使用rust写一个Web服务器——多线程版本

仓库地址: 1037827920/web-server: 使用rust编写的简单web服务器 (github.com)

模拟慢请求

一个单线程版本的web服务器只能一次处理一个请求,可是如果一个请求持续的时间太长,就会导致其他请求有可能饥饿,下面使用sleep方式让每次请求持续5s,模拟真实的慢请求:

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use std::{
fs,
io::{prelude::*, BufReader},
net::{TcpListener, TcpStream},
thread,
time::Duration,
};

fn main() {
// 监听本地8080端口
let listener = TcpListener::bind("localhost:8080").unwrap();

for stream in listener.incoming() {
let stream = stream.unwrap();

// 处理连接
handle_connection(stream);
}
}

fn handle_connection(mut stream: TcpStream) {
let buf_reader = BufReader::new(&mut stream);
// 使用next而不是lines,因为我们只需要读取第一行,判断具体的request方法
let request_line = buf_reader.lines().next().unwrap().unwrap();

// match方法不会像之前的方法那样自动做引用或解引用,因此我们需要显式调用
let (status_line, filename) = match &request_line[..] {
"GET / HTTP/1.1" => ("HTTP/1.1 200 OK", "hello.html"), // 请求 / 资源
"GET /sleep HTTP/1.1" => { // 请求 /sleep 资源
thread::sleep(Duration::from_secs(5));
("HTTP/1.1 200 OK", "hello.html")
}
_ => ("HTTP/1.1 404 NOT FOUND", "404.html"),
};

// 读取文件内容
let contents = fs::read_to_string(filename).unwrap();
let length = contents.len();

// 格式化HTTP Response
let response =
format!("{status_line}\r\nContent-Length: {length}\r\n\r\n{contents}");

// 将response写入stream
stream.write_all(response.as_bytes()).unwrap();
}

运行代码后访问localhost:8080/sleep,然后紧接着继续运行localhost:8080,会发现后者的请求必须等待前者完成后才能被处理,下面使用线程池改善吞吐量

多线程Web服务器实现

线程池: 包含一组已经生成的线程,它们时刻等待着接收并处理新的任务,当程序接收到新任务时,它会将线程池中的一个线程指派给该任务,在该线程忙着处理时,新来的任务交给池中剩余的线程进行处理,最终,当执行任务的线程处理完后,它会被重新放入到线程池中,准备处理新任务。注意: 需要限制线程池中的线程数量,以保护服务器免受拒绝服务攻击(DoS)的影响:如果针对每个请求创建一个新线程,那么一个人向我们的服务器发出1000万个请求,会直接耗尽资源,导致后续用户的请求无法被处理,这也是拒绝服务名称的来源。

因此,需要对线程池进行一定的架构设计,首先是设定最大线程数的上限,其次是维护一个请求队列。池中的线程去队列中依次弹出请求并处理。

为每个请求单独生成一个线程

修改main函数,每次处理一个任务就创建一个新的线程并执行任务

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use std::{
fs,
io::{prelude::*, BufReader},
net::{TcpListener, TcpStream},
thread,
time::Duration,
};

fn main() {
let listener = TcpListener::bind("localhost:8080").unwrap();

for stream in listener.incoming() {
let stream = stream.unwrap();

thread::spawn(|| {
handle_connection(stream);
});
}
}

fn handle_connection(mut stream: TcpStream) {
let buf_reader = BufReader::new(&mut stream);
// 使用next而不是lines,因为我们只需要读取第一行,判断具体的request方法
let request_line = buf_reader.lines().next().unwrap().unwrap();

// match方法不会像之前的方法那样自动做引用或解引用,因此我们需要显式调用
let (status_line, filename) = match &request_line[..] {
"GET / HTTP/1.1" => ("HTTP/1.1 200 OK", "hello.html"), // 请求 / 资源
"GET /sleep HTTP/1.1" => { // 请求 /sleep 资源
thread::sleep(Duration::from_secs(5));
("HTTP/1.1 200 OK", "hello.html")
}
_ => ("HTTP/1.1 404 NOT FOUND", "404.html"),
};

// 读取文件内容
let contents = fs::read_to_string(filename).unwrap();
let length = contents.len();

// 格式化HTTP Response
let response =
format!("{status_line}\r\nContent-Length: {length}\r\n\r\n{contents}");

// 将response写入stream
stream.write_all(response.as_bytes()).unwrap();
}

这样简单粗暴就能实现多线程的Web服务器,但是这样不能达到限制线程池中线程数的效果

限制创建线程的数量

利用线程池,继续修改main函数

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fn main() {
let listener = TcpListener::bind("localhost:8080").unwrap();
// 首先创建一个包含4个线程的线程池
let pool = ThreadPool::new(4);

for stream in listener.incoming() {
let stream = stream.unwrap();

// 分发执行请求
pool.execute(|| {
handle_connection(stream)
});
}
}

可以看出,我们至少要实现ThreadPool这个结构体和execute方法

ThreadPool的初始化

首先要确定使用new还是build来初始化ThreadPool实例,new往往用于简单初始化一个实例,而build往往会完成更加复杂的构建工作,我们并不需要在初始化线程池的同时创建相应的线程,因此new更合适。

在src/lib.rs写入以下代码:

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pub struct ThreadPool;

impl ThreadPool {
/// # 函数功能
/// 创建一个新的线程池
pub fn new(size: usize) -> ThreadPool {
assert!(size > 0);

ThreadPool
}

/// # 函数功能
/// 执行传入的函数f
pub fn execute<F>(&self, f: F)
where
F: FnOnce() + Send + 'static
{
todo!();
}
}

在src/main.rs中导入lib.rs的ThreadPool:

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use <project_name>::ThreadPool;

ThreadPool的存储

ThreadPool作为一个线程池,肯定是要能够存储线程的对吧,继续修改ThreadPool,添加threads字段,使其能够存储线程

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use std::thread::{self, Thread};

pub struct ThreadPool {
threads: Vec<thread::JoinHandle<()>>,
}

impl ThreadPool {
/// # 函数功能
/// 创建一个新的线程池
pub fn new(size: usize) -> ThreadPool {
assert!(size > 0);

// 使用with_capacity可以提前分配好内存空间,比Vec::new的性能好
let mut threads = Vec::with_capacity(size);

for _ in 0..size {
// 创建线程并将其存储在vector中
todo!();
}

ThreadPool { threads }
}

/// # 函数功能
/// 执行传入的函数f
pub fn execute<F>(&self, f: F)
where
F: FnOnce() + Send + 'static
{
todo!();
}
}

ThreadPool的设计

使用thread::spawn是生成线程的最好方式,但是它会立即执行传入的任务,我们需要的是创建线程和执行任务是要分离的。也就是说,我们可以先创建线程后这个线程就进入loop循环等待,直到有执行任务的信号过来这个线程才会执行任务。

可以考虑创建一个Worker结构体,存放id和对应的线程。作为ThreadPool和任务线程联系的桥梁,通过channel,ThreadPool持有Sender,通过execute方法将任务发送给Worker,而Worker持有Receiver,在loop循环中接收ThreadPool发送过来的任务。

ThreadPool结构体:

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use std::{
sync::{mpsc, Arc, Mutex},
thread,
};

pub struct ThreadPool {
workers: Vec<Worker>,
sender: mpsc::Sender<Job>,
}

impl ThreadPool {
/// # 函数功能
/// 创建一个新的线程池
pub fn new(size: usize) -> ThreadPool {
assert!(size > 0);

// 获得Sender和Receiver
let (sender, receiver) = mpsc::channel();

// receiver会在多线程中移动,因此要保证线程安全,需要使用Arc和Mutex。Arc可以允许多个Worker同时持有Receiver,而Mutex可以确保一次只有一个Worker能从Receiver中获取任务,防止任务被多次执行
let receiver = Arc::new(Mutex::new(receiver));

let mut workers = Vec::with_capacity(size);

for id in 0..size {
workers.push(Worker::new(id, Arc::clone(&receiver)));
}

ThreadPool { workers, sender }
}
/// # 函数功能
/// 执行传入的函数f
pub fn execute<F>(&self, f: F)
where
F: FnOnce() + Send + 'static
{
let job = Box::new(f);
// Sender往通道中发送任务
self.sender.send(job).unwrap();
}
}

Worker结构体:

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// 闭包的大小编译是未知的,使用Box可以在堆上动态分配内存,从而存储闭包
type Job = Box<dyn FnOnce() + Send + 'static>;

struct Worker {
id: usize,
thread: thread::JoinHandle<()>,
}

impl Worker {
fn new(id: usize, receiver: Arc<Mutex<mpsc::Receiver<Job>>>) -> Worker {
let thread = thread::spawn(move || loop {
// Receiver会阻塞直到有任务
let job = receiver.lock().unwrap().recv().unwrap();

println!("Workder {id} got a job; executing");
// 执行任务
job();
});
// 让每个Worker都拥有自己的唯一id
Worker { id, thread }
}
}

关闭和资源清理

为ThreadPool实现Drop

当线程池被Drop时,需要等待所有的子线程完成它们的工作,然后再退出:

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struct Worker {
id: usize,
// 因为Worker中的thread字段的JoinHandle类型没有实现copy trait,可以修改Worker的thread字段,使用Option,然后通过take可以拿走内部值的所有权,同时留下一个None
thread: Option<thread::JoinHandle<()>>,
}
impl Worker {
fn new(id: usize, receiver: Arc<Mutex<mpsc::Receiver<Job>>>) -> Worker {
let thread = thread::spawn(move || loop {
let job = receiver.lock().unwrap().recv().unwrap();

println!("Workder {id} got a job; executing");
job();
});
// 让每个Worker都拥有自己的唯一id
Worker {
id,
thread: Some(thread)
}
}
}

impl Drop for ThreadPool {
fn drop(&mut self) {
for worker in &mut self.workers {
println!("Shuting down worker {}", worker.id);
if let Some(thread) = worker.thread.take() {
thread.join().unwrap();
}
}
}
}

停止工作线程

虽然调用了join,但是目标线程依然不会停止,原因在于它们在无限地loop循环等待,需要channel的drop机制:释放sender后,receiver会收到错误,然后再退出

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pub struct ThreadPool {
workers: Vec<Worker>,
// 增加Option封装,这样可以用take拿走所有权
sender: Option<mpsc::Sender<Job>>,
}

impl ThreadPool {
pub fn new(size: usize) -> ThreadPool {
assert!(size > 0);

let (sender, receiver) = mpsc::channel();

let receiver = Arc::new(Mutex::new(receiver));

let mut workers = Vec::with_capacity(size);

for id in 0..size {
workers.push(Worker::new(id, Arc::clone(&receiver)));
}

ThreadPool {
workers,
sender: Some(sender)
}
}
pub fn execute<F>(&self, f: F)
where
F: FnOnce() + Send + 'static
{
let job = Box::new(f);
self.sender.as_ref().unwrap().send(job).unwrap();
}
}

impl Drop for ThreadPool {
fn drop(&mut self) {
// 主动调用drop关闭sender
drop(self.sender.take());

for worker in &mut self.workers {
println!("Shuting down worker {}", worker.id);
if let Some(thread) = worker.thread.take() {
thread.join().unwrap();
}
}
}
}

当sender被关闭后,将关闭对应的channel,所以loop的receiver就会收到一个错误,根据错误再进一步的错误:

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impl Worker {
fn new(id: usize, receiver: Arc<Mutex<mpsc::Receiver<Job>>>) -> Worker {
let thread = thread::spawn(move || loop {
let message = receiver.lock().unwrap().recv();

match message {
Ok(job) => {
println!("Worker {id} got a job; executing");
job();
}
Err(_) => {
println!("Worker {id} disconnected; shutting down.");
break;
}
}
});

Worker {
id,
thread: Some(thread),
}
}
}

测试

为了验证代码的正确性,修改main:

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fn main() {
let listener = TcpListener::bind("localhost:8080").unwrap();
let pool = ThreadPool::new(4);

for stream in listener.incoming().take(2) {
let stream = stream.unwrap();

pool.execute(|| {
handle_connection(stream);
});
}

println!("Shutting down.");
}

使用rust写一个Web服务器——多线程版本
http://example.com/2024/10/02/使用rust写一个Web服务器——多线程版本/
作者
凌云行者
发布于
2024年10月2日
许可协议