实战:Zig 编写高性能 Web 服务(2)

news2024/11/17 11:30:52

1.1 编写 HTTP server

我们从python -m http.server 8000启动得到灵感,先确定好目标:

  • 编写一个HTTP/1.1 http server
  • zig version 0.12.0

使用zig init搭建项目的前置工作你先自行搭建好,不会的翻看前面铺垫的章节熟悉zig的项目结构。

关键文件build.zig:

const std = @import("std");

// Although this function looks imperative, note that its job is to
// declaratively construct a build graph that will be executed by an external
// runner.
pub fn build(b: *std.Build) void {
    // Standard target options allows the person running `zig build` to choose
    // what target to build for. Here we do not override the defaults, which
    // means any target is allowed, and the default is native. Other options
    // for restricting supported target set are available.
    const target = b.standardTargetOptions(.{});

    // Standard optimization options allow the person running `zig build` to select
    // between Debug, ReleaseSafe, ReleaseFast, and ReleaseSmall. Here we do not
    // set a preferred release mode, allowing the user to decide how to optimize.
    const optimize = b.standardOptimizeOption(.{});

    const exe = b.addExecutable(.{
        .name = "zig-http-server",
        .root_source_file = .{ .path = "src/main.zig" },
        .target = target,
        .optimize = optimize,
        // .use_llvm = false,
        // .use_lld = false,
    });

    const xev = b.dependency("libxev", .{ .target = target, .optimize = optimize });
    exe.root_module.addImport("xev", xev.module("xev"));

    // This declares intent for the executable to be installed into the
    // standard location when the user invokes the "install" step (the default
    // step when running `zig build`).
    b.installArtifact(exe);

    // This *creates* a Run step in the build graph, to be executed when another
    // step is evaluated that depends on it. The next line below will establish
    // such a dependency.
    const run_cmd = b.addRunArtifact(exe);

    // By making the run step depend on the install step, it will be run from the
    // installation directory rather than directly from within the cache directory.
    // This is not necessary, however, if the application depends on other installed
    // files, this ensures they will be present and in the expected location.
    run_cmd.step.dependOn(b.getInstallStep());

    // This allows the user to pass arguments to the application in the build
    // command itself, like this: `zig build run -- arg1 arg2 etc`
    if (b.args) |args| {
        run_cmd.addArgs(args);
    }

    // This creates a build step. It will be visible in the `zig build --help` menu,
    // and can be selected like this: `zig build run`
    // This will evaluate the `run` step rather than the default, which is "install".
    const run_step = b.step("run", "Run the app");
    run_step.dependOn(&run_cmd.step);
}

build.zig.zon文件:

.{
    .name = "zig-http-server",
    .version = "0.0.0",
    .dependencies = .{
        .libxev = .{
            .url = "https://codeload.github.com/mitchellh/libxev/tar.gz/b3f9918776b8700b337b7ebe769060328fe246b0",
            .hash = "122044caf67c7833c7110dc93531031899e459a6818ed125a0bcfdb0b5243bd7700b",
        },
    },
    .paths = .{
        "",
    },
}

马上开始我们的编程之旅,打开src/main.zig文件:

const std = @import("std");
const xev = @import("xev");

const net = std.net;
const Allocator = std.mem.Allocator;

const CompletionPool = std.heap.MemoryPoolExtra(xev.Completion, .{});
const ClientPool = std.heap.MemoryPoolExtra(Client, .{});

const xev = @import("xev");

我们采用了第三方的类库:mitchellh/libxev,libxev 是一个跨平台、高性能的事件循环库,提供了非阻塞 IO、定时器、事件等的抽象,并且能够在 Linux(io_uring 或 epoll)、macOS(kqueue)以及 Wasm + WASI 上运行。它既可以作为 Zig 语言的 API,也可以作为 C 语言的 API 使用。

我们需要建一个Client的结构体,代表一个网络客户端。这个客户端结构体包含了几个字段,如id(客户端ID)、socket(网络套接字)、loop(事件循环)、arena(内存分配器)、client_pool(客户端内存池)和completion_pool(完成操作内存池)。此外,它还有一个用于读取数据的缓冲区read_buf。

Client结构体还定义以下方法:

  • work:这个方法启动客户端的工作流程,它创建了一个Completion对象,并使用socket.read方法开始读取数据。
  • readCallback:这个回调函数在数据读取完成后被调用。它处理读取的结果,如果成功,则打印出读取的数据,并准备一个HTTP响应。然后,它使用socket.write方法发送响应。
  • writeCallback:这个回调函数在响应发送完成后被调用。它关闭套接字连接。
  • shutdownCallback:这个回调函数在套接字关闭后被调用。它调用socket.close方法来关闭套接字。
  • closeCallback:这个回调函数在套接字关闭完成后被调用。它清理资源,包括销毁Completion对象和Client对象本身。
  • destroy:这个方法用于手动销毁客户端资源。

这个Client结构体实现了一个简单的HTTP服务器,它能够读取客户端的请求,并返回一个包含"Hello, World!"消息的HTTP响应。每个客户端都有自己的内存分配器和内存池,用于管理内存分配和释放。当客户端连接关闭时,所有分配的内存都会被清理。代码片段如下:

const Client = struct {
    id: u32,
    socket: xev.TCP,
    loop: *xev.Loop,
    arena: std.heap.ArenaAllocator,
    client_pool: *ClientPool,
    completion_pool: *CompletionPool,
    read_buf: [4096]u8 = undefined,

    const Self = @This();

    pub fn work(self: *Self) void {
        const c_read = self.completion_pool.create() catch unreachable;
        self.socket.read(self.loop, c_read, .{ .slice = &self.read_buf }, Client, self, Client.readCallback);
    }

    pub fn readCallback(
        self_: ?*Client,
        l: *xev.Loop,
        c: *xev.Completion,
        s: xev.TCP,
        buf: xev.ReadBuffer,
        r: xev.TCP.ReadError!usize,
    ) xev.CallbackAction {
        const self = self_.?;
        const n = r catch |err| {
            std.log.err("read error {any}", .{err});
            s.shutdown(l, c, Client, self, shutdownCallback);
            return .disarm;
        };
        const data = buf.slice[0..n];

        std.log.info("{s}", .{data});

        const httpOk =
            \\HTTP/1.1 200 OK
            \\Content-Type: text/plain
            \\Server: xev-http
            \\Content-Length: {d}
            \\Connection: close
            \\
            \\{s}
        ;

        const content_str =
            \\Hello, World! {d}
        ;

        const content = std.fmt.allocPrint(self.arena.allocator(), content_str, .{self.id}) catch unreachable;
        const res = std.fmt.allocPrint(self.arena.allocator(), httpOk, .{ content.len, content }) catch unreachable;

        self.socket.write(self.loop, c, .{ .slice = res }, Client, self, writeCallback);

        return .disarm;
    }

    fn writeCallback(
        self_: ?*Client,
        l: *xev.Loop,
        c: *xev.Completion,
        s: xev.TCP,
        buf: xev.WriteBuffer,
        r: xev.TCP.WriteError!usize,
    ) xev.CallbackAction {
        _ = buf; // autofix
        _ = r catch unreachable;

        const self = self_.?;
        s.shutdown(l, c, Client, self, shutdownCallback);

        return .disarm;
    }

    fn shutdownCallback(
        self_: ?*Client,
        l: *xev.Loop,
        c: *xev.Completion,
        s: xev.TCP,
        r: xev.TCP.ShutdownError!void,
    ) xev.CallbackAction {
        _ = r catch {};

        const self = self_.?;
        s.close(l, c, Client, self, closeCallback);
        return .disarm;
    }

    fn closeCallback(
        self_: ?*Client,
        l: *xev.Loop,
        c: *xev.Completion,
        socket: xev.TCP,
        r: xev.TCP.CloseError!void,
    ) xev.CallbackAction {
        _ = l;
        _ = r catch unreachable;
        _ = socket;

        var self = self_.?;
        self.arena.deinit();
        self.completion_pool.destroy(c);
        self.client_pool.destroy(self);
        return .disarm;
    }

    pub fn destroy(self: *Self) void {
        self.arena.deinit();
        self.client_pool.destroy(self);
    }
};

 我们还需要定义名为Server的结构体,它代表了一个网络服务器。这个服务器结构体包含了几个字段,如loop(事件循环)、gpa(全局内存分配器)、completion_pool(完成操作内存池)、client_pool(客户端内存池)和conns(当前连接数)。

Server结构体定义了一个方法:

  • acceptCallback:这个回调函数在服务器接受到新的客户端连接时被调用。它创建了一个新的Client对象,并初始化它的各个字段,包括客户端ID、事件循环、网络套接字、内存分配器和内存池。然后,它调用client.work()方法来开始处理客户端请求。

这个回调函数的目的是接受新的客户端连接,并为每个连接创建一个Client实例来处理它。在创建了新的客户端实例后,它会增加conns计数器来记录当前的连接数。最后,它返回xev.CallbackAction.rearm,这意味着服务器会继续监听新的连接。

这个Server结构体实现了一个简单的网络服务器,它能够接受客户端连接,并为每个连接创建一个Client对象来处理通信。服务器使用内存池来管理客户端实例的内存分配,以提高性能和减少内存碎片。代码片段如下:

const Server = struct {
    loop: *xev.Loop,
    gpa: Allocator,
    completion_pool: *CompletionPool,
    client_pool: *ClientPool,
    conns: u32 = 0,

    fn acceptCallback(
        self_: ?*Server,
        l: *xev.Loop,
        // we ignore the completion, to keep the accept loop going for new connections
        _: *xev.Completion,
        r: xev.TCP.AcceptError!xev.TCP,
    ) xev.CallbackAction {
        const self = self_.?;
        var client = self.client_pool.create() catch unreachable;
        client.* = Client{
            .id = self.conns,
            .loop = l,
            .socket = r catch unreachable,
            .arena = std.heap.ArenaAllocator.init(self.gpa),
            .client_pool = self.client_pool,
            .completion_pool = self.completion_pool,
        };
        client.work();

        self.conns += 1;

        return .rearm;
    }
};

1.2 进入main实现

main整体流程是:

  1. 初始化线程池和事件循环。
  2. 创建一个TCP套接字,并绑定到指定的地址和端口。
  3. 开始监听传入的连接。
  4. 初始化完成池和客户端池。
  5. 创建一个服务器结构体,包含所有必要的组件。
  6. 注册一个接受连接的回调函数。
  7. 运行事件循环,等待连接和处理事件。

http服务处理的就是多线程,所以我们借助了第三方类库xev来管理线程池。

var thread_pool = xev.ThreadPool.init(.{});
    defer thread_pool.deinit();
    defer thread_pool.shutdown();
  •  我们创建了一个xev.ThreadPool类型的变量thread_pool,并初始化它。xev是一个库,ThreadPool是这个库中的一个类型,用于管理线程池。
  • defer关键字用于注册一个函数,这个函数会在当前作用域结束时被调用。这里我们注册了thread_pool.deinit()和thread_pool.shutdown(),确保线程池在程序结束时被正确关闭和清理。
const port = 3000;
const addr = try net.Address.parseIp4("0.0.0.0", port);
var socket = try xev.TCP.init(addr);

std.log.info("Listening on port {}", .{port});

try socket.bind(addr);
try socket.listen(std.os.linux.SOMAXCONN);

绑定socket接口的方式,可以看出zig的简洁之道,和C一样。

socket.accept(&loop, c, Server, &server, Server.acceptCallback);

这行代码调用socket.accept方法,用于接受传入的连接。这个方法需要几个参数:

  • &loop:事件循环的引用,用于注册接受连接的事件。
  • c:完成事件的引用,用于在连接被接受时通知服务器。
  • Server:服务器结构体的类型,用于类型检查。
  • &server:服务器结构体的引用,用于在接受连接时传递给回调函数。
  • Server.acceptCallback:服务器结构体中的一个函数,当连接被接受时会被调用。
try loop.run(.until_done);

这行代码启动事件循环,并开始处理事件。run方法会阻塞当前线程,直到事件循环被关闭或者发生错误。.until_done是一个枚举值,表示事件循环应该运行直到所有任务都完成。

然后在项目直接运行zig build run就可以启动。main.zig完整代码如下:

const std = @import("std");
const xev = @import("xev");

const net = std.net;
const Allocator = std.mem.Allocator;

const CompletionPool = std.heap.MemoryPoolExtra(xev.Completion, .{});
const ClientPool = std.heap.MemoryPoolExtra(Client, .{});

pub fn main() !void {
    var thread_pool = xev.ThreadPool.init(.{});
    defer thread_pool.deinit();
    defer thread_pool.shutdown();

    var loop = try xev.Loop.init(.{
        .entries = 4096,
        .thread_pool = &thread_pool,
    });
    defer loop.deinit();

    var gpa = std.heap.GeneralPurposeAllocator(.{}){};
    defer _ = gpa.deinit();
    const alloc = gpa.allocator();

    const port = 3000;
    const addr = try net.Address.parseIp4("0.0.0.0", port);
    var socket = try xev.TCP.init(addr);

    std.log.info("Listening on port {}", .{port});

    try socket.bind(addr);
    try socket.listen(std.os.linux.SOMAXCONN);

    var completion_pool = CompletionPool.init(alloc);
    defer completion_pool.deinit();

    var client_pool = ClientPool.init(alloc);
    defer client_pool.deinit();

    const c = try completion_pool.create();
    var server = Server{
        .loop = &loop,
        .gpa = alloc,
        .completion_pool = &completion_pool,
        .client_pool = &client_pool,
    };

    socket.accept(&loop, c, Server, &server, Server.acceptCallback);
    try loop.run(.until_done);
}

const Client = struct {
    id: u32,
    socket: xev.TCP,
    loop: *xev.Loop,
    arena: std.heap.ArenaAllocator,
    client_pool: *ClientPool,
    completion_pool: *CompletionPool,
    read_buf: [4096]u8 = undefined,

    const Self = @This();

    pub fn work(self: *Self) void {
        const c_read = self.completion_pool.create() catch unreachable;
        self.socket.read(self.loop, c_read, .{ .slice = &self.read_buf }, Client, self, Client.readCallback);
    }

    pub fn readCallback(
        self_: ?*Client,
        l: *xev.Loop,
        c: *xev.Completion,
        s: xev.TCP,
        buf: xev.ReadBuffer,
        r: xev.TCP.ReadError!usize,
    ) xev.CallbackAction {
        const self = self_.?;
        const n = r catch |err| {
            std.log.err("read error {any}", .{err});
            s.shutdown(l, c, Client, self, shutdownCallback);
            return .disarm;
        };
        const data = buf.slice[0..n];

        std.log.info("{s}", .{data});

        const httpOk =
            \\HTTP/1.1 200 OK
            \\Content-Type: text/plain
            \\Server: xev-http
            \\Content-Length: {d}
            \\Connection: close
            \\
            \\{s}
        ;

        const content_str =
            \\Hello, World! {d}
        ;

        const content = std.fmt.allocPrint(self.arena.allocator(), content_str, .{self.id}) catch unreachable;
        const res = std.fmt.allocPrint(self.arena.allocator(), httpOk, .{ content.len, content }) catch unreachable;

        self.socket.write(self.loop, c, .{ .slice = res }, Client, self, writeCallback);

        return .disarm;
    }

    fn writeCallback(
        self_: ?*Client,
        l: *xev.Loop,
        c: *xev.Completion,
        s: xev.TCP,
        buf: xev.WriteBuffer,
        r: xev.TCP.WriteError!usize,
    ) xev.CallbackAction {
        _ = buf; // autofix
        _ = r catch unreachable;

        const self = self_.?;
        s.shutdown(l, c, Client, self, shutdownCallback);

        return .disarm;
    }

    fn shutdownCallback(
        self_: ?*Client,
        l: *xev.Loop,
        c: *xev.Completion,
        s: xev.TCP,
        r: xev.TCP.ShutdownError!void,
    ) xev.CallbackAction {
        _ = r catch {};

        const self = self_.?;
        s.close(l, c, Client, self, closeCallback);
        return .disarm;
    }

    fn closeCallback(
        self_: ?*Client,
        l: *xev.Loop,
        c: *xev.Completion,
        socket: xev.TCP,
        r: xev.TCP.CloseError!void,
    ) xev.CallbackAction {
        _ = l;
        _ = r catch unreachable;
        _ = socket;

        var self = self_.?;
        self.arena.deinit();
        self.completion_pool.destroy(c);
        self.client_pool.destroy(self);
        return .disarm;
    }

    pub fn destroy(self: *Self) void {
        self.arena.deinit();
        self.client_pool.destroy(self);
    }
};

const Server = struct {
    loop: *xev.Loop,
    gpa: Allocator,
    completion_pool: *CompletionPool,
    client_pool: *ClientPool,
    conns: u32 = 0,

    fn acceptCallback(
        self_: ?*Server,
        l: *xev.Loop,
        // we ignore the completion, to keep the accept loop going for new connections
        _: *xev.Completion,
        r: xev.TCP.AcceptError!xev.TCP,
    ) xev.CallbackAction {
        const self = self_.?;
        var client = self.client_pool.create() catch unreachable;
        client.* = Client{
            .id = self.conns,
            .loop = l,
            .socket = r catch unreachable,
            .arena = std.heap.ArenaAllocator.init(self.gpa),
            .client_pool = self.client_pool,
            .completion_pool = self.completion_pool,
        };
        client.work();

        self.conns += 1;

        return .rearm;
    }
};

1.3 运行效果:

1.3 学习总结

理解上面代码的关键是理解Zig中的基本概念,如defer、try、结构体、方法和事件循环的工作原理。同时,理解xev库的使用也很重要,因为本次http-server项目大量依赖于这个库的多线程管理能力。

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文章目录 原文贡献 / 相关工作作者的方法评价 原文 [1]杨敏.基于多特征融合的人脸防伪技术研究[D].武汉大学,2019. 贡献 / 相关工作 针对攻击对象存在背景依赖和非刚性运动造成的深度信息缺失问题,采用边缘信息放大差异 各种 loss 数据库 评价指标 本节将会对…

队列及其应用

实验内容 请设计一个简单的模拟银行排队系统,要求程序具有以下4项菜单: 1.取号。选择该菜单后,为客户产生一个排队号。 2.叫号。选择该菜单后,显示可服务的客户排队号。 3.查看队伍。从队首到队尾列出所有排队客户的排队号。 4.退…

94、python-第三阶段-4-数据计算-map方法

直接运行会报错,需要配置下python环境变量 from pyspark import SparkConf,SparkContext import os os.environ[PYSPARK_PYTHON]"D:/Program Files/Python/Python3.13/python.exe" conf SparkConf().setMaster("local[*]").setAppName("…

【数据结构】二叉树的层序遍历~动画超详解

目录 1 什么是层序遍历2 二叉树层序遍历的基本思路3 二叉树层序遍历的实现 1 什么是层序遍历 我们从字面意思就明白,所谓层序,就是一层一层按顺序去遍历一个二叉树,这和我们之前了解的按前中后序遍历方式完全不同 比方说这颗二叉树: 前序遍历: 层序遍历: 2 二叉树层序遍历的…

通过 AI Edge Torch 生成式 API 在设备上使用自定义大语言模型

作者 / 首席工程师 Cormac Brick,软件工程师 Haoliang Zhang 我们很高兴地发布 AI Edge Torch 生成式 API,它能将开发者用 PyTorch 编写的高性能大语言模型 (LLM) 部署至 TensorFlow Lite (TFLite) 运行时,从而无缝地将新的设备端生成式 AI 模…

申请医疗设备注册变更时,需要补充考虑网络安全的情况有哪些?

在申请医疗器械设备注册变更时,需要补充网络安全的情况主要包括以下几点: 网络安全功能更新:如果医疗器械的自研软件发生网络安全功能更新,或者合并网络安全补丁更新的情形,需要单独提交一份自研软件网络安全功能更新…

计算机网络ppt和课后题总结(下)

常用端口总结 计算机网络中,端口是TCP/IP协议的一部分,用于标识运行在同一台计算机上的不同服务。端口号是一个16位的数字,范围从0到65535。通常,0到1023的端口被称为“熟知端口”或“系统端口”,它们被保留给一些标准…

springboot项目中第三方jar包打包进jar包

springboot项目中,如果手动引入了jar包,打包时不会将手动引入的第三方jar包打包进价包里,如何处理? 若第三方的jar包的lib和src同级,则maven打包时默认不会将lib下的jar包打包进jar包,处理方式有两种&#…

康谋技术 | 自动驾驶:揭秘高精度时间同步技术(二)

在自动驾驶中,对车辆外界环境进行感知需要用到很多传感器的数据(Lidar,Camera,GPS/IMU),如果计算中心接收到的各传感器消息时间不统一,则会造成例如障碍物识别不准等问题。 为了对各类传感器进…

数据结构与算法-12_二叉搜索树

文章目录 1.概述2.实现定义节点查询Comparable最小最大新增前驱后继删除找小的找大的找之间小结 3.习题E01. 删除节点-Leetcode 450E02. 新增节点-Leetcode 701E03. 查询节点-Leetcode 700E04. 验证二叉搜索树-Leetcode 98E05. 求范围和-Leetcode 938E06. 根据前序遍历结果构造…

【面试题】创建两个线程交替打印100以内数字(一个打印偶数一个打印奇数)

阅读导航 一、问题概述二、解决思路三、代码实现四、代码优化 一、问题概述 面试官:C多线程了解吗?你给我写一下,起两个线程交替打印0~100的奇偶数。就是有两个线程,一个线程打印奇数另一个打印偶数,它们交替输出&…