用Rust设计一个并发的Web服务:常用Rust库如Tokio、Hyper等，基于TCP/IP协议栈，实现了一个简单的并发Web服务器，并结合具体的代码讲解如何编写并发Web服务器的程序

作者：禅与计算机程序设计艺术

1.简介

1994年，互联网泡沫破裂，一批优秀的程序员、工程师纷纷加入到web开发领域。而其中的Rust语言却备受瞩目，它是一种现代系统编程语言，专注于安全和并发。因此，Rust在当下成为最流行的编程语言之一，很多框架也开始使用Rust重构，这使得Rust得到了越来越多人的青睐。

2017年1月，Google发布了它的Serverless计算产品，旨在实现按需自动扩容的能力，主要由FaaS（Functions as a Service）实现。为了达成此目标，需要构建一个高性能、易扩展、可伸缩的HTTP服务器。因此，在这一背景下，Rust语言又一次变得值得学习。

本文首先会带领读者了解并发Web服务器的概念、特性及其应用场景。然后，通过学习常用Rust库如Tokio、Hyper等，基于TCP/IP协议栈，实现了一个简单的并发Web服务器，并结合具体的代码讲解如何编写并发Web服务器的程序。本文将介绍如下知识点：

2. 并发Web服务器的概念、特性及其应用场景

2.1 概念和特性

Web服务器，通常指作为网络服务端的计算机软件，其主要职责就是接受客户端的请求，响应并返回相应的内容。传统的Web服务器是一个单进程、单线程的应用程序，也就是串行处理请求。随着服务器压力的增加，这种单进程、单线程的方式无法满足需求，出现了多进程、多线程的多进程模型。然而，这种多进程、多线程模型同样存在资源竞争的问题，无法有效利用多核CPU资源。另一方面，对于每个客户端的请求都需要进行新的进程或线程的创建和销毁，导致服务器的系统开销大增。

并发Web服务器的提出，就是为了解决传统Web服务器的效率低下和资源利用率低下的问题。并发Web服务器可以同时处理多个请求，每个请求都运行在不同的线程中，从而充分利用多核CPU资源，提升服务器的吞吐量。另外，还可以通过异步IO模型来优化服务器的性能，减少请求等待的时间。

2.2 应用场景

并发Web服务器应用场景广泛，以下列举一些典型应用场景：

• 大规模并发访问： 大型网站、社交媒体网站、电商平台等，都是并发Web服务器的典型应用场景。由于访问量巨大，服务器应当能够同时响应大量的用户请求，以保证网站的正常访问。例如，京东、淘宝、网易新闻、微博等网站均使用了并发Web服务器。

• 高实时性： 在通信、金融等实时应用场景中，服务器必须能够快速响应，以保证业务数据的准确性和完整性。例如，秒杀等活动中，需要及时响应用户的请求，以保证交易的成功率。

• 低延迟： 在搜索引擎、直播、即时通讯等实时应用场景中，服务器的响应时间不能超过100ms，否则将影响用户体验。例如，YouTube、Facebook Messenger等视频网站均使用了并发Web服务器。

• 海量数据处理： 有些情况下，服务器需要处理海量的数据，这就要求服务器具有较强的处理能力。例如，搜索引擎需要处理海量的索引数据，电商平台需要处理海量的订单数据。

• 游戏服务器： 游戏服务器对实时的响应速度十分敏感，因此并发Web服务器更加适宜。例如，某著名的手游公司的游戏服务器就采用了并发Web服务器。

• 其他领域： 在传统服务器架构不能满足需求的情况下，可以使用并发Web服务器，如物联网、区块链等领域。

3. 技术选型

为了实现一个高性能、易扩展、可伸缩的HTTP服务器，本文选择了Rust语言和Tokio异步运行时。Tokio提供高度抽象的异步I/O接口，可用于构建高性能的I/O密集型应用程序。

4. 项目计划

4.1 HTTP请求解析器

HTTP请求的结构非常复杂，而且请求头部还有可能被分割成多段。为了方便后续处理，需要先对HTTP请求进行解析，提取必要的信息，如请求方法、路径、请求参数等。因此，我们会实现一个HTTP请求解析器。

请求解析器原理

请求解析器可以根据HTTP协议规范对HTTP请求进行解析，包括请求行、请求头部和请求正文。解析流程如下：

（1）接收客户端请求报文；

（2）解析请求行，获取请求方法、URL等信息；

（3）解析请求头部，获取请求头部字段及对应的值；

（4）判断是否有请求正文，如果有，则读取并保存到内存；

（5）构造请求对象，保存相关信息；

（6）返回请求对象。

请求解析器实现

use std::collections::HashMap;
use httparse::{
    
    Request, parse_request};
use bytes::BytesMut;

#[derive(Debug)]
pub struct HttpRequest {
    
    
    method: String, // 请求方法 GET / POST...
    path: String,   // 请求路径 /index.html?key=value&...
    headers: HashMap<String, String>,    // 请求头
    body: Option<Vec<u8>>,               // 请求正文
}

impl HttpRequest {
    
    
    /// 从 TCP Socket 中读取 HTTP 请求
    async fn read_from_socket(&mut self, mut reader: &mut dyn AsyncRead) -> Result<(), io::Error> {
    
    
        let mut buf = BytesMut::with_capacity(2 * 1024);
        
        loop {
    
    
            let n = reader.read_buf(&mut buf).await?;

            if n == 0 && buf.is_empty() {
    
    
                break;
            }
            
            match parse_request(&buf[..]) {
    
    
                Ok((nparsed, req)) => {
    
    
                    println!("Parsed request:
{:#?}", req);
self.parse(req)?;
return Ok(());
},
Err(_) => continue,
}

            // 如果请求还没有结束，则继续读取剩余部分
            buf.split_to(nparsed);
        }

        // 如果没有完整的请求，则认为客户端断开连接
        Err(io::ErrorKind::ConnectionReset.into())
    }

    fn parse(&mut self, req: Request) -> Result<(), ()> {
    
    
        // 解析请求行
        if req.method.len() > 0 {
    
    
            self.method = unsafe {
    
     String::from_utf8_unchecked(req.method.to_vec()) };
        } else {
    
    
            return Err(());
        }
        if req.path.len() > 0 {
    
    
            self.path = unsafe {
    
     String::from_utf8_unchecked(req.path.to_vec()) };
        } else {
    
    
            return Err(());
        }

        // 解析请求头
        for header in req.headers.iter() {
    
    
            let key = unsafe {
    
     String::from_utf8_unchecked(header.name.to_vec()) };
            let value = unsafe {
    
     String::from_utf8_unchecked(header.value.to_vec()) };
            self.headers.insert(key, value);
        }

        // 判断是否有请求正文
        if let Some(body) = req.body {
    
    
            self.body = Some(body.to_vec());
        }

        Ok(())
    }
}

4.2 浏览器缓存机制

当浏览器向服务器发送HTTP请求时，它可以设置Cache-Control、If-Modified-Since等HTTP头字段控制缓存行为。其中，Cache-Control头字段指定请求/响应遵循的缓存规则，如public、private、max-age等；If-Modified-Since头字段表示客户机只想比指定的日期更新的缓存，服务器端在收到该请求时，检查文件是否有变化，有变化的话才返回新的响应。

通过Cache-Control头字段，可以在服务器端实现以下缓存策略：

（1）public：可以被所有中间件缓存；

（2）private：不允许被共享缓存（比如CDN缓存）；

（3）no-cache：每次需要去源站校验资源的有效性；

（4）max-age：缓存的最大有效期，单位为秒；

（5）no-store：所有内容都不会被缓存。

目前，缓存管理模块还处于初级阶段，只支持部分功能。

#[derive(Debug, Clone)]
enum CacheType {
    
    
Public,     // 可以被所有中间件缓存
Private,    // 不允许被共享缓存（比如CDN缓存）
NoCache,    // 每次需要去源站校验资源的有效性
MaxAge(i32),// 缓存的最大有效期，单位为秒
NoStore,    // 所有内容都不会被缓存
}

#[derive(Debug, Clone)]
pub struct CacheConfig {
    
    
cache_type: CacheType,
max_stale: i32,
min_fresh: i32,
no_transform: bool,
}

#[derive(Debug)]
pub struct CachedResponse {
    
    
status_code: u16,
version: String,      // "HTTP/1.1" 或 "HTTP/2.0"
headers: Vec<(String, String)>,   // 响应头
content: Vec<u8>,        // 响应正文
}

#[derive(Debug)]
pub struct HttpCacheManager {
    
    }

impl HttpCacheManager {
    
    
pub fn new() -> Self {
    
    
    Self {
    
    }
}

pub fn is_cached(&self, config: &CacheConfig, response: &CachedResponse) -> bool {
    
    
    true // 此处添加判断逻辑
}

pub fn save_response(&self, config: &CacheConfig, response: &mut HttpResponse) -> Result<bool, ()> {
    
    
    false // 此处添加存储逻辑
}
}

4.3 文件处理

在HTTP服务器中，一般都会涉及文件的上传下载、缓存查找、静态资源托管等。因此，需要有一个文件处理模块，负责处理HTTP请求中的文件。

文件处理模块需要具备以下功能：

1. 支持Range请求，可以实现断点续传；
2. 实现基本的文件权限验证和目录列表显示；
3. 支持压缩传输；
4. 支持虚拟主机，可以根据域名来决定服务哪些目录；

文件处理原理

文件处理模块根据HTTP请求中的URI，定位对应的文件并读取内容。下面给出文件的读取过程：

1. 根据URI定位对应的文件，可以考虑采用虚拟目录（Virtual Directory）的方式，把目录映射到本地磁盘上的特定位置。虚拟目录的配置文件通常保存在服务器上，所以修改起来比较简单。
2. 检查文件权限，如果文件不可读或者不存在，则返回错误页面；
3. 对GET方式的请求，读取文件内容并组装响应消息；
4. 对HEAD方式的请求，只需要复制响应消息头即可，不需要实际读取文件内容；
5. 对POST方式的请求，写入文件的内容，或者执行文件上传操作；
6. 对PUT方式的请求，创建一个新的文件，写入新内容，或者执行文件上传操作；
7. 对DELETE方式的请求，删除文件。

文件处理实现

use std::collections::HashMap;
use tokio::fs::File;
use mime_guess::MimeGuess;
use hyper::{
    
    Body, Response, StatusCode};

#[derive(Debug, Clone)]
pub struct FileContext {
    
    
base_dir: PathBuf,          // 服务根目录
virtual_dirs: HashMap<String, PathBuf>,   // 虚拟目录配置
index_files: Vec<String>,              // 默认索引文件
}

impl Default for FileContext {
    
    
fn default() -> Self {
    
    
    Self {
    
    
        base_dir: "/var/www".into(),
        virtual_dirs: HashMap::new(),
        index_files: vec!["index.html", "default.htm"],
    }
}
}

impl FileContext {
    
    
/// 设置服务根目录
pub fn set_base_dir(&mut self, dir: &str) -> Result<(), std::io::Error> {
    
    
    self.base_dir = PathBuf::from(dir);
    Ok(())
}

/// 添加虚拟目录
pub fn add_virtual_dir(&mut self, name: &str, dir: &str) -> Result<(), std::io::Error> {
    
    
    self.virtual_dirs.insert(name.into(), PathBuf::from(dir));
    Ok(())
}

/// 删除虚拟目录
pub fn remove_virtual_dir(&mut self, name: &str) -> bool {
    
    
    self.virtual_dirs.remove(name).is_some()
}

/// 获取文件内容
pub async fn get_file_content(&self, uri: &str) -> Result<Option<Vec<u8>>, std::io::Error> {
    
    
    let file_path = self.get_file_path(uri)?;
    if!file_path.exists() ||!file_path.is_file() {
    
    
        return Ok(None);
    }
    let f = File::open(file_path).await?;
    Ok(Some(f.bytes().await?.collect()))
}

/// 获取文件路径
fn get_file_path(&self, uri: &str) -> Result<PathBuf, std::io::Error> {
    
    
    let (virtual_dir, real_path) = self.resolve_virtual_dir(uri)?;
    
    let mut p = self.base_dir.clone();
    if let Some(vd) = virtual_dir {
    
    
        p.push(vd);
    }
    p.push(real_path);
    Ok(p)
}

/// 解析虚拟目录和真实路径
fn resolve_virtual_dir(&self, uri: &str) -> Result<(Option<&str>, &str), std::io::Error> {
    
    
    let parts: Vec<_> = uri.trim_start_matches('/').split('/').collect();
    if parts.len() < 2 {
    
    
        return Err(std::io::Error::new(std::io::ErrorKind::NotFound, "Not Found"));
    }
    
    let vd = parts[0];
    let vp = parts[1..].join("/");
    if let Some(vdp) = self.virtual_dirs.get(vd) {
    
    
        return Ok((Some(&*vdp.display()), &vp));
    }
    Ok((None, &vp))
}
}

trait MimeExt {
    
    
fn to_mime_string(&self) -> String;
}

impl MimeExt for MimeGuess {
    
    
fn to_mime_string(&self) -> String {
    
    
    format!("{}", self.first_raw())
}
}

impl FileContext {
    
    
/// 返回默认索引文件内容
pub async fn get_default_page(&self) -> Option<Vec<u8>> {
    
    
    for filename in &self.index_files {
    
    
        if let Some(data) = self.get_file_content(filename).await? {
    
    
            return Some(data);
        }
    }
    None
}

/// 返回HTTP响应
pub async fn create_response(&self, uri: &str) -> Option<Response<Body>> {
    
    
    if let Some(data) = self.get_file_content(uri).await? {
    
    
        return Some(create_http_response(&uri, data)?);
    }
    None
}
}

fn create_http_response(uri: &str, data: Vec<u8>) -> Option<Response<Body>> {
    
    
let mut resp = Response::builder();

// 设置响应状态码和版本
let code = if uri.ends_with("/") {
    
    
    StatusCode::OK
} else {
    
    
    StatusCode::NOT_FOUND
};
resp.status(code);
resp.version("HTTP/1.1");

// 设置响应头
let ext = uri.rfind('.').unwrap_or(0);
let ct = if ext >= 0 {
    
    
    let mt = mime:: guess_mime_type(&uri[(ext + 1)..]);
    format!("{}; charset={}", mt, encoding_for_mime_type(mt))
} else {
    
    
    DEFAULT_MIME_TYPE.into()
};
resp.header("Content-Type", ct.as_str());
resp.header("Content-Length", data.len());
resp.header("Last-Modified", Utc::now().to_rfc2822());
resp.header("Accept-Ranges", "bytes");
resp.body(data.into()).ok()
}

const DEFAULT_MIME_TYPE: &str = "application/octet-stream";

fn encoding_for_mime_type(ct: &str) -> &'static str {
    
    
match ct {
    
    
    _ if ct.starts_with("text/") => "UTF-8",
    "image/" | "video/" | "audio/" => "binary",
    _ => "",
}
}