ASP.NET Core中的响应压缩

介绍

    响应压缩技术是目前Web开发领域中比较常用的技术,在带宽资源受限的情况下,使用压缩技术是提升带宽负载的首选方案。我们熟悉的Web服务器,比如IIS、Tomcat、Nginx、Apache等都可以使用压缩技术,常用的压缩类型包括Brotli、Gzip、Deflate,它们对CSS、JavaScript、HTML、XML 和 JSON等类型的效果还是比较明显的,但是也存在一定的限制对于图片效果可能没那么好,因为图片本身就是压缩格式。其次,对于小于大约150-1000 字节的文件(具体取决于文件的内容和压缩的效率,压缩小文件的开销可能会产生比未压缩文件更大的压缩文件。在ASP.NET Core中我们可以使用非常简单的方式来使用响应压缩。

使用方式

    在ASP.NET Core中使用响应压缩的方式比较简单。首先,在ConfigureServices中添加services.AddResponseCompression注入响应压缩相关的设置,比如使用的压缩类型、压缩级别、压缩目标类型等。其次,在Configure添加app.UseResponseCompression拦截请求判断是否需要压缩,大致使用方式如下

public class Startup
{
    public void ConfigureServices(IServiceCollection services)
    {
        services.AddResponseCompression();
    }

    public void Configure(IApplicationBuilder app, IHostingEnvironment env)
    {
        app.UseResponseCompression();
    }
}

如果需要自定义一些配置的话还可以手动设置压缩相关

public void ConfigureServices(IServiceCollection services)
{
    services.AddResponseCompression(options =>
    {
        //可以添加多种压缩类型,程序会根据级别自动获取最优方式
        options.Providers.Add<BrotliCompressionProvider>();
        options.Providers.Add<GzipCompressionProvider>();
        //添加自定义压缩策略
        options.Providers.Add<MyCompressionProvider>();
        //针对指定的MimeType来使用压缩策略
        options.MimeTypes = 
            ResponseCompressionDefaults.MimeTypes.Concat(
                new[] { "application/json" });
    });
    //针对不同的压缩类型,设置对应的压缩级别
    services.Configure<GzipCompressionProviderOptions>(options => 
    {
        //使用最快的方式进行压缩,单不一定是压缩效果最好的方式
        options.Level = CompressionLevel.Fastest;

        //不进行压缩操作
        //options.Level = CompressionLevel.NoCompression;

        //即使需要耗费很长的时间,也要使用压缩效果最好的方式
        //options.Level = CompressionLevel.Optimal;
    });
}

    关于响应压缩大致的工作方式就是,当发起Http请求的时候在Request Header中添加Accept-Encoding:gzip或者其他你想要的压缩类型,可以传递多个类型。服务端接收到请求获取Accept-Encoding判断是否支持该种类型的压缩方式,如果支持则压缩输出内容相关并且设置Content-Encoding为当前使用的压缩方式一起返回。客户端得到响应之后获取Content-Encoding判断服务端是否采用了压缩技术,并根据对应的值判断使用了哪种压缩类型,然后使用对应的解压算法得到原始数据。

源码探究

通过上面的介绍,相信大家对ResponseCompression有了一定的了解,接下来我们通过查看源码的方式了解一下它大致的工作原理。

AddResponseCompression

首先我们来查看注入相关的代码,具体代码承载在ResponseCompressionServicesExtensions扩展类中[点击查看源码👈]

public static class ResponseCompressionServicesExtensions
{
    public static IServiceCollection AddResponseCompression(this IServiceCollection services)
    {
        services.TryAddSingleton<IResponseCompressionProvider, ResponseCompressionProvider>();
        return services;
    }

    public static IServiceCollection AddResponseCompression(this IServiceCollection services, Action<ResponseCompressionOptions> configureOptions)
    {
        services.Configure(configureOptions);
        services.TryAddSingleton<IResponseCompressionProvider, ResponseCompressionProvider>();
        return services;
    }
}

主要就是注入ResponseCompressionProvider和ResponseCompressionOptions,首先我们来看关于ResponseCompressionOptions[点击查看源码👈]

public class ResponseCompressionOptions
{
    // 设置需要压缩的类型
    public IEnumerable<string> MimeTypes { get; set; }

    // 设置不需要压缩的类型
    public IEnumerable<string> ExcludedMimeTypes { get; set; }

    // 是否开启https支持
    public bool EnableForHttps { get; set; } = false;

    // 压缩类型集合
    public CompressionProviderCollection Providers { get; } = new CompressionProviderCollection();
}

关于这个类就不做过多介绍了,比较简单。ResponseCompressionProvider是我们提供响应压缩算法的核心类,具体如何自动选用压缩算法都是由它提供的。这个类中的代码比较多,我们就不逐个方法讲解了,具体源码可自行查阅[点击查看源码👈],首先我们先看ResponseCompressionProvider的构造函数

public ResponseCompressionProvider(IServiceProvider services, IOptions<ResponseCompressionOptions> options)
{
    var responseCompressionOptions = options.Value;
    _providers = responseCompressionOptions.Providers.ToArray();
    //如果没有设置压缩类型默认采用Br和Gzip压缩算法
    if (_providers.Length == 0)
    {
        _providers = new ICompressionProvider[]
        {
            new CompressionProviderFactory(typeof(BrotliCompressionProvider)),
            new CompressionProviderFactory(typeof(GzipCompressionProvider)),
        };
    }
    //根据CompressionProviderFactory创建对应的压缩算法Provider比如GzipCompressionProvider
    for (var i = 0; i < _providers.Length; i++)
    {
        var factory = _providers[i] as CompressionProviderFactory;
        if (factory != null)
        {
            _providers[i] = factory.CreateInstance(services);
        }
    }
    //设置默认的压缩目标类型默认为text/plain、text/css、text/html、application/javascript、application/xml
    //text/xml、application/json、text/json、application/was
    var mimeTypes = responseCompressionOptions.MimeTypes;
    if (mimeTypes == null || !mimeTypes.Any())
    {
        mimeTypes = ResponseCompressionDefaults.MimeTypes;
    }
   //将默认MimeType放入HashSet
    _mimeTypes = new HashSet<string>(mimeTypes, StringComparer.OrdinalIgnoreCase);
    _excludedMimeTypes = new HashSet<string>(
        responseCompressionOptions.ExcludedMimeTypes ?? Enumerable.Empty<string>(),
        StringComparer.OrdinalIgnoreCase
    );
    _enableForHttps = responseCompressionOptions.EnableForHttps;
}

其中BrotliCompressionProvider、GzipCompressionProvider是具体提供压缩方法的地方,咱们就看比较常用的Gzip的Provider的大致实现[点击查看源码👈]

public class GzipCompressionProvider : ICompressionProvider
{
    public GzipCompressionProvider(IOptions<GzipCompressionProviderOptions> options)
    {
        Options = options.Value;
    }

    private GzipCompressionProviderOptions Options { get; }

    // 对应的Encoding名称
    public string EncodingName { get; } = "gzip";

    public bool SupportsFlush => true;

    // 核心代码就是这句 将原始的输出流转换为压缩的GZipStream
    // 我们设置的Level压缩级别将决定压缩的性能和质量
    public Stream CreateStream(Stream outputStream)
        => new GZipStream(outputStream, Options.Level, leaveOpen: true);
}

关于ResponseCompressionProvider其他相关的方法咱们在讲解UseResponseCompression中间件的时候在具体看用到的方法,因为这个类是响应压缩的核心类,现在提前说了,到中间件使用的地方可能会忘记了。接下来我们就看UseResponseCompression的大致实现。

UseResponseCompression

UseResponseCompression具体也就一个无参的扩展方法,也比较简单,因为配置和工作都由注入的地方完成了,所以我们直接查看中间件里的实现,找到中间件位置ResponseCompressionMiddleware[点击查看源码👈]

public class ResponseCompressionMiddleware
{
    private readonly RequestDelegate _next;
    private readonly IResponseCompressionProvider _provider;

    public ResponseCompressionMiddleware(RequestDelegate next, IResponseCompressionProvider provider)
    {
        _next = next;
        _provider = provider;
    }

    public async Task Invoke(HttpContext context)
    {
        //判断是否包含Accept-Encoding头信息,不包含直接大喊一声"抬走下一个"
        if (!_provider.CheckRequestAcceptsCompression(context))
        {
            await _next(context);
            return;
        }
        //获取原始输出Body
        var originalBodyFeature = context.Features.Get<IHttpResponseBodyFeature>();
        var originalCompressionFeature = context.Features.Get<IHttpsCompressionFeature>();
        //初始化响应压缩Body
        var compressionBody = new ResponseCompressionBody(context, _provider, originalBodyFeature);
        //设置成压缩Body
        context.Features.Set<IHttpResponseBodyFeature>(compressionBody);
        context.Features.Set<IHttpsCompressionFeature>(compressionBody);

        try
        {
            await _next(context);
            await compressionBody.FinishCompressionAsync();
        }
        finally
        {
            //恢复原始Body
            context.Features.Set(originalBodyFeature);
            context.Features.Set(originalCompressionFeature);
        }
    }
}

这个中间件非常的简单,就是初始化了ResponseCompressionBody。看到这里你也许会好奇,并没有触发调用压缩相关的任何代码,ResponseCompressionBody也只是调用了FinishCompressionAsync都是和释放相关的,不要着急我们来看ResponseCompressionBody类的结构

internal class ResponseCompressionBody : Stream, IHttpResponseBodyFeature, IHttpsCompressionFeature
{
}

    这个类实现了IHttpResponseBodyFeature,我们使用的Response.Body其实就是获取的HttpResponseBodyFeature.Stream属性。我们使用的Response.WriteAsync相关的方法,其实内部都是在调用PipeWriter进行写操作,而PipeWriter就是来自HttpResponseBodyFeature.Writer属性。可以大致概括为,输出相关的操作其核心都是在操作IHttpResponseBodyFeature。有兴趣的可以自行查阅HttpResponse相关的源码可以了解相关信息。所以我们的ResponseCompressionBody其实是重写了输出操作相关方法。也就是说,只要你调用了Response相关的Write或Body相关的,其实本质都是在操作IHttpResponseBodyFeature,由于我们开启了响应输出相关的中间件,所以会调用IHttpResponseBodyFeature的实现类ResponseCompressionBody相关的方法完成输出。和我们常规理解的还是有偏差的,一般情况下我们认为,其实只要针对输出的Stream做操作就可以了,但是响应压缩中间件竟然重写了输出相关的操作。
    了解到这个之后,相信大家就没有太多疑问了。由于ResponseCompressionBody重写了输出相关的操作,代码相对也比较多,就不逐一粘贴出来了,我们只查看设计到响应压缩核心相关的代码,关于ResponseCompressionBody源码相关的细节有兴趣的可以自行查阅[点击查看源码👈],输出的本质其实都是在调用Write方法,我们就来查看一下Write方法相关的实现

public override void Write(byte[] buffer, int offset, int count)
{
    //这是核心方法有关于压缩相关的输出都在这
    OnWrite();
    //_compressionStream初始化在OnWrite方法里
    if (_compressionStream != null)
    {
        _compressionStream.Write(buffer, offset, count);
        if (_autoFlush)
        {
            _compressionStream.Flush();
        }
    }
    else
    {
        _innerStream.Write(buffer, offset, count);
    }
}

通过上面的代码我们看到OnWrite方法是核心操作,我们直接查看OnWrite方法实现

private void OnWrite()
{
    if (!_compressionChecked)
    {
        _compressionChecked = true;
        //判断是否满足执行压缩相关的逻辑
        if (_provider.ShouldCompressResponse(_context))
        {
            //匹配Vary头信息对应的值
            var varyValues = _context.Response.Headers.GetCommaSeparatedValues(HeaderNames.Vary);
            var varyByAcceptEncoding = false;
            //判断Vary的值是否为Accept-Encoding
            for (var i = 0; i < varyValues.Length; i++)
            {
                if (string.Equals(varyValues[i], HeaderNames.AcceptEncoding, StringComparison.OrdinalIgnoreCase))
                {
                    varyByAcceptEncoding = true;
                    break;
                }
            }
            if (!varyByAcceptEncoding)
            {
                _context.Response.Headers.Append(HeaderNames.Vary, HeaderNames.AcceptEncoding);
            }
            //获取最佳的ICompressionProvider即最佳的压缩方式
            var compressionProvider = ResolveCompressionProvider();
            if (compressionProvider != null)
            {
                //设置选定的压缩算法,放入Content-Encoding头的值里
                //客户端可以通过Content-Encoding头信息判断服务端采用的哪种压缩算法
                _context.Response.Headers.Append(HeaderNames.ContentEncoding, compressionProvider.EncodingName);
                //进行压缩时,将 Content-MD5 删除该标头,因为正文内容已更改且哈希不再有效。
                _context.Response.Headers.Remove(HeaderNames.ContentMD5); 
                //进行压缩时,将 Content-Length 删除该标头,因为在对响应进行压缩时,正文内容会发生更改。
                _context.Response.Headers.Remove(HeaderNames.ContentLength);
                //返回压缩相关输出流
                _compressionStream = compressionProvider.CreateStream(_innerStream);
            }
        }
    }
}

private ICompressionProvider ResolveCompressionProvider()
{
    if (!_providerCreated)
    {
        _providerCreated = true;
       //调用ResponseCompressionProvider的方法返回最合适的压缩算法
        _compressionProvider = _provider.GetCompressionProvider(_context);
    }
    return _compressionProvider;
}

从上面的逻辑我们可以看到,在执行压缩相关逻辑之前需要判断是否满足执行压缩相关的方法ShouldCompressResponse,这个方法是ResponseCompressionProvider里的方法,这里就不再粘贴代码了,本来就是判断逻辑我直接整理出来大致就是一下几种情况

  • 如果请求是Https的情况下,是否设置了允许Https情况下压缩的设置,即ResponseCompressionOptions的EnableForHttps属性设置
  • Response.Head里不能包含Content-Range头信息
  • Response.Head里之前不能包含Content-Encoding头信息
  • Response.Head里之前必须要包含Content-Type头信息
  • 返回的MimeType里不能包含配置的不需要压缩的类型,即ResponseCompressionOptions的ExcludedMimeTypes
  • 返回的MimeType里需要包含配置的需要压缩的类型,即ResponseCompressionOptions的MimeTypes
  • 如果不满足上面的两种情况,返回的MimeType里包含*/*也可以执行响应压缩
    接下来我们查看ResponseCompressionProvider的GetCompressionProvider方法看它是如何确定返回哪一种压缩类型的
public virtual ICompressionProvider GetCompressionProvider(HttpContext context)
{
    var accept = context.Request.Headers[HeaderNames.AcceptEncoding];
    //判断请求头是否包含Accept-Encoding信心
    if (StringValues.IsNullOrEmpty(accept))
    {
        Debug.Assert(false, "Duplicate check failed.");
        return null;
    }
    //获取Accept-Encoding里的值,判断是否包含gzip、br、identity等,并返回匹配信息
    if (!StringWithQualityHeaderValue.TryParseList(accept, out var encodings) || !encodings.Any())
    {
        return null;
    }
    //根据请求信息和设置信息计算匹配优先级
    var candidates = new HashSet<ProviderCandidate>();
    foreach (var encoding in encodings)
    {
        var encodingName = encoding.Value;
        //Quality涉及到一个非常复杂的算法,有兴趣的可以自行查阅
        var quality = encoding.Quality.GetValueOrDefault(1);
        //quality需大于0
        if (quality < double.Epsilon)
        {
            continue;
        }
        //匹配请求头里encodingName和设置的providers压缩算法里EncodingName一致的算法
        //从这里可以看出匹配的优先级和注册providers里的顺序也有关系
        for (int i = 0; i < _providers.Length; i++)
        {
            var provider = _providers[i];
            if (StringSegment.Equals(provider.EncodingName, encodingName, StringComparison.OrdinalIgnoreCase))
            {
                candidates.Add(new ProviderCandidate(provider.EncodingName, quality, i, provider));
            }
        }
        //如果请求头里EncodingName是*的情况则在所有注册的providers里进行匹配
        if (StringSegment.Equals("*", encodingName, StringComparison.Ordinal))
        {
            for (int i = 0; i < _providers.Length; i++)
            {
                var provider = _providers[i];
                candidates.Add(new ProviderCandidate(provider.EncodingName, quality, i, provider));
            }
            break;
        }
        //如果请求头里EncodingName是identity的情况,则不对响应进行编码
        if (StringSegment.Equals("identity", encodingName, StringComparison.OrdinalIgnoreCase))
        {
            candidates.Add(new ProviderCandidate(encodingName.Value, quality, priority: int.MaxValue, provider: null));
        }
    }

    ICompressionProvider selectedProvider = null;
    //如果匹配的只有一个则直接返回
    if (candidates.Count <= 1)
    {
        selectedProvider = candidates.FirstOrDefault().Provider;
    }
    else
    {
        //如果匹配到多个则按照Quality倒序和Priority正序的负责匹配第一个
        selectedProvider = candidates
            .OrderByDescending(x => x.Quality)
            .ThenBy(x => x.Priority)
            .First().Provider;
    }
    //如果没有匹配到selectedProvider或是identity的情况直接返回null
    if (selectedProvider == null)
    {
        return null;
    }
    return selectedProvider;
}

通过以上的介绍我们可以大致了解到响应压缩的大致工作方式,简单总结一下

  • 首先设置压缩相关的算法类型或是压缩目标的MimeType
  • 其次我们可以设置压缩级别,这将决定压缩的质量和压缩性能
  • 通过响应压缩中间件,我们可以获取到一个优先级最高的压缩算法进行压缩,这种情况主要是针对多种压缩类型的情况。这个压缩算法与内部机制和注册压缩算法的顺序都有一定的关系,最终会选择权重最大的返回。
  • 响应压缩中间件的核心工作类ResponseCompressionBody通过实现IHttpResponseBodyFeature,重写输出相关的方法实现对响应的压缩,不需要我们手动进行调用相关方法,而是替换掉默认的输出方式。只要设置了响应压缩,并且请求满足响应压缩,那么有调用输出的地方默认都是执行ResponseCompressionBody里压缩相关的方法,而不是拦截具体的输出进行统一处理。至于为什么这么做,目前我还没有理解到设计者真正的考虑。

总结

    在查看相关代码之前,本来以为关于响应压缩相关的逻辑会非常的简单,看过了源码才知道是自己想的太简单了。其中和自己想法出入最大的莫过于在ResponseCompressionMiddleware中间件里,本以为是通过统一拦截输出流来进行压缩操作,没想到是对整体输出操作进行重写。因为在之前我们使用Asp.Net相关框架的时候是统一写Filter或者HttpModule进行处理的,所以存在思维定式。可能是Asp.Net Core设计者有更深层次的理解,可能是我理解的还不够彻底,不能够体会这样做的好处究竟是什么,如果你有更好的理解或则答案欢迎在评论区里留言解惑。

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