详解ASP.NET Core3.0 配置的Options模式

上一章讲到了配置的用法及内部处理机制，对于配置，ASP.NET Core还提供了一种Options模式。

一、Options的使用

上一章有个配置的绑定的例子，可以将配置绑定到一个Theme实例中。也就是在使用对应配置的时候，需要进行一次绑定操作。而Options模式提供了更直接的方式，并且可以通过依赖注入的方式提供配置的读取。下文中称每一条Options配置为Option。

1.简单的不为Option命名的方式

依然采用这个例子，在appsettings.json中存在这样的配置：

{
 "Theme": {
  "Name": "Blue",
  "Color": "#0921DC"
 }
}

修改一下ValueController，代码如下：

public class ValuesController : Controller
{
  private IOptions _options = null;
  public ValuesController(IOptions options)
  {
    _options = options;
  }

  public ContentResult GetOptions()
  {
    return new ContentResult() { Content = $"options:{ _options.Value.Name}" };
  }
}

依然需要在Startup文件中做注册：

  public void ConfigureServices(IServiceCollection services)
  {
    services.Configure(Configuration.GetSection("Theme"));

    services.AddControllersWithViews(); //3.0中启用的新方法
  }

请求这个Action，获取到的结果为：

options:Blue

这样就可以在需要使用该配置的时候通过依赖注入的方式使用了。但有个疑问，这里将“Theme”类型绑定了这样的配置，但如果有多个这样的配置呢？就如同下面这样的配置的时候：

 "Themes": [
  {
   "Name": "Blue",
   "Color": "#0921DC"
  },
  {
   "Name": "Red",
   "Color": "#FF4500"
  }
 ]

在这样的情况下，存在多个Theme的配置，这样对于之前这种依赖注入的方式就不行了。这时系统提供了将注入的Options进行命名的方法。

2.为Option命名的方式

首先需要在Startup文件中注册的时候对其命名，添加如下两条注册代码：

services.Configure("ThemeBlue", Configuration.GetSection("Themes:0"));
services.Configure("ThemeRed" , Configuration.GetSection("Themes:1"));

修改ValueController代码，添加IOptionsMonitor和IOptionsSnapshot两种新的注入方式如下：

    private IOptions _options = null;
    private IOptionsMonitor _optionsMonitor = null;
    private IOptionsSnapshot _optionsSnapshot = null;
    public ValuesController(IOptions options, IOptionsMonitor optionsMonitor, IOptionsSnapshot optionsSnapshot)
    {
      _options = options;
      _optionsMonitor = optionsMonitor;
      _optionsSnapshot = optionsSnapshot;
    }

    public ContentResult GetOptions()
    {
      return new ContentResult() { Content = $"options:{_options.Value.Name}," +
        $"optionsSnapshot:{ _optionsSnapshot.Get("ThemeBlue").Name }," +
        $"optionsMonitor:{_optionsMonitor.Get("ThemeRed").Name}" };
    }

请求这个Action，获取到的结果为：

options:Blue,optionsSnapshot:Red,optionsMonitor:Gray

新增的两种注入方式通过Options的名称获取到了对应的Options。为什么是两种呢？它们有什么区别？不知道有没有读者想到上一章配置的重新加载功能。在配置注册的时候，有个reloadOnChange选项，如果它被设置为true的，当对应的数据源发生改变的时候，会进行重新加载。而Options怎么能少了这样的特性呢。

3.Option的自动更新与生命周期

为了验证这三种Options的读取方式的特性，修改Theme类，添加一个Guid字段，并在构造方法中对其赋值，代码如下：

public class Theme
{
  public Theme()
  {
    Guid = Guid.NewGuid();
  }
  public Guid Guid { get; set; }
  public string Name { get; set; }
  public string Color { get; set; }
}

修改上例中的名为GetOptions的Action的代码如下：

public ContentResult GetOptions()
{
  return new ContentResult()
  {
    Content = $"options:{_options.Value.Name}|{_options.Value.Guid}," +
    $"optionsSnapshot:{ _optionsSnapshot.Get("ThemeBlue").Name }|{_optionsSnapshot.Get("ThemeBlue").Guid}," +
    $"optionsMonitor:{_optionsMonitor.Get("ThemeRed").Name}|{_optionsMonitor.Get("ThemeRed").Guid}"
  };
}

请求这个Action，返回结果如下：

options:Blue|ad328f15-254f-4505-a79f-4f27db4a393e,optionsSnapshot:Red|dba5f550-29ca-4779-9a02-781dd17f595a,optionsMonitor:Gray|a799fa41-9444-45dd-b51b-fcd15049f98f

刷新页面，返回结果为：

options:Blue|ad328f15-254f-4505-a79f-4f27db4a393e,optionsSnapshot:Red|a2350cb3-c156-4f71-bb2d-25890fe08bec,optionsMonitor:Gray|a799fa41-9444-45dd-b51b-fcd15049f98f

可见IOptions和IOptionsMonitor两种方式获取到的Name值和Guid值均未改变，而通过IOptionsSnapshot方式获取到的Name值未改变，但Guid值发生了改变，每次刷新页面均会改变。这类似前面讲依赖注入时做测试的例子，现在猜测Guid未改变的IOptions和IOptionsMonitor两种方式是采用了Singleton模式，而Guid发生改变的IOptionsSnapshot方式是采用了Scoped或Transient模式。如果在这个Action中多次采用IOptionsSnapshot读取_optionsSnapshot.Get("ThemeBlue").Guid的值，会发现同一次请求的值是相同的，不同请求之间的值是不同的，也就是IOptionsSnapshot方式使采用了Scoped模式（此验证示例比较简单，请读者自行修改代码验证）。

在这样的情况下，修改三种获取方式对应的配置项的Name值，例如分别修改为“Blue1”、“Red1”和“Gray1”，再次多次刷新页面查看返回值，会发现如下情况：

IOptions方式：Name和Guid的值始终未变。Name值仍为Blue。

IOptionsSnapshot方式：Name值变为Red1，Guid值单次请求内相同，每次刷新之间不同。

IOptionsMonitor方式：只有修改配置值后第一次刷新的时候将Name值变为了Gray1，Guid未改变。之后多次刷新，这两个值均未做改变。

总结：IOptions和IOptionsMonitor两种方式采用了Singleton模式，但区别在于IOptionsMonitor会监控对应数据源的变化，如果发生了变化则更新实例的配置值，但不会重新提供新的实例。IOptionsSnapshot方式采用了Scoped模式每次请求采用同一个实例，在下一次请求的时候获取到的是一个新的实例，所以如果数据源发生了改变，会读取到新的值。先大概记一下这一的情况，在下文剖析IOptions的内部处理机制的时候就会明白为什么会这样。

4.数据更新提醒

IOptionsMonitor方式还提供了一个OnChange方法，当数据源发生改变的时候会触发它，所以如果想在这时候做点什么，可以利用这个方法实现。示例代码：

_optionsMonitor.OnChange((theme,name)=> { Console.WriteLine(theme.Name +"-"+ name); });

5.不采用Configuration配置作为数据源的方式

上面的例子都是采用了读取配置的方式，实际上Options模式和上一章的Configuration配置方式使分开的，读取配置只不过是Options模式的一种实现方式，例如可以不使用Configuration中的数据，直接通过如下代码注册：

services.Configure("ThemeBlack", theme => {
  theme.Color = "#000000";
  theme.Name = "Black";
}); 

6.ConfigureAll方法

系统提供了一个ConfigureAll方法，可以将所有对应的实例统一设置。例如如下代码：

services.ConfigureAll(theme => {
   theme.Color = "#000000";
   theme.Name = "Black2";
});

此时无论通过什么名称去获取Theme的实例，包括不存在对应设置的名称，获取到的值都是本次通过ConfigureAll设置的值。

7.PostConfigure和PostConfigureAll方法

这两个方法和Configure、ConfigureAll方法类似，只是它们会在Configure、ConfigureAll之后执行。

8.多个Configure、ConfigureAll、PostConfigure和PostConfigureAll的执行顺序

可以这样理解，每个Configure都是去修改一个名为其设置的名称的变量，以如下代码为例：

services.Configure("ThemeBlack", theme => {
  theme.Color = "#000000";
  theme.Name = "Black";
}); 

这条设置就是去修改（注意是修改而不是替换）一个名为"ThemeBlack"的Theme类型的变量，如果该变量不存在，则创建一个Theme实例并赋值。这样就生成了一些变量名为“空字符串、“ThemeBlue”、“ThemeBlack”的变量（只是举例，忽略空字符串作为变量名不合法的顾虑）”。

依次按照代码的顺序执行，这时候如果后面的代码中出现同名的Configure，则修改对应名称的变量的值。如果是ConfigureAll方法，则修改所有类型为Theme的变量的值。

而PostConfigure和PostConfigureAll则在Configure和ConfigureAll之后执行，即使Configure的代码写在了PostConfigure之后也是一样。

至于为什么会是这样的规则，下一节会详细介绍。

二、内部处理机制解析

1. 系统启动阶段，依赖注入

上一节的例子中涉及到了三个接口IOptions、IOptionsSnapshot和IOptionsMonitor，那么就从这三个接口说起。既然Options模式是通过这三个接口的泛型方式注入提供服务的，那么在这之前系统就需要将它们对应的实现注入到依赖注入容器中。这发生在系统启动阶段创建IHost的时候，这时候HostBuilder的Build方法中调用了一个services.AddOptions()方法，这个方法定义在OptionsServiceCollectionExtensions中，代码如下：

public static class OptionsServiceCollectionExtensions
  {
    public static IServiceCollection AddOptions(this IServiceCollection services)
    {
      if (services == null)
      {
        throw new ArgumentNullException(nameof(services));
      }

      services.TryAdd(ServiceDescriptor.Singleton(typeof(IOptions<>), typeof(OptionsManager<>)));
      services.TryAdd(ServiceDescriptor.Scoped(typeof(IOptionsSnapshot<>), typeof(OptionsManager<>)));
      services.TryAdd(ServiceDescriptor.Singleton(typeof(IOptionsMonitor<>), typeof(OptionsMonitor<>)));
      services.TryAdd(ServiceDescriptor.Transient(typeof(IOptionsFactory<>), typeof(OptionsFactory<>)));
      services.TryAdd(ServiceDescriptor.Singleton(typeof(IOptionsMonitorCache<>), typeof(OptionsCache<>)));
      return services;
    }

    public static IServiceCollection Configure(this IServiceCollection services, Action configureOptions) where TOptions : class
      => services.Configure(Options.Options.DefaultName, configureOptions);

    public static IServiceCollection Configure(this IServiceCollection services, string name, Action configureOptions)
      where TOptions : class
    {
      //省略非空验证代码

      services.AddOptions();
      services.AddSingleton>(new ConfigureNamedOptions(name, configureOptions));
      return services;
    }

    public static IServiceCollection ConfigureAll(this IServiceCollection services, Action configureOptions) where TOptions : class
      => services.Configure(name: null, configureOptions: configureOptions);
//省略部分代码
  }

可见这个AddOptions方法的作用就是进行服务注入，IOptions<>、IOptionsSnapshot<>对应的实现是OptionsManager<>，只是分别采用了Singleton和Scoped两种生命周期模式，IOptionsMonitor<>对应的实现是OptionsMonitor<>，同样为Singleton模式，这也验证了上一节例子中的猜想。除了上面提到的三个接口外，还有IOptionsFactory<>和IOptionsMonitorCache<>两个接口，这也是Options模式中非常重要的两个组成部分，接下来的内容中会用到。

另外的两个Configure方法就是上一节例子中用到的将具体的Theme注册到Options中的方法了。二者的区别就是是否为配置的option命名，而第一个Configure方法就未命名的方法，通过上面的代码可知它实际上是传入了一个默认的Options.Options.DefaultName作为名称，这个默认值是一个空字符串，也就是说，未命名的Option相当于是被命名为空字符串。最终都是按照已命名的方式也就是第二个Configure方法进行处理。还有一个ConfigureAll方法，它是传入了一个null作为Option的名称，也是交由第二个Configure处理。

在第二个Configure方法中仍调用了一次AddOptions方法，然后才是将具体的类型进行注入。AddOptions方法中采用的都是TryAdd方法进行注入，已被注入的不会被再次注入。接下来注册了一个IConfigureOptions接口，对应的实现是ConfigureNamedOptions(name, configureOptions)，它的代码如下：

public class ConfigureNamedOptions : IConfigureNamedOptions where TOptions : class
{
  public ConfigureNamedOptions(string name, Action action)
  {
    Name = name;
    Action = action;
}

  public string Name { get; }
  public Action Action { get; }

  public virtual void Configure(string name, TOptions options)
  {
    if (options == null)
    {
      throw new ArgumentNullException(nameof(options));
    }

    // Null name is used to configure all named options.
    if (Name == null || name == Name)
    {
      Action?.Invoke(options);
    }
  }

  public void Configure(TOptions options) => Configure(Options.DefaultName, options);
}

它在构造方法中存储了配置的名称（Name）和创建方法（Action），它的两个Configure方法用于在获取Options的值的时候执行对应的Action来创建实例（例如示例中的Theme）。在此时不会被执行。所以在此会出现3中类型的ConfigureNamedOptions，分别是Name值为具体值的、Name值为为空字符串的和Name值为null的。这分别对应了第一节的例子中的为Option命名的Configure方法、不为Option命名的Configure方法、以及ConfigureAll方法。

此处用到的OptionsServiceCollectionExtensions和ConfigureNamedOptions对应的是通过代码直接注册Option的方式，例如第一节例子中的如下方式：

services.Configure("ThemeBlack", theme => { new Theme { Color = "#000000", Name = "Black" }; });

如果是以Configuration作为数据源的方式，例如如下代码

services.Configure("ThemeBlue", Configuration.GetSection("Themes:0"));

用到的是OptionsServiceCollectionExtensions和ConfigureNamedOptions这两个类的子类，分别为OptionsConfigurationServiceCollectionExtensions和NamedConfigureFromConfigurationOptions两个类，通过它们的名字也可以知道是专门用于采用Configuration作为数据源用的，代码类似，只是多了一条关于IOptionsChangeTokenSource的依赖注入，作用是将Configuration的关于数据源变化的监听和Options的关联起来，当数据源发生改变的时候可以及时更新Options中的值，主要的Configure方法代码如下：

public static IServiceCollection Configure(this IServiceCollection services, string name, IConfiguration config, Action configureBinder)
  where TOptions : class
{
  //省略验证代码

  services.AddOptions();
  services.AddSingleton>(new ConfigurationChangeTokenSource(name, config));
  return services.AddSingleton>(new NamedConfigureFromConfigurationOptions(name, config, configureBinder));
}

同样还有PostConfigure和PostConfigureAll方法，和Configure、ConfigureAll方法类似，只不过注入的类型为IPostConfigureOptions。

2. Options值的获取

Option值的获取也就是从依赖注入容器中获取相应实现的过程。通过依赖注入阶段，已经知道了IOptions<>和IOptionsSnapshot<>对应的实现是OptionsManager<>，就以OptionsManager<>为例看一下依赖注入后的服务提供过程。OptionsManager<>代码如下：

public class OptionsManager : IOptions, IOptionsSnapshot where TOptions : class, new()
{
  private readonly IOptionsFactory _factory;
private readonly OptionsCache _cache = new OptionsCache();

  public OptionsManager(IOptionsFactory factory)
  {
    _factory = factory;
  }

  public TOptions Value
  {
    get
    {
      return Get(Options.DefaultName);
    }
  }

  public virtual TOptions Get(string name)
  {
    name = name ?? Options.DefaultName;
    return _cache.GetOrAdd(name, () => _factory.Create(name));
  }
}

它有IOptionsFactory和OptionsCache两个重要的成员。如果直接获取Value值，实际上是调用的另一个Get(string name)方法，传入了空字符串作为name值。所以最终值的获取还是在缓存中读取，这里的代码是_cache.GetOrAdd(name, () => _factory.Create(name))，即如果缓存中存在对应的值，则返回，如果不存在，则由_factory去创建。OptionsFactory的代码如下：

public class OptionsFactory : IOptionsFactory where TOptions : class, new()
{
  private readonly IEnumerable> _setups;
  private readonly IEnumerable> _postConfigures;
  private readonly IEnumerable> _validations;

  public OptionsFactory(IEnumerable> setups, IEnumerable> postConfigures) : this(setups, postConfigures, validations: null)
  { }

  public OptionsFactory(IEnumerable> setups, IEnumerable> postConfigures, IEnumerable> validations)
  {
    _setups = setups;
    _postConfigures = postConfigures;
    _validations = validations;
}

  public TOptions Create(string name)
  {
    var options = new TOptions();
    foreach (var setup in _setups)
    {
      if (setup is IConfigureNamedOptions namedSetup)
      {
        namedSetup.Configure(name, options);
      }
      else if (name == Options.DefaultName)
      {
        setup.Configure(options);
      }
    }
    foreach (var post in _postConfigures)
    {
      post.PostConfigure(name, options);
    }

    if (_validations != null)
    {
      var failures = new List();
      foreach (var validate in _validations)
      {
        var result = validate.Validate(name, options);
        if (result.Failed)
        {
          failures.AddRange(result.Failures);
        }
      }
      if (failures.Count > 0)
      {
        throw new OptionsValidationException(name, typeof(TOptions), failures);
      }
    }

    return options;
  }
}

主要看它的TOptions Create(string name)方法。这里会遍历它的_setups集合，这个集合类型为IEnumerable>，在讲Options模式的依赖注入的时候已经知道，每一个Configure、ConfigureAll实际上就是向依赖注入容器中注册了一个IConfigureOptions，只是名称可能不同。而PostConfigure和PostConfigureAll方法注册的是IPostConfigureOptions类型，对应的就是_postConfigures集合。

首先会遍历_setups集合，调用IConfigureOptions的Configure方法，这个方法的主要代码就是：

 if (Name == null || name == Name)
 {
   Action?.Invoke(options);
 }

如果Name值为null，即对应的是ConfigureAll方法，则执行该Action。或者Name值和需要读取的值相同，则执行该Action。

_setups集合遍历之后，同样的机制遍历_postConfigures集合。这就是上一节关于Configure、ConfigureAll、PostConfigure和PostConfigureAll的执行顺序的验证。

最终返回对应的实例并写入缓存。这就是IOptions和IOptionsSnapshot两种模式的处理机制，接下来看一下IOptionsMonitor模式，它对应的实现是OptionsMonitor。代码如下：

public class OptionsMonitor : IOptionsMonitor where TOptions : class, new()
{
  private readonly IOptionsMonitorCache _cache;
  private readonly IOptionsFactory _factory;
  private readonly IEnumerable> _sources;
  internal event Action _onChange;

  public OptionsMonitor(IOptionsFactory factory, IEnumerable> sources, IOptionsMonitorCache cache)
  {
    _factory = factory;
    _sources = sources;
    _cache = cache;

    foreach (var source in _sources)
    {
        var registration = ChangeToken.OnChange(
           () => source.GetChangeToken(),
           (name) => InvokeChanged(name),
           source.Name);

        _registrations.Add(registration);    
}
  }

  private void InvokeChanged(string name)
  {
    name = name ?? Options.DefaultName;
    _cache.TryRemove(name);
    var options = Get(name);
    if (_onChange != null)
    {
      _onChange.Invoke(options, name);
    }
  }

  public TOptions CurrentValue
  {
    get => Get(Options.DefaultName);
  }

  public virtual TOptions Get(string name)
  {
    name = name ?? Options.DefaultName;
    return _cache.GetOrAdd(name, () => _factory.Create(name));
  }

  public IDisposable OnChange(Action listener)
  {
    var disposable = new ChangeTrackerDisposable(this, listener);
    _onChange += disposable.OnChange;
    return disposable;
  }

  internal class ChangeTrackerDisposable : IDisposable
  {
    private readonly Action _listener;
    private readonly OptionsMonitor _monitor;

    public ChangeTrackerDisposable(OptionsMonitor monitor, Action listener)
    {
      _listener = listener;
      _monitor = monitor;
    }

    public void OnChange(TOptions options, string name) => _listener.Invoke(options, name);

    public void Dispose() => _monitor._onChange -= OnChange;
  }
}

大部分功能和OptionsManager类似，只是由于它是采用了Singleton模式，所以它是采用监听数据源改变并更新的模式。当通过Configuration作为数据源注册Option的时候，多了一条IOptionsChangeTokenSource的依赖注入。当数据源发生改变的时候更新数据并触发OnChange(Action listener)，在第一节的数据更新提醒中有相关的例子。

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