Rust 项目实战：异步多线程 Web 服务器
Rust 项目实战：异步多线程 Web 服务器
前期提要：
之前的代码
main.rs：
use std::fs;
use std::io::prelude::*;
use std::net::TcpListener;
use std::net::TcpStream;
fn main() {
// 监听本地端口 7878 ，等待 TCP 连接的建立
let listener = TcpListener::bind("127.0.0.1:7878").unwrap();
// 阻塞等待请求的进入
for stream in listener.incoming() {
let stream = stream.unwrap();
handle_connection(stream);
}
}
fn handle_connection(mut stream: TcpStream) {
// 从连接中顺序读取 1024 字节数据
let mut buffer = [0; 1024];
stream.read(&mut buffer).unwrap();
let get = b"GET / HTTP/1.1\r\n";
// 处理 HTTP 协议头，若不符合则返回 404 和对应的 HTML 文件
let (status_line, filename) = if buffer.starts_with(get) {
("HTTP/1.1 200 OK\r\n\r\n", "hello.html")
} else {
("HTTP/1.1 404 NOT FOUND\r\n\r\n", "404.html")
};
let contents = fs::read_to_string(filename).unwrap();
// 将回复内容写入连接缓存中
let response = format!("{status_line}{contents}");
stream.write_all(response.as_bytes()).unwrap();
// 使用 flush 将缓存中的内容发送到客户端
stream.flush().unwrap();
}
hello.html：
<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
<meta charset="utf-8">
<title>Hello!</title>
</head>
<body>
<h1>Hello!</h1>
<p>Hi from Rust</p>
</body>
</html>
404.html：
<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
<meta charset="utf-8">
<title>Hello!</title>
</head>
<body>
<h1>Oops!</h1>
<p>Sorry, I don't know what you're asking for.</p>
</body>
</html>
运行以上代码，并从浏览器访问 127.0.0.1:7878 你将看到一条来自 Ferris 的问候。
在回忆了单线程版本该如何实现后，我们也将进入正题，一起来实现一个基于 async 的异步 Web 服务器。
运行异步代码
一个 Web 服务器必须要能并发的处理大量来自用户的请求，也就是我们不能在处理完上一个用户的请求后，再处理下一个用户的请求。上面的单线程版本可以修改为多线程甚至于线程池来实现并发处理，但是线程还是太重了，使用 async 实现 Web 服务器才是最适合的。
下面的例子将演示如何使用一个异步运行时 async-std 来让之前的 async fn 函数运行起来，该运行时允许使用属性 #[async_std::main] 将我们的 fn main 函数变成 async fn main，这样就可以在 main 函数中直接调用其它 async 函数，否则你得用之前章节的 block_on 方法来让 main 去阻塞等待异步函数的完成，但是这种简单粗暴的阻塞等待方式并不灵活。
修改 Cargo.toml 添加 async-std 包并开启相应的属性：
[dependencies]
futures = "0.3"
[dependencies.async-std]
version = "1.6"
features = ["attributes"]
下面将 main 函数修改为异步的，并在其中调用前面修改的异步版本 handle_connection：
#[async_std::main]
async fn main() {
let listener = TcpListener::bind("127.0.0.1:7878").unwrap();
for stream in listener.incoming() {
let stream = stream.unwrap();
// 警告，这里无法并发
handle_connection(stream).await;
}
}
use async_std::task;
async fn handle_connection(mut stream: TcpStream) {
let mut buffer = [0; 1024];
stream.read(&mut buffer).unwrap();
let get = b"GET / HTTP/1.1\r\n";
let sleep = b"GET /sleep HTTP/1.1\r\n";
let (status_line, filename) = if buffer.starts_with(get) {
("HTTP/1.1 200 OK\r\n\r\n", "hello.html")
} else if buffer.starts_with(sleep) {
task::sleep(Duration::from_secs(5)).await;
("HTTP/1.1 200 OK\r\n\r\n", "hello.html")
} else {
("HTTP/1.1 404 NOT FOUND\r\n\r\n", "404.html")
};
let contents = fs::read_to_string(filename).unwrap();
let response = format!("{status_line}{contents}");
stream.write(response.as_bytes()).unwrap();
stream.flush().unwrap();
}
上面是全新实现的 handle_connection，它会在内部睡眠 5 秒，模拟一次用户慢请求，需要注意的是，我们并没有使用 std::thread::sleep 进行睡眠，原因是该函数是阻塞的，它会让当前线程陷入睡眠中，导致其它任务无法继续运行！因此我们需要一个睡眠函数 async_std::task::sleep，它仅会让当前的任务陷入睡眠，然后该任务会让出线程的控制权，这样线程就可以继续运行其它任务。
因此，光把函数变成 async 往往是不够的，还需要将它内部的代码也都变成异步兼容的，阻塞线程绝对是不可行的。
现在运行服务器，并访问 127.0.0.1:7878/sleep，你会发现只有在完成第一个用户请求（5 秒后），才能开始处理第二个用户请求。现在再来看看该如何解决这个问题，让请求并发起来。
并发地处理连接
上面代码最大的问题是 listener.incoming() 是阻塞的迭代器。当 listener 在等待连接时，执行器是无法执行其它 Future 的，而且只有在我们处理完已有的连接后，才能接收新的连接。
解决方法是将 listener.incoming() 从一个阻塞的迭代器变成一个非阻塞的 Stream：
use async_std::net::TcpListener;
use async_std::net::TcpStream;
use futures::stream::StreamExt;
#[async_std::main]
async fn main() {
let listener = TcpListener::bind("127.0.0.1:7878").await.unwrap();
listener
.incoming()
.for_each_concurrent(/* limit */ None, |tcp_stream| async move {
let tcp_stream = tcp_stream.unwrap();
handle_connection(tcp_stream).await;
})
.await;
}
异步版本的 TcpListener 为 listener.incoming() 实现了 Stream trait，，以上修改有两个好处：
- listener.incoming() 不再阻塞
- 使用 for_each_concurrent 并发地处理从 Stream 获取的元素
现在上面的实现的关键在于 handle_connection 不能再阻塞：
use async_std::prelude::*;
async fn handle_connection(mut stream: TcpStream) {
let mut buffer = [0; 1024];
stream.read(&mut buffer).await.unwrap();
let get = b"GET / HTTP/1.1\r\n";
let sleep = b"GET /sleep HTTP/1.1\r\n";
let (status_line, filename) = if buffer.starts_with(get) {
("HTTP/1.1 200 OK\r\n\r\n", "hello.html")
} else if buffer.starts_with(sleep) {
task::sleep(Duration::from_secs(5)).await;
("HTTP/1.1 200 OK\r\n\r\n", "hello.html")
} else {
("HTTP/1.1 404 NOT FOUND\r\n\r\n", "404.html")
};
let contents = fs::read_to_string(filename).unwrap();
let response = format!("{status_line}{contents}");
stream.write(response.as_bytes()).await.unwrap();
stream.flush().await.unwrap();
}
在将数据读写改造成异步后，现在该函数也彻底变成了异步的版本，因此一次慢请求不再会阻止其它请求的运行。
使用多线程并行处理请求
聪明的读者不知道有没有发现，之前的例子有一个致命的缺陷：只能使用一个线程并发的处理用户请求。是的，这样也可以实现并发，一秒处理几千次请求问题不大，但是这毕竟没有利用上 CPU 的多核并行能力，无法实现性能最大化。
async 并发和多线程其实并不冲突，而 async-std 包也允许我们使用多个线程去处理，由于 handle_connection 实现了 Send trait 且不会阻塞，因此使用 async_std::task::spawn 是非常安全的：
use async_std::task::spawn;
#[async_std::main]
async fn main() {
let listener = TcpListener::bind("127.0.0.1:7878").await.unwrap();
listener
.incoming()
.for_each_concurrent(/* limit */ None, |stream| async move {
let stream = stream.unwrap();
spawn(handle_connection(stream));
})
.await;
}
至此，我们实现了同时使用并行（多线程）和并发（async）来同时处理多个请求！
测试 handle_connection 函数
对于测试 Web 服务器，使用集成测试往往是最简单的，但是在本例子中，将使用单元测试来测试连接处理函数的正确性。
为了保证单元测试的隔离性和确定性，我们使用 MockTcpStream 来替代 TcpStream。首先，修改 handle_connection 的函数签名让测试更简单，之所以可以修改签名，原因在于 async_std::net::TcpStream 实际上并不是必须的，只要任何结构体实现了 async_std::io::Read、async_std::io::Write 和 marker::Unpin 就可以替代它：
use async_std::io::{Read, Write};
async fn handle_connection(mut stream: impl Read + Write + Unpin) {
下面，来构建一个 mock 的 TcpStream 并实现了上面这些 trait，它包含一些数据，这些数据将被拷贝到 read 缓存中，然后返回 Poll::Ready 说明 read 已经结束：
use super::*;
use futures::io::Error;
use futures::task::{Context, Poll};
use std::cmp::min;
use std::pin::Pin;
struct MockTcpStream {
read_data: Vec<u8>,
write_data: Vec<u8>,
}
impl Read for MockTcpStream {
fn poll_read(
self: Pin<&mut Self>,
_: &mut Context,
buf: &mut [u8],
) -> Poll<Result<usize, Error>> {
let size: usize = min(self.read_data.len(), buf.len());
buf[..size].copy_from_slice(&self.read_data[..size]);
Poll::Ready(Ok(size))
}
}
Write 的实现也类似，需要实现三个方法 : poll_write、poll_flush 与 poll_close。poll_write 会拷贝输入数据到 mock 的 TcpStream 中，当完成后返回 Poll::Ready。由于 TcpStream 无需 flush 和 close，因此另两个方法直接返回 Poll::Ready 即可。
impl Write for MockTcpStream {
fn poll_write(
mut self: Pin<&mut Self>,
_: &mut Context,
buf: &[u8],
) -> Poll<Result<usize, Error>> {
self.write_data = Vec::from(buf);
Poll::Ready(Ok(buf.len()))
}
fn poll_flush(self: Pin<&mut Self>, _: &mut Context) -> Poll<Result<(), Error>> {
Poll::Ready(Ok(()))
}
fn poll_close(self: Pin<&mut Self>, _: &mut Context) -> Poll<Result<(), Error>> {
Poll::Ready(Ok(()))
}
}
最后，我们的 MockTcpStream 需要实现 Unpin trait，表示它可以在内存中安全的移动：
use std::marker::Unpin;
impl Unpin for MockTcpStream {}
现在可以准备开始测试了，在使用初始化数据设置好 MockTcpStream 后，我们可以使用 #[async_std::test] 来运行 handle_connection 函数，该函数跟 #[async_std::main] 的作用类似。为了确保 handle_connection 函数正确工作，需要根据初始化数据检查正确的数据被写入到 MockTcpStream 中。
#[async_std::test]
async fn test_handle_connection() {
let input_bytes = b"GET / HTTP/1.1\r\n";
let mut contents = vec![0u8; 1024];
contents[..input_bytes.len()].clone_from_slice(input_bytes);
let mut stream = MockTcpStream {
read_data: contents,
write_data: Vec::new(),
};
handle_connection(&mut stream).await;
let mut buf = [0u8; 1024];
stream.read(&mut buf).await.unwrap();
let expected_contents = fs::read_to_string("hello.html").unwrap();
let expected_response = format!("HTTP/1.1 200 OK\r\n\r\n{}", expected_contents);
assert!(stream.write_data.starts_with(expected_response.as_bytes()));
}
终端执行命令 cargo test，测试通过了：
参考
- https://github.com/rustcn-org/async-book
- https://www.bilibili.com/video/BV1Ki4y1C7gj
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