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Implementare attività in background in microservizi con IHostedService e la classe BackgroundService

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Le attività in background e i processi pianificati possono essere necessari in qualsiasi applicazione, indipendentemente dal fatto che segua o meno il modello di architettura di microservizi. La differenza quando si usa un'architettura di microservizi consiste nel fatto che è possibile implementare l'attività in background in un processo/contenitore separato per l'hosting, in modo da poterla ridimensionare in base alle esigenze.

Da un punto di vista generico, in .NET questi tipi di attività vengono chiamati Servizi ospitati, perché sono servizi/logica ospitati all'interno di un host, un'applicazione o un microservizio. Si noti che, in questo caso, il servizio ospitato indica semplicemente una classe con la logica di attività in background.

Fin dalla versione .NET Core 2.0, il framework fornisce una nuova interfaccia denominata IHostedService che consente di implementare facilmente i servizi ospitati. L'idea di base è che è possibile registrare più attività in background (servizi ospitati), che vengono eseguite in background mentre l'host Web o l'host è in esecuzione, come illustrato nell'immagine 6-26.

Diagram comparing ASP.NET Core IWebHost and .NET Core IHost.

Figura 6-26. Uso di IHostedService in un WebHost rispetto a un Host

Supporto IWebHost ASP.NET Core 1.x e 2.x per i processi in background nelle app Web. Supporto IHost .NET Core 2.1 e versioni successive per i processi in background con app console semplici. Si noti la differenza tra WebHost e Host.

Un WebHost (classe base che implementa IWebHost) in ASP.NET Core 2.0 è l'elemento infrastruttura che si usa per fornire funzionalità di server HTTP al processo, ad esempio durante l'implementazione di un'app Web MVC o un servizio API Web. Offre tutta l'efficacia di una nuova infrastruttura in ASP.NET Core, consentendo di usare l'aggiunta di dipendenze, inserire middleware nella pipeline di richieste e operazioni simili. WebHost usa gli stessi IHostedServices per le attività in background.

In .NET Core 2.1 è stato introdotto un Host (classe di base che implementa IHost). In pratica, un Host consente di avere un'infrastruttura simile a quella che si ha con WebHost (aggiunta di dipendenze, i servizi ospitati e così via), ma in questo caso si avrà un processo semplice e più snello come host, senza elementi correlati a MVC, API Web o funzionalità del server HTTP.

Di conseguenza, è possibile scegliere e creare un processo host specializzato con IHost per gestire i servizi ospitati e nient'altro, ad esempio un microservizio realizzato solo per l'hosting di IHostedServices, oppure è possibile in alternativa estendere un WebHost esistente di ASP.NET Core, ad esempio un'API Web di ASP.NET Core o un'app MVC già esistente.

Ogni approccio presenta vantaggi e svantaggi in base alle esigenze aziendali e di scalabilità. In sostanza, se le attività in background non hanno nulla a che fare con HTTP (IWebHost), è consigliabile usare IHost.

Registrazione di servizi ospitati in un Host o WebHost

Approfondiamo ulteriormente l'interfaccia di IHostedService perché il suo utilizzo è abbastanza simile in un WebHost o un Host.

SignalR è un esempio di un elemento che usa i servizi ospitati, ma è possibile usarlo anche per operazioni molto più semplici, quali:

  • Un'attività che esegue in background il polling di un database alla ricerca di modifiche.
  • Un'attività pianificata di aggiornamento periodico della cache.
  • Un'implementazione di QueueBackgroundWorkItem che consente di eseguire un'attività in un thread in background.
  • L'elaborazione di messaggi da una coda di messaggi in background di un'app Web condividendo servizi comuni come ILogger.
  • Un'attività in background avviata con Task.Run().

È praticamente possibile ripartire il carico di lavoro di qualsiasi azione in un'attività in background che implementa IHostedService.

Per aggiungere uno o più IHostedServices al proprio WebHost o Host basta registrarli usando il metodo di estensione AddHostedService in un WebHost ASP.NET Core (oppure in un Host di .NET Core 2.1 e versioni successive). In pratica, è necessario registrare i servizi ospitati all'avvio dell'applicazione in Program.cs.

//Other DI registrations;

// Register Hosted Services
builder.Services.AddHostedService<GracePeriodManagerService>();
builder.Services.AddHostedService<MyHostedServiceB>();
builder.Services.AddHostedService<MyHostedServiceC>();
//...

In questo codice, il servizio ospitato GracePeriodManagerService è il codice effettivo del microservizio aziendale Ordering in eShopOnContainers, mentre gli altri due sono solo esempi aggiuntivi.

L'esecuzione dell'attività in background IHostedService è coordinata con la durata dell'applicazione (a tal fine, host o microservizio). Si registrano le attività quando viene avviata l'applicazione e si ha la possibilità di eseguire un'azione automatica o di pulizia quando è in corso l'arresto dell'applicazione.

Senza usare IHostedService, è sempre possibile avviare un thread in background per eseguire qualsiasi attività. La differenza è precisamente nel tempo di arresto dell'app, quando il thread potrebbe essere semplicemente terminato senza la possibilità di eseguire operazioni di pulizia automatica.

Interfaccia IHostedService

Quando si registra un IHostedService, .NET chiama i metodi StartAsync() e StopAsync() del tipo IHostedService rispettivamente durante l'avvio e l'arresto dell'applicazione. Per altri dettagli, vedi Interfaccia IHostedService.

Come puoi immaginare, è possibile creare più implementazioni di IHostedService e registrarle in Program.cs, come illustrato in precedenza. Tutti i servizi ospitati verranno avviati e arrestati con l'applicazione/microservizio.

Lo sviluppatore è responsabile della gestione dell'azione di arresto o dei servizi quando il metodo StopAsync() viene attivato dall'host.

Implementazione di IHostedService con una classe personalizzata del servizio ospitato che deriva dalla classe base BackgroundService

È possibile procedere alla creazione da zero di una classe personalizzata del servizio ospitato e implementare l'interfaccia IHostedService, come è necessario fare quando si usa .NET Core 2.0 e versioni successive.

Tuttavia, poiché la maggior parte delle attività in background avrà esigenze simili per quanto riguarda la gestione dei token di annullamento e altre operazioni tipiche, è disponibile una classe di base astratta molto pratica per la derivazione, denominata BackgroundService a partire da .NET Core 2.1.

Tale classe esegue il lavoro principale necessario per configurare l'attività in background.

Il codice successivo è la classe di base astratta BackgroundService nell'implementazione di .NET.

// Copyright (c) .NET Foundation. Licensed under the Apache License, Version 2.0.
/// <summary>
/// Base class for implementing a long running <see cref="IHostedService"/>.
/// </summary>
public abstract class BackgroundService : IHostedService, IDisposable
{
    private Task _executingTask;
    private readonly CancellationTokenSource _stoppingCts =
                                                   new CancellationTokenSource();

    protected abstract Task ExecuteAsync(CancellationToken stoppingToken);

    public virtual Task StartAsync(CancellationToken cancellationToken)
    {
        // Store the task we're executing
        _executingTask = ExecuteAsync(_stoppingCts.Token);

        // If the task is completed then return it,
        // this will bubble cancellation and failure to the caller
        if (_executingTask.IsCompleted)
        {
            return _executingTask;
        }

        // Otherwise it's running
        return Task.CompletedTask;
    }

    public virtual async Task StopAsync(CancellationToken cancellationToken)
    {
        // Stop called without start
        if (_executingTask == null)
        {
            return;
        }

        try
        {
            // Signal cancellation to the executing method
            _stoppingCts.Cancel();
        }
        finally
        {
            // Wait until the task completes or the stop token triggers
            await Task.WhenAny(_executingTask, Task.Delay(Timeout.Infinite,
                                                          cancellationToken));
        }

    }

    public virtual void Dispose()
    {
        _stoppingCts.Cancel();
    }
}

Quando si deriva dalla classe base astratta precedente, grazie a tale implementazione ereditata, è sufficiente implementare il metodo ExecuteAsync() nella classe personalizzata del servizio ospitato, come illustrato di seguito nel codice semplificato da eShopOnContainers, che esegue il polling di un database e pubblica eventi di integrazione nel Bus di eventi quando necessario.

public class GracePeriodManagerService : BackgroundService
{
    private readonly ILogger<GracePeriodManagerService> _logger;
    private readonly OrderingBackgroundSettings _settings;

    private readonly IEventBus _eventBus;

    public GracePeriodManagerService(IOptions<OrderingBackgroundSettings> settings,
                                     IEventBus eventBus,
                                     ILogger<GracePeriodManagerService> logger)
    {
        // Constructor's parameters validations...
    }

    protected override async Task ExecuteAsync(CancellationToken stoppingToken)
    {
        _logger.LogDebug($"GracePeriodManagerService is starting.");

        stoppingToken.Register(() =>
            _logger.LogDebug($" GracePeriod background task is stopping."));

        while (!stoppingToken.IsCancellationRequested)
        {
            _logger.LogDebug($"GracePeriod task doing background work.");

            // This eShopOnContainers method is querying a database table
            // and publishing events into the Event Bus (RabbitMQ / ServiceBus)
            CheckConfirmedGracePeriodOrders();

            try {
                    await Task.Delay(_settings.CheckUpdateTime, stoppingToken);
                }
            catch (TaskCanceledException exception) {
                    _logger.LogCritical(exception, "TaskCanceledException Error", exception.Message);
                }
        }

        _logger.LogDebug($"GracePeriod background task is stopping.");
    }

    .../...
}

In questo caso specifico per eShopOnContainers, viene eseguito un metodo dell'applicazione che cerca in una tabella di database gli ordini con uno stato specifico; quando vengono applicate le modifiche, pubblica eventi di integrazione usando il bus di eventi (al di sotto di questo potrebbe usare RabbitMQ o il bus di servizio di Azure).

Naturalmente, è possibile eseguire in alternativa qualsiasi altra attività di business in background.

Per impostazione predefinita, il token di annullamento è impostato con un timeout di 5 secondi, nonostante sia possibile modificare tale valore durante la compilazione di WebHost usando l'estensione UseShutdownTimeout di IWebHostBuilder. Ciò significa che il nostro servizio dovrebbe essere annullato entro 5 secondi; in caso contrario verrà terminato improvvisamente.

Il codice seguente permette di modificare tale intervallo di tempo in 10 secondi.

WebHost.CreateDefaultBuilder(args)
    .UseShutdownTimeout(TimeSpan.FromSeconds(10))
    ...

Diagramma classi di riepilogo

La figura seguente illustra un riepilogo visivo delle classi e delle interfacce visibili durante l'implementazione di IHostedServices.

Diagram showing that IWebHost and IHost can host many services.

Figura 6-27. Diagramma classi che mostra più classi e interfacce correlate a IHostedService

Diagramma classi: IWebHost e IHost possono ospitare molti servizi, che ereditano da BackgroundService, che implementa IHostedService.

Considerazioni finali sulla distribuzione

È importante notare che la modalità di distribuzione del WebHost di ASP.NET Core o del Host di .NET può incidere negativamente sulla soluzione finale. Ad esempio, se si distribuisce il WebHost in IIS o in un normale Servizio App di Azure, l'host può essere arrestato a causa di ricicli del pool di app. Se invece si distribuisce l'host come contenitore in un agente di orchestrazione come Kubernetes, è possibile controllare il numero garantito di istanze attive dell'host. In più, è possibile considerare altri approcci nel cloud fatti apposta per questi scenari, ad esempio le Funzioni di Azure. Infine, se è necessario che il servizio sia sempre in esecuzione e si esegue la distribuzione in un'istanza di Windows Server, è possibile usare un servizio di Windows.

Ma anche per un WebHost distribuito in un pool di applicazioni, esistono scenari come il ripopolamento o lo scaricamento della cache in memoria dell'applicazione che sarebbero comunque applicabili.

L'interfaccia di IHostedService fornisce un modo pratico per avviare le attività in background in un'applicazione Web di ASP.NET Core (in .NET Core 2.0 e versioni successive) o in qualsiasi processo/host (a partire da .NET Core 2.1 con IHost). Il vantaggio principale è la possibilità che si ottiene con l'annullamento automatico di pulire il codice delle attività in background quando è in corso la chiusura dell'host stesso.

Risorse aggiuntive

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