ASP.NET Core中的响应压缩的实现

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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