所示，我们创建了一个Configuration类型的字段（_config）来体现应用默认使用的配置，它默认采用环境变量（用于过滤环境变量的前缀为“ASPNETCORE_”）作为配置源，GetSetting和UseSetting方法操作的均为这个对象。另一个字段_loggerFactory表示默认使用的LoggerFactory，UseLoggerFactory方法指定的LoggerFactory用来对这个字段进行赋值。ConfigureLogging和ConfigureServices方法具有类似的定义，调用它们提供的委托对象都保存在一个集合之中，以待后用。
我们实现WebHostBuilder的核心方法Build来创建一个WebHost对象。通过上面的定义我们知道一个WebHostBuilder能够最终运行起来需要从ServiceProvider提供很多必需的服务，而这些服务最初都必需通过WebHostBuilder来注册，所以Build方法除了调用构造函数创建并返回一个WebHost对象之外，余下的工作就是注册这些必需的服务。我们可以简单列一列那些服务是必需的，如下所示的是一个不完全列表。
- 用于注册服务和中间件的Startup对象。
- 用来创建Logger的LoggerFactory对象
- 构建中间件链表的ApplicationBuilder对象
- 创建HTTP上下文的HttpContextFactory对象
- 用户实现诊断功能的DiagnosticSource对象
- 用来保存承载环境的HostingEnvironment对象
如下所示的定义在WebHostBuilder中的Build方法的定义。在这个方法中，我们按照上述这些系统服务以及用户服务（通过调用ConfigureServices方法注册的服务）的注册之后，创建并返回了一个WebHost对象。
1: public class WebHostBuilder : IWebHostBuilder
2: {
3: private List<Action<ILoggerFactory>> _configureLoggingDelegates = new List<Action<ILoggerFactory>>();
4: private List<Action<IServiceCollection>> _configureServicesDelegates = new List<Action<IServiceCollection>>();
5: private ILoggerFactory _loggerFactory = new LoggerFactory();
6: private IConfiguration _config = new ConfigurationBuilder().AddInMemoryCollection().Build();
7:
8: public IWebHost Build()
9: {
10: //根据配置创建WebHostOptions
11: WebHostOptions options = new WebHostOptions(_config);
12:
13: //注册服务IStartup
14: IServiceCollection services = new ServiceCollection();
15: if (!string.IsNullOrEmpty(options.StartupAssembly))
16: {
17: Type startupType = StartupLoader.FindStartupType(options.StartupAssembly, options.Environment);
18: if (typeof(IStartup).GetTypeInfo().IsAssignableFrom(startupType))
19: {
20: services.AddSingleton(typeof(IStartup), startupType);
21: }
22: else
23: {
24: services.AddSingleton<IStartup>(_ => new ConventionBasedStartup(StartupLoader.LoadMethods(_, startupType, options.Environment)));
25: }
26: }
27:
28: //注册ILoggerFactory
29: foreach (var configureLogging in _configureLoggingDelegates)
30: {
31: configureLogging(_loggerFactory);
32: }
33: services.AddSingleton<ILoggerFactory>(_loggerFactory);
34:
35: //注册服务IApplicationBuilder，DiagnosticSource和IHttpContextFactory
36: services
37: .AddSingleton<IApplicationBuilder>(_ => new ApplicationBuilder(_))
38: .AddSingleton<DiagnosticSource>(new DiagnosticListener("Microsoft.AspNetCore"))
39: .AddSingleton<IHttpContextFactory, HttpContextFactory>()
40: .AddOptions()
41: .AddLogging()
42: .AddSingleton<IHostingEnvironment, HostingEnvironment>()
43: .AddSingleton<ObjectPoolProvider, DefaultObjectPoolProvider>();
44:
45: //注册用户调用ConfigureServices方法设置的服务
46: foreach (var configureServices in _configureServicesDelegates)
47: {
48: configureServices(services);
49: }
50:
51: //创建MyWebHost
52: return new WebHost(services, services.BuildServiceProvider(), options, _config);
53: }
54: }
55:
虽然上面提供的WebHost和WebHostBuilder仅仅是WebHost和WebHostBuilder的模拟类。为了让读更加易于理解，我们刻意剔除了很多细节的东西，但是两者从实现原理角度来讲是完全一致的。不仅如此，我们自定义的这两个类型甚至可以执行运行的。
几个常用的扩展方法
WebHostBuilder在内部使用了配置，环境变量是默认采用的配置源，它的两个方法GetSetting和UseSetting以键值对的形式实现对配置项的获取和设置。除了UseSettings方法之外，我们还可以调用WebHostBuilder如下这个扩展方法UseConfiguration来进行配置项的设置，这个方法会将保存在指定Configuration中的配置原封不动地拷贝过来，它最终调用的依旧是UseSettings方法。
1: public static class HostingAbstractionsWebHostBuilderExtensions
2: {
3: public static IWebHostBuilder UseConfiguration(this IWebHostBuilder hostBuilder, IConfiguration configuration);
4: }
WebHostBuilder在创建WebHost的时候需要提供一个WebHostOptions对象，该对象最初是根据当前配置创建的。为了方便设置针对WebHostOptions的配置项，ASP.NET Core为我们定义了如下一系列的扩展方法，这些方法最终调用的也是这个UseSettings方法。
1: public static class HostingAbstractionsWebHostBuilderExtensions
2: {
3: public static IWebHostBuilder CaptureStartupErrors(this IWebHostBuilder hostBuilder, bool captureStartupErrors);
4: public static IWebHostBuilder UseContentRoot(this IWebHostBuilder hostBuilder, string contentRoot);
5: public static IWebHostBuilder UseEnvironment(this IWebHostBuilder hostBuilder, string environment);
6: public static IWebHostBuilder UseStartup(this IWebHostBuilder hostBuilder, string startupAssemblyName);
7: public static IWebHostBuilder UseWebRoot(this IWebHostBuilder hostBuilder, string webRoot);
8: public static IWebHostBuilder UseUrls(this IWebHostBuilder hostBuilder, params string[] urls);
9: }
10:
虽然服务器是必需的，但是WebHostBuilder并没有专门定义一个用于注册服务的方法，这是因为服务器也是作为一项基本的服务进行注册的。但是我们可以调用如下一个扩展方法UseServer实现针对服务器的注册，至于另一个扩展方法UseUrls，我们可以调用它来为注册的服务器设置监听地址。
1: public static class HostingAbstractionsWebHostBuilderExtensions
2: {
3: public static IWebHostBuilder UseServer(this IWebHostBuilder hostBuilder, IServer server);
4: public static IWebHostBuilder UseUrls(this IWebHostBuilder hostBuilder, params string[] urls);
5: }
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