基于HTTP2/3的流模式消息交换如何实现？

我想很多人已经体验过GRPC提供的三种流式消息交换（Client Stream、Server Stream和Duplex Stream）模式，在.NET Core上构建的GRPC应用本质上是采用HTTP2/HTTP3协议的ASP.NET Core应用，我们当然也可以在一个普通的ASP.NET Core应用实现这些流模式。不仅如此，HttpClient也提供了响应的支持，这篇文章通过一个简单的实例提供了相应的实现，源代码从这里下载。

一、双向流的效果
二、[服务端]流式请求/响应的读写
三、[客户端]流式响应/请求的读写

一、双向流的效果

在提供具体实现之前，我们不妨先来演示一下最终的效果。我们通过下面这段代码构建了一个简单的ASP.NET Core应用，如代码片段所示，在调用WebApplication的静态方法CreateBuilder将WebApplicationBuilder创建出来后，我们调用其扩展方法UseKestrel将默认终结点的监听协议设置为Http1AndHttp2AndHttp3，这样我们的应用将提供针对不同HTTP协议的全面支持。

var url = "http://localhost:9999";
var builder = WebApplication.CreateBuilder(args);
builder.WebHost
    .UseKestrel(kestrel=> kestrel.ConfigureEndpointDefaults(listen=>listen.Protocols = HttpProtocols.Http1AndHttp2AndHttp3))
    .UseUrls(url);
var app = builder.Build();
app.MapPost("/", httpContext=> HandleRequestAsync(httpContext, async (request, writer) => {
    Console.WriteLine($"[Server]Receive request message: {request}");
    await writer.WriteStringAsync(request);
}));
await app.StartAsync();

await SendStreamRequestAsync(url, ["foo", "bar", "baz", "qux"], reply => {
    Console.WriteLine($"[Client]Receive reply message: {reply}\n");
    return Task.CompletedTask;
});

我们针对根路径（/）注册了一个HTTP方法为POST的路由终结点，终结点处理器调用HanleRequestAsync来处理请求。这个方法提供一个Func类型的参数作为处理器，该委托的第一个参数表示接收到的单条请求消息，PipeWriter用来写入响应内容。在这里我们将接收到的消息进行简单格式化后将其输出到控制台上，随之将其作为响应内容进行回写。

在应用启动之后，我们调用SendStreamRequestAsync方法以流的方式发送请求，并处理接收到的响应内容。该方法的第一个参数为请求发送的目标URL，第二个参数是一个字符串数组，我们将以流的方式逐个发送每个字符串。最后的参数是一个Func类型的委托，用来处理接收到的响应内容（字符串），在这里我们依然是将格式化的响应内容直接打印在控制台上。

程序启动后控制台上将出现如上图所示的输出，客户端/服务端接收内容的交错输出体现了我们希望的“双向流式”消息交换模式。我们将在后续介绍HanleRequestAsync和SendStreamRequestAsync方法的实现逻辑。

二、[服务端]流式请求/响应的读写

HanleRequestAsync方法定义如下。如代码片段所示，我们利用请求的BodyReader和响应的BodyWriter来对请求和响应内容进行读写，它们的类型分别是PipeReader和PipeWriter。在一个循环中，在利用BodyReader将请求缓冲区内容读取出来后，我们将得到的ReadOnlySequence对象作为参数调用辅助方法TryReadMessage读取单条请求消息，并调用handler参数表示的处理器进行处理。当请求内容接收完毕后，循环终止。

static async Task HandleRequestAsync(HttpContext httpContext, Func<string, PipeWriter, Task> handler)
{
    var reader = httpContext.Request.BodyReader;
    var writer = httpContext.Response.BodyWriter;
    while (true)
    {
        var result = await reader.ReadAsync();
        var buffer = result.Buffer;
        while (TryReadMessage(ref buffer, out var message))
        {
            await handler(message, writer);
        }
        reader.AdvanceTo(buffer.Start, buffer.End);
        if (result.IsCompleted)
        {
            break;
        }
    }
}

由于客户端发送的单条字符串消息长度不限，为了精准地将其读出来，我们需要在输出编码后的消息内容前添加4个字节的整数来表示消息的长度。所以在如下所示的TryReadMessage方法中，我们会先将字节长度读取出来，再据此将消息自身内容读取出来，最终通过解码得到消息字符串。

static bool TryReadMessage(ref ReadOnlySequence<byte> buffer, [NotNullWhen(true)]out string? message)
{
    var reader = new SequenceReader<byte>(buffer);
    if (!reader.TryReadLittleEndian(out int length))
    {
        message = default;
        return false;
    }

    message = Encoding.UTF8.GetString(buffer.Slice(4, length));
    buffer = buffer.Slice(length + 4);
    return true;
}

响应消息的写入是通过如下针对PipeWriter的WriteStringAsync扩展方法实现的，这里的PipeWriter就是响应的BodyWriter，针对“Length + Payload“的消息写入也体现在这里。

public static class Extensions
{
    public static ValueTask WriteStringAsync(this PipeWriter writer, string content)
    {
        var length = Encoding.UTF8.GetByteCount(content);
        var span = writer.GetSpan(4 + length);
        BitConverter.TryWriteBytes(span, length);
        Encoding.UTF8.GetBytes(content, span.Slice(4));
        writer.Advance(4 + length);
        return writer.FlushAsync();
    }
}

三、[客户端]流式响应/请求的读写

客户端利用HttpClient发送请求。针对HttpClient的请求通过一个HttpRequestMessage对象表示，其主体内容体现为一个HttpContent。流式请求的发送是通过如下这个StreamContent类型实现的，它派生于HttpContent。我们重写了SerializeToStreamAsync方法，利用自定义的StreamContentWriter将内容写入请求输出流。

public class StreamContent(StreamContentWriter writer) : HttpContent
{
    private readonly StreamContentWriter _writer = writer;
    protected override Task SerializeToStreamAsync(Stream stream, TransportContext? context) 
        => _writer.SetOutputStream(stream).WaitAsync();
    protected override bool TryComputeLength(out long length) => (length = -1) != -1;
}

public class StreamContentWriter
{
    private readonly TaskCompletionSource _streamSetSource = new();
    private readonly TaskCompletionSource _streamEndSource = new();
    public StreamContentWriter SetOutputStream(Stream outputStream)
    {
        _streamSetSource.SetResult(outputStream);
        return this;
    }

    public async Task WriteAsync(string content)
    {
        var stream = await _streamSetSource.Task;
        await PipeWriter.Create(stream).WriteStringAsync(content);
    }

    public void Complete() => _streamEndSource.SetResult();
    public Task WaitAsync() => _streamEndSource.Task;
}

StreamContentWriter提供了四个方法，SetOutputStream方法用来设置请求输出流，上面重写的SerializeToStreamAsync调用了此方法。单条字符串消息的写入实现在WriteAsync方法中，它最终调用的依然是上面提供的WriteStringAsync扩展方法。整个流式请求的过程通过一个TaskCompletionSource对象提供的Task来表示，当客户端完成所有输出后，会调用Complete方法，该方法进一步调用这个TaskCompletionSource对象的SetResult方法。由于WaitAsync方法返回TaskCompletionSource对象提供的Task，SerializeToStreamAsync方法会调用此方法等待”客户端输出流“的终结。

如下的代码片段体现了SendStreamRequestAsync方法的实现。在这里我们创建了一个表示流式请求的HttpRequestMessage对象，我们将协议版本设置为HTTP2，作为主体内容的HttpContent正式根据StreamContentWriter对象创建的StreamContent对象。

static async Task SendStreamRequestAsync(string url,string[] lines, Func<string, Task> handler)
{
    using var httpClient = new HttpClient();
    var writer = new StreamContentWriter();
    var request = new HttpRequestMessage(HttpMethod.Post, url)
    {
        Version = HttpVersion.Version20,
        VersionPolicy = HttpVersionPolicy.RequestVersionExact,
        Content = new StreamingWeb.StreamContent(writer)
    };
    var task = httpClient.SendAsync(request, HttpCompletionOption.ResponseHeadersRead);
    _ = Task.Run(async () =>
    {
        var response = await task;
        var reader = PipeReader.Create(await response.Content.ReadAsStreamAsync());
        while (true)
        {
            var result = await reader.ReadAsync();
            var buffer = result.Buffer;
            while (TryReadMessage(ref buffer, out var message))
            {
                await handler(message);
            }
            reader.AdvanceTo(buffer.Start, buffer.End);
            if (result.IsCompleted)
            {
                break;
            }
        }
    });

    foreach (string line in lines)
    {
        await writer.WriteAsync($"{line} ({DateTimeOffset.UtcNow})");
        await Task.Delay(1000);
    }
    writer.Complete();
}

我们将这个HttpRequestMessage作为请求利用HttpClient发送出去，实际上发送的内容最终是通过调用StreamContentWriter对象的WriteAsync方法输出的，我们每隔1秒发送一条消息。HttpClient将请求发出去之后会得到一个通过HttpResponseMessage对象表示的响应，在一个异步执行的Task中，我们根据响应流创建一个PipeReader对象，并在一个循环中调用上面定义的TryReadMessage方法逐条读取接收到的单条消息进行处理。