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.NET 宿主与后台服务：深入理解 `BackgroundService` 与生命周期令牌

.NET 宿主与后台服务：深入理解 BackgroundService 与生命周期令牌

在 .NET 生态中，构建长期运行的服务（如后台任务、定时任务、消息消费者等）时，IHost（宿主）和 BackgroundService 是两个核心组件。它们不仅能帮助我们管理服务的生命周期，还能通过 CancellationToken 实现服务的优雅启动与停止。本文将通过一个完整示例，带你深入理解这些概念的实际应用。

一、什么是宿主（IHost）与后台服务（BackgroundService）

  • 宿主（IHost）：是 .NET 应用的“容器”，负责管理服务的启动、运行、停止等生命周期，同时整合了配置、日志、依赖注入等核心功能。无论是控制台应用、Windows 服务还是 Linux 守护进程，都可以基于宿主实现。

  • 后台服务（BackgroundService）：是 IHostedService 接口的抽象实现，专门用于编写长期运行的后台任务（如定时任务、流数据处理等）。它通过 ExecuteAsync 方法定义任务逻辑，并通过 CancellationToken 响应宿主的停止信号。

二、实战示例：一个跟踪令牌状态的后台服务

我们通过一个完整示例，展示宿主如何管理后台服务，以及 CancellationToken（生命周期令牌）在服务停止时的作用。

1. 项目配置（.csproj）

首先需要引入宿主相关的依赖包。在 .csproj 中添加：

<Project Sdk="Microsoft.NET.Sdk">
  <PropertyGroup>
    <OutputType>Exe</OutputType>
    <TargetFramework>net9.0</TargetFramework>
    <ImplicitUsings>enable</ImplicitUsings>
    <Nullable>enable</Nullable>
  </PropertyGroup>
  <ItemGroup>
    <!-- 宿主与后台服务核心依赖 -->
    <PackageReference Include="Microsoft.Extensions.Hosting" Version="9.0.10" />
  </ItemGroup>
</Project>

Microsoft.Extensions.Hosting 包包含了 IHost、BackgroundService 等核心类型，是构建宿主应用的基础。

2. 后台服务实现（TokenDemoService.cs）

我们定义一个 TokenDemoService 继承 BackgroundService，用于跟踪生命周期令牌的状态变化，并在服务停止时执行清理逻辑：

using Microsoft.Extensions.Hosting;

public class TokenDemoService : BackgroundService
{
    private int _count = 0;

    // 核心方法：后台任务的执行逻辑
    protected override async Task ExecuteAsync(CancellationToken stoppingToken)
    {
        Console.WriteLine($"[服务启动] 初始令牌状态：是否取消 = {stoppingToken.IsCancellationRequested}");

        try
        {
            // 循环执行任务，直到令牌被取消
            while (!stoppingToken.IsCancellationRequested)
            {
                _count++;
                Console.WriteLine($"[运行中] 第 {_count} 次执行，令牌状态：是否取消 = {stoppingToken.IsCancellationRequested}");
                // 延迟1秒（传递令牌，若取消会立即抛出异常）
                await Task.Delay(1000, stoppingToken);
            }
        }
        catch (OperationCanceledException) when (stoppingToken.IsCancellationRequested)
        {
            // 仅处理当前令牌的取消异常（过滤其他来源的取消）
            Console.WriteLine($"[异常捕获] 检测到令牌取消，准备清理...");
        }

        // 无论正常退出还是异常取消，都执行清理逻辑
        Console.WriteLine($"[服务退出] 令牌已取消（状态：{stoppingToken.IsCancellationRequested}），开始清理资源...");
        await CleanupAsync();
        Console.WriteLine($"[服务退出] 清理完成，服务终止");
    }

    // 模拟退出前的资源清理（如释放连接、关闭文件等）
    private async Task CleanupAsync()
    {
        await Task.Delay(1000); // 模拟清理耗时
    }
}

关键逻辑解析：

  • stoppingToken 的作用：这是宿主传递的生命周期令牌，用于通知后台服务“宿主即将停止”。其 IsCancellationRequested 属性会在宿主停止时从 false 变为 true。

  • 循环执行任务：while (!stoppingToken.IsCancellationRequested) 确保任务在宿主运行期间持续执行，直到令牌被取消。

  • Task.Delay 与令牌：await Task.Delay(1000, stoppingToken) 会在令牌取消时立即抛出 OperationCanceledException，避免任务在“已取消”状态下继续等待。

  • 异常处理：通过 try/catch 捕获 OperationCanceledException，并使用 when (stoppingToken.IsCancellationRequested) 筛选器确保只处理当前令牌的取消（忽略其他来源的取消信号）。

  • 清理逻辑：无论正常退出循环还是因异常中断，都会执行 CleanupAsync 方法，确保资源（如数据库连接、网络流）被正确释放。

3. 宿主配置与启动（Program.cs）

宿主负责注册后台服务、启动服务、并在需要时触发停止流程。以下是 .NET 7+ 和 .NET 7 之前的两种常见写法：

.NET 7+ 简洁写法（推荐）

using Microsoft.Extensions.DependencyInjection;
using Microsoft.Extensions.Hosting;

public class Program
{
    public static async Task Main(string[] args)
    {
        // 创建宿主构建器（.NET 7+ 新API，整合配置、服务、环境等）
        HostApplicationBuilder hostBuilder = Host.CreateApplicationBuilder();
        
        // 注册后台服务
        hostBuilder.Services.AddHostedService<TokenDemoService>();
        
        // 构建宿主
        IHost host = hostBuilder.Build();

        // 启动宿主（非阻塞，服务在后台运行）
        _ = host.StartAsync();
        Console.WriteLine("宿主已启动，按任意键触发服务停止...");

        // 等待用户输入，模拟“主动终止服务”
        Console.ReadKey();
        Console.WriteLine("用户触发停止，宿主开始执行停止流程...");

        // 触发宿主停止（会自动设置stoppingToken为取消状态）
        await host.StopAsync();
        Console.WriteLine("宿主已完全停止");
    }
}

.NET 7 之前的传统写法

// 传统链式配置写法
IHost host = Host.CreateDefaultBuilder(args)
    .ConfigureServices(services =>
    {
        services.AddHostedService<TokenDemoService>();
    })
    .Build();

两种写法的区别：

  • Host.CreateApplicationBuilder()（.NET 7+）：将配置、服务、环境等功能整合到一个 HostApplicationBuilder 对象中，通过属性直接操作（如 hostBuilder.Services、hostBuilder.Configuration），更简洁直观。

  • Host.CreateDefaultBuilder(args)（.NET 3.0+）：通过链式 Configure* 方法（如 ConfigureServices）配置宿主，适合复杂场景下的分步配置。

三、运行结果与生命周期解析

运行程序后，输出如下（关键节点已标注）：

[服务启动] 初始令牌状态：是否取消 = False  // 1. 服务启动，令牌未取消
[运行中] 第 1 次执行，令牌状态：是否取消 = False
info: Microsoft.Hosting.Lifetime[0]
      Application started. Press Ctrl+C to shut down.
宿主已启动，按任意键触发服务停止...
[运行中] 第 2 次执行，令牌状态：是否取消 = False
[运行中] 第 3 次执行，令牌状态：是否取消 = False
（用户按任意键）
用户触发停止，宿主开始执行停止流程...
[异常捕获] 检测到令牌取消，准备清理...  // 2. 令牌取消，捕获异常
[服务退出] 令牌已取消（状态：True），开始清理资源...  // 3. 执行清理
info: Microsoft.Hosting.Lifetime[0]
      Application is shutting down...
[服务退出] 清理完成，服务终止  // 4. 清理完成，服务终止
宿主已完全停止

生命周期完整流程：

  1. 启动阶段：宿主启动后，TokenDemoService 的 ExecuteAsync 方法被调用，stoppingToken.IsCancellationRequested 为 false，任务进入循环执行状态。

  2. 运行阶段：每秒输出一次“运行中”日志，Task.Delay 等待期间会监听令牌状态。

  3. 停止阶段：用户触发 host.StopAsync() 后，宿主会将 stoppingToken 标记为“已取消”（IsCancellationRequested = true）：

    • 若此时正在执行 Task.Delay，会立即抛出 OperationCanceledException，被 catch 块捕获。
    • 循环退出，执行后续的清理逻辑（CleanupAsync）。

  4. 终止阶段：清理完成后，服务正式终止，宿主输出“已完全停止”。

四、常见问题与注意事项

  1. 清理逻辑不执行？
    若未捕获 Task.Delay 抛出的 OperationCanceledException，会导致程序直接退出 ExecuteAsync 方法，跳过清理逻辑。务必通过 try/catch 确保清理代码执行。

  2. 令牌取消的来源？
    stoppingToken 的取消信号来自宿主，可能的触发场景包括：用户主动停止（如 Ctrl+C）、调用 host.StopAsync()、服务异常崩溃等。

  3. 超时处理？
    宿主默认等待后台服务 5 秒以完成清理，超时后会强制终止。可通过 ConfigureHostOptions 调整超时时间：

    hostBuilder.ConfigureHostOptions(options =>
{
    options.ShutdownTimeout = TimeSpan.FromSeconds(10); // 延长至10秒
});

五、总结

  • 宿主（IHost） 是服务的“管理者”，负责生命周期控制和资源整合。
  • BackgroundService 是编写后台任务的便捷基类，通过 ExecuteAsync 定义核心逻辑。
  • CancellationToken（stoppingToken） 是宿主与后台服务的“通信桥梁”，用于通知服务停止，确保优雅退出。
  • 务必通过 try/catch 处理取消异常，并在退出前执行资源清理，避免内存泄漏或资源占用。

掌握这些概念后，你可以更规范地构建 .NET 后台服务，无论是简单的定时任务还是复杂的分布式服务，都能实现可靠的生命周期管理。

代码示例

BackgroundDemo\Program.cs


using Microsoft.Extensions.DependencyInjection;
using Microsoft.Extensions.Hosting;

public class Program
{
    public static async Task Main(string[] args)
    {
        // 创建宿主，注册后台服务
        // ------------------------------.net7之后版本的写法,简洁----------------------------------------------
        HostApplicationBuilder hostApplicationBuilder = Host.CreateApplicationBuilder();
        hostApplicationBuilder.Services.AddHostedService<TokenDemoService>();
        IHost host = hostApplicationBuilder.Build();
        // -----------------------------------or.net7之前版本的写法-----------------------------------------
        // IHost host = Host.CreateDefaultBuilder(args)
        //     .ConfigureServices(services =>
        //     {
        //         services.AddHostedService<TokenDemoService>();
        //     })
        //     .Build();
        // ----------------------------------------------------------------------------

        // 启动宿主（非阻塞）
        _ = host.StartAsync();
        Console.WriteLine("宿主已启动，按任意键触发服务停止...");

        // 等待用户输入，模拟“主动终止服务”
        Console.ReadKey();
        Console.WriteLine("用户触发停止，宿主开始执行停止流程...");

        // 触发宿主停止（会自动设置stoppingToken为取消状态）
        await host.StopAsync();
        Console.WriteLine("宿主已完全停止");
    }
}

BackgroundDemo\TokenDemoService.cs


using Microsoft.Extensions.Hosting;

public class TokenDemoService : BackgroundService
{
    private int _count = 0;

    protected override async Task ExecuteAsync(CancellationToken stoppingToken)
    {
        Console.WriteLine($"[服务启动] 初始令牌状态：是否取消 = {stoppingToken.IsCancellationRequested}");

        try
        {
            // 循环执行任务，直到令牌被取消
            while (!stoppingToken.IsCancellationRequested)
            {
                _count++;
                Console.WriteLine($"[运行中] 第 {_count} 次执行，令牌状态：是否取消 = {stoppingToken.IsCancellationRequested}");
                await Task.Delay(1000, stoppingToken); // 延迟可能抛出异常
            }
        }
        catch (OperationCanceledException) when (stoppingToken.IsCancellationRequested)
        {
            // 仅处理当前令牌的取消异常（忽略其他来源的取消）
            Console.WriteLine($"[异常捕获] 检测到令牌取消，准备清理...");
        }

        // 无论正常退出还是异常取消，都执行清理
        Console.WriteLine($"[服务退出] 令牌已取消（状态：{stoppingToken.IsCancellationRequested}），开始清理资源...");
        await CleanupAsync();
        Console.WriteLine($"[服务退出] 清理完成，服务终止");
    }

    private async Task CleanupAsync()
    {
        await Task.Delay(1000); // 模拟清理耗时
    }
}

BackgroundDemo\BackgroundDemo.csproj


<Project Sdk="Microsoft.NET.Sdk">

  <PropertyGroup>
    <OutputType>Exe</OutputType>
    <TargetFramework>net9.0</TargetFramework>
    <ImplicitUsings>enable</ImplicitUsings>
    <Nullable>enable</Nullable>
  </PropertyGroup>
  <ItemGroup>

  </ItemGroup>
  <ItemGroup>
    <PackageReference Include="Microsoft.Extensions.Hosting" Version="9.0.10" />
  </ItemGroup>



</Project>
posted on 2025-10-27 08:00  超级无敌美少男战士  阅读(7)  评论(0)    收藏  举报