ASP.NET Core 6.0 基于模型验证的数据验证功能

2024-04-02 19:55

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1 前言

在程序中，需要进行数据验证的场景经常存在，且数据验证是有必要的。前端进行数据验证，主要是为了减少服务器请求压力，和提高用户体验；后端进行数据验证，主要是为了保证数据的正确性，保证系统的健壮性。

本文描述的数据验证方案，是基于官方的模型验证（Model validation），也是笔者近期面试过程中才得知的方式【之前个人混淆了：模型验证（Model validation）和 EF 模型配置的数据注释（Data annotation）方式】。

注：MVC 和 API 的模型验证有些许差异，本文主要描述的是 API 下的模型验证。

1.1 数据验证的场景

比较传统的验证方式如下：

public string TraditionValidation(TestModel model)
{
    if (string.IsNullOrEmpty(model.Name))
    {
        return "名字不能为空！";
    }
    if (model.Name.Length > 10)
    {
        return "名字长度不能超过10！";
    }

    return "验证通过！";
}

在函数中，对模型的各个属性分别做验证。

虽然函数能与模型配合重复使用，但是确实不够优雅。

官方提供了模型验证（Model validation）的方式，下面将会基于这种方式，提出相应的解决方案。

1.2 本文的脉络

先大概介绍一下模型验证（Model validation）的使用，随后提出两种自定义方案。

最后会大概解读一下 AspNetCore 这一块相关的源码。

2 模型验证

2.1 介绍

官方提供的模型验证（Model validation）的方式，是通过在模型属性上添加验证特性（Validation attributes），配置验证规则以及相应的错误信息（ErrorMessage）。当验证不通过时，将会返回验证不通过的错误信息。

其中，除了内置的验证特性，用户也可以自定义验证特性（本文不展开），具体请自行查看自定义特性一节。

在 MVC 中，需要通过如下代码来调用（在 action 中）：

if (!ModelState.IsValid)
{
    return View(movie);
}

在 API 中，只要控制器拥有 [ApiController] 特性，如果模型验证不通过，将自动返回包含错误信息的 HTTP400 相应，详细请参阅自动 HTTP 400 响应。

2.2 基本使用

（1）自定义模型

如下代码中，[Required] 表示该属性为必须，ErrorMessage = "" 为该验证特性验证不通过时，返回的验证信息。

public class TestModel
{
    [Required(ErrorMessage = "名字不能为空！")]
    [StringLength(10, ErrorMessage = "名字长度不能超过10个字符！")]
    public string? Name { get; set; }

    [Phone(ErrorMessage = "手机格式错误！")]
    public string? Phone { get; set; }
}

（2）控制器代码

控制器上有 [ApiController] 特性即可触发：

[ApiController]
[Route("[controller]/[action]")]
public class TestController : ControllerBase
{
    [HttpPost]
    public TestModel ModelValidation(TestModel model)
    {
        return model;
    }
}

（3）测试

输入不合法的数据，格式如下：

{
  "name": "string string",
  "email": "111"
}

输出信息如下：

{
"type": "https://tools.ietf.org/html/rfc7231#section-6.5.1",
"title": "One or more validation errors occurred.",
"status": 400,
"traceId": "00-4d4df1b3618a97a6c50d5fe45884543d-81ac2a79523fd282-00",
"errors": {
"Name": [
"名字长度不能超过10个字符！"
],
"Email": [
"邮箱格式错误！"
]
}
}

2.3 内置特性

官方列出的一些内置特性如：

[ValidateNever]：指示属性或参数应从验证中排除。

[CreditCard]：验证属性是否具有信用卡格式。

[Compare]：验证模型中的两个属性是否匹配。

[EmailAddress]：验证属性是否具有电子邮件格式。

[Phone]：验证属性是否具有电话号码格式。

[Range]：验证属性值是否在指定的范围内。

[RegularExpression]：验证属性值是否与指定的正则表达式匹配。

[Required]：验证字段是否不为 null。

[StringLength]：验证字符串属性值是否不超过指定长度限制。

[URL]：验证属性是否具有 URL 格式。

[Remote]：通过在服务器上调用操作方法来验证客户端上的输入。

可以在命名空间中找到 System.ComponentModel.DataAnnotations 验证属性的完整列表。

3 自定义数据验证

3.1 介绍

由于官方模型验证返回的格式与我们程序实际需要的格式有差异，所以这一部分主要是替换模型验证的返回格式，使用的实际上还是模型验证的能力。

3.2 前置准备

准备一个统一返回格式：

public class ApiResult
{
    public int Code { get; set; }
    public string? Msg { get; set; }
    public object? Data { get; set; }
}

当数据验证不通过时：

Code 为 400，表示请求数据存在问题。

Msg 默认为：数据验证不通过！用于前端提示。

Data 为错误信息明细，用于前端提示。

如：

{
  "code": 400,
  "msg": "数据验证不通过！",
  "data": [
    "名字长度不能超过10个字符！",
    "邮箱格式错误！"
  ]
}

3.3 方案1：替换工厂

替换 ApiBehaviorOptions 中默认定义的 InvalidModelStateResponseFactory，在 Program.cs 中：

builder.Services.Configure<ApiBehaviorOptions>(options =>
{
    options.InvalidModelStateResponseFactory = actionContext =>
    {
        //获取验证失败的模型字段 
        var errors = actionContext.ModelState
            .Where(s => s.Value != null && s.Value.ValidationState == ModelValidationState.Invalid)
            .SelectMany(s => s.Value!.Errors.ToList())
            .Select(e => e.ErrorMessage)
            .ToList();

        // 统一返回格式
        var result = new ApiResult()
        {
            Code = StatusCodes.Status400BadRequest,
            Msg = "数据验证不通过！",
            Data = errors
        };

        return new BadRequestObjectResult(result);
    };
});

3.4 方案2：自定义过滤器

（1）自定义过滤器

public class DataValidationFilter : IActionFilter
{
    public void OnActionExecuting(ActionExecutingContext context)
    {
        // 如果其他过滤器已经设置了结果，则跳过验证
        if (context.Result != null) return;

        // 如果验证通过，跳过后面的动作
        if (context.ModelState.IsValid) return;

        // 获取失败的验证信息列表
        var errors = context.ModelState
            .Where(s => s.Value != null && s.Value.ValidationState == ModelValidationState.Invalid)
            .SelectMany(s => s.Value!.Errors.ToList())
            .Select(e => e.ErrorMessage)
            .ToArray();

        // 统一返回格式
        var result = new ApiResult()
        {
            Code = StatusCodes.Status400BadRequest,
            Msg = "数据验证不通过！",
            Data = errors
        };

        // 设置结果
        context.Result = new BadRequestObjectResult(result);
    }

    public void OnActionExecuted(ActionExecutedContext context)
    {
    }
}

（2）禁用默认过滤器

在 Program.cs 中：

builder.Services.Configure<ApiBehaviorOptions>(options =>
{
    // 禁用默认模型验证过滤器
    options.SuppressModelStateInvalidFilter = true;
});

（3）启用自定义过滤器

在 Program.cs 中：

builder.Services.Configure<MvcOptions>(options =>
{
    // 全局添加自定义模型验证过滤器
    options.Filters.Add<DataValidationFilter>();
});

3.5 测试

输入不合法的数据，格式如下：

{
  "name": "string string",
  "email": "111"
}

输出信息如下：

{
"code": 400,
"msg": "数据验证不通过！",
"data": [
"名字长度不能超过10个字符！",
"邮箱格式错误！"
]
}

3.6 总结

两种方案实际上都是差不多的（实际上都是基于过滤器 Filter 的），可以根据个人需要选择。

其中 AspNetCore 默认实现的过滤器为 ModelStateInvalidFilter ，其 Order = -2000，可以根据程序实际情况，对程序内的过滤器顺序进行编排。

4 源码解读

4.1 基本介绍

AspNetCore 模型验证这一块相关的源码，主要是通过注册一个默认工厂 InvalidModelStateResponseFactory（由 ApiBehaviorOptionsSetup 对 ApiBehaviorOptions 进行配置，实际上是一个 Func），以及使用一个过滤器（为 ModelStateInvalidFilter，由 ModelStateInvalidFilterFactory 生成），来控制模型验证以及返回结果（返回一个 BadRequestObjectResult 或 ObjectResult）。

其中，最主要的是 ApiBehaviorOptions 的 SuppressModelStateInvalidFilter 和 InvalidModelStateResponseFactory 属性。这两个属性，前者控制默认过滤器是否启用，后者生成模型验证的结果。

4.2 MvcServiceCollectionExtensions

新建的 WebAPI 模板的 Program.cs 中注册控制器的语句如下：

builder.Services.AddControllers();

调用的是源码中 MvcServiceCollectionExtensions.cs 的方法，摘出来如下：

// MvcServiceCollectionExtensions.cs 
public static IMvcBuilder AddControllers(this IServiceCollection services)
{
    if (services == null)
    {
        throw new ArgumentNullException(nameof(services));
    }

    var builder = AddControllersCore(services);
    return new MvcBuilder(builder.Services, builder.PartManager);
}

会调用另一个方法 AddControllersCore：

// MvcServiceCollectionExtensions.cs 
private static IMvcCoreBuilder AddControllersCore(IServiceCollection services)
{
    // This method excludes all of the view-related services by default.
    var builder = services
        .AddMvcCore()
        .AddApiExplorer()
        .AddAuthorization()
        .AddCors()
        .AddDataAnnotations()
        .AddFormatterMappings();

    if (MetadataUpdater.IsSupported)
    {
        services.TryAddEnumerable(
            ServiceDescriptor.Singleton<IActionDescriptorChangeProvider, HotReloadService>());
    }

    return builder;
}

其中相关的是 AddMvcCore()：

// MvcServiceCollectionExtensions.cs 
public static IMvcCoreBuilder AddMvcCore(this IServiceCollection services)
{
    if (services == null)
    {
        throw new ArgumentNullException(nameof(services));
    }

    var environment = GetServiceFromCollection<IWebHostEnvironment>(services);
    var partManager = GetApplicationPartManager(services, environment);
    services.TryAddSingleton(partManager);

    ConfigureDefaultFeatureProviders(partManager);
    ConfigureDefaultServices(services);
    AddMvcCoreServices(services);

    var builder = new MvcCoreBuilder(services, partManager);

    return builder;
}

其中 AddMvcCoreServices(services) 方法会执行如下方法，由于这个方法太长，这里将与模型验证相关的一句代码摘出来：

// MvcServiceCollectionExtensions.cs 
internal static void AddMvcCoreServices(IServiceCollection services)
{
    services.TryAddEnumerable(
    	ServiceDescriptor.Transient<IConfigureOptions<ApiBehaviorOptions>, ApiBehaviorOptionsSetup>());
}

主要是配置默认的 ApiBehaviorOptions。

4.3 ApiBehaviorOptionsSetup

主要代码如下：

internal class ApiBehaviorOptionsSetup : IConfigureOptions<ApiBehaviorOptions>
{
    private ProblemDetailsFactory? _problemDetailsFactory;

    public void Configure(ApiBehaviorOptions options)
    {
        options.InvalidModelStateResponseFactory = context =>
        {
            _problemDetailsFactory ??= context.HttpContext.RequestServices.GetRequiredService<ProblemDetailsFactory>();
            return ProblemDetailsInvalidModelStateResponse(_problemDetailsFactory, context);
        };

        ConfigureClientErrorMapping(options);
    }
}

为属性 InvalidModelStateResponseFactory 配置一个默认工厂，这个工厂在执行时，会做这些动作：

获取 ProblemDetailsFactory （Singleton）服务实例，调用 ProblemDetailsInvalidModelStateResponse 获取一个 IActionResult 作为响应结果。

ProblemDetailsInvalidModelStateResponse 方法如下：

// ApiBehaviorOptionsSetup.cs 
internal static IActionResult ProblemDetailsInvalidModelStateResponse(ProblemDetailsFactory problemDetailsFactory, ActionContext context)
{
    var problemDetails = problemDetailsFactory.CreateValidationProblemDetails(context.HttpContext, context.ModelState);
    ObjectResult result;
    if (problemDetails.Status == 400)
    {
        // For compatibility with 2.x, continue producing BadRequestObjectResult instances if the status code is 400.
        result = new BadRequestObjectResult(problemDetails);
    }
    else
    {
        result = new ObjectResult(problemDetails)
        {
            StatusCode = problemDetails.Status,
        };
    }
    result.ContentTypes.Add("application/problem+json");
    result.ContentTypes.Add("application/problem+xml");

    return result;
}

该方法最终会返回一个 BadRequestObjectResult 或 ObjectResult。

4.4 ModelStateInvalidFilter

上面介绍完了 InvalidModelStateResponseFactory 的注册，那么是何时调用这个工厂呢？

模型验证默认的过滤器主要代码如下：

public class ModelStateInvalidFilter : IActionFilter, IOrderedFilter
{
    internal const int FilterOrder = -2000;

    private readonly ApiBehaviorOptions _apiBehaviorOptions;
    private readonly ILogger _logger;

    public int Order => FilterOrder;

    public void OnActionExecuting(ActionExecutingContext context)
    {
        if (context.Result == null && !context.ModelState.IsValid)
        {
            _logger.ModelStateInvalidFilterExecuting();
            context.Result = _apiBehaviorOptions.InvalidModelStateResponseFactory(context);
        }
    }
}

可以看到，在 OnActionExecuting 中，当没有其他过滤器设置结果（context.Result == null），且模型验证不通过（!context.ModelState.IsValid）时，会调用 InvalidModelStateResponseFactory 工厂的验证，获取返回结果。

模型验证最主要的源码就如上所述。