Rust 以其記憶體安全和高效能特性，成為構建 Web 服務的理想選擇。本文將逐步引導讀者使用 Actix 框架構建一個完整的 RESTful API，從基礎的 HTTP 伺服器到複雜的資料函式庫互動和非同步處理，都將詳細講解。我們將從 TCP 伺服器入手，理解底層網路模型，然後逐步過渡到使用 Actix 框架，並結合 SQLx 進行資料函式庫操作。同時，文章也會涵蓋錯誤處理機制和 Docker 佈署等實用技巧，最終幫助讀者構建一個生產級別的 RESTful API 服務。
使用 Actix 建構 RESTful API 的完整
在現代網路應用程式開發中，RESTful API 已成為不可或缺的一部分。本文將探討如何使用 Rust 語言和 Actix 框架來建構高效能且安全的 RESTful API。
為何選擇 Rust 進行網路應用程式開發
Rust 語言憑藉其獨特的所有權系統和借用檢查機制，為開發者提供了無與倫比的記憶體安全保證。這使得 Rust 成為開發高效能網路服務的理想選擇。Rust 的主要優勢包括：
- 記憶體安全：Rust 的所有權模型消除了常見的記憶體相關錯誤，如空指標解參照和資料競爭。
- 效能：Rust 編譯後的程式碼效能可與 C/C++ 相媲美，使其成為高效能網路服務的理想選擇。
- 並發性：Rust 提供了強大的並發程式設計能力，使開發者能夠輕鬆編寫高效的並發程式碼。
建構基礎 Web 伺服器
在探討 Actix 之前，讓我們先從頭開始建立一個基本的 Web 伺服器。這將幫助我們理解底層的工作原理。
網路模型簡介
現代 Web 伺服器根據 TCP/IP 協定運作。瞭解這個模型對於建立高效的網路應用程式至關重要。
用 Rust 編寫 TCP 伺服器
首先，我們來建立一個簡單的 TCP 伺服器。這需要：
- 設計 TCP/IP 通訊流程
- 編寫 TCP 伺服器和客戶端
use std::net::{TcpListener, TcpStream};
use std::io::{Read, Write};
fn main() -> std::io::Result<()> {
let listener = TcpListener::bind("127.0.0.1:8080")?;
for stream in listener.incoming() {
match stream {
Ok(mut stream) => {
println!("新的連線建立");
handle_connection(&mut stream);
}
Err(e) => {
println!("連線失敗: {}", e);
}
}
}
Ok(())
}
fn handle_connection(stream: &mut TcpStream) {
let mut buffer = [0; 512];
stream.read(&mut buffer).unwrap();
println!("收到請求: {}", String::from_utf8_lossy(&buffer));
let response = "HTTP/1.1 200 OK\r\n\r\nHello, World!";
stream.write(response.as_bytes()).unwrap();
stream.flush().unwrap();
}
編寫 HTTP 伺服器
接下來，我們將擴充套件 TCP 伺服器以處理 HTTP 請求。這需要：
- 解析 HTTP 請求訊息
- 建構 HTTP 回應訊息
- 編寫主函式和伺服器模組
使用 Actix 建構 RESTful 網路服務
現在，讓我們轉向使用 Actix 框架來建立更複雜的 RESTful API。
Actix 簡介
Actix 是一個強大且靈活的 Rust 網路框架，用於建立高效能的網路應用程式。
編寫第一個 REST API
首先，我們需要：
- 定義專案範圍和結構
- 定義和管理應用程式狀態
- 定義資料模型
use actix_web::{web, App, HttpResponse, HttpServer, Responder};
async fn greet() -> impl Responder {
HttpResponse::Ok().body("歡迎來到我們的教學平台！")
}
#[actix_web::main]
async fn main() -> std::io::Result<()> {
HttpServer::new(|| {
App::new()
.route("/hello", web::get().to(greet))
})
.bind("127.0.0.1:8080")?
.run()
.await
}
資料函式庫操作
在實際應用中，我們通常需要與資料函式庫互動。以下是使用 Actix 和 SQLx 進行資料函式庫操作的範例：
設定資料函式庫連線
use sqlx::PgPool;
async fn get_courses(pool: web::Data<PgPool>) -> impl Responder {
let courses = sqlx::query!("SELECT * FROM courses")
.fetch_all(pool.get_ref())
.await
.unwrap();
HttpResponse::Ok().json(courses)
}
錯誤處理
良好的錯誤處理機制對於建立健壯的應用程式至關重要。Actix 提供了靈活的錯誤處理機制。
自定義錯誤處理器
use actix_web::error::ResponseError;
use actix_web::http::StatusCode;
use actix_web::HttpResponse;
#[derive(Debug)]
enum MyError {
DatabaseError(sqlx::Error),
}
impl ResponseError for MyError {
fn status_code(&self) -> StatusCode {
match self {
MyError::DatabaseError(_) => StatusCode::INTERNAL_SERVER_ERROR,
}
}
fn error_response(&self) -> HttpResponse {
HttpResponse::build(self.status_code())
.json(format!("錯誤: {:?}", self))
}
}
非同步 Rust 簡介
Rust 的非同步程式設計能力使其成為處理高並發網路請求的理想選擇。
非同步程式設計基礎
use tokio;
#[tokio::main]
async fn main() {
println!("Hello, async world!");
}
使用 Docker 佈署網路服務
容器化技術已成為現代軟體佈署的標準實踐。以下是如何使用 Docker 佈署我們的 Actix 網路服務：
編寫 Dockerfile
FROM rust:alpine AS builder
WORKDIR /app
COPY . .
RUN cargo build --release
FROM alpine:latest
WORKDIR /app
COPY --from=builder /app/target/release/my_actix_app .
CMD ["./my_actix_app"]
圖表翻譯：
此圖示展示了使用 Actix 建構 RESTful API 的基本架構。
@startuml
skinparam backgroundColor #FEFEFE
skinparam defaultTextAlignment center
skinparam rectangleBackgroundColor #F5F5F5
skinparam rectangleBorderColor #333333
skinparam arrowColor #333333
title 編寫 Dockerfile
rectangle "HTTP 請求" as node1
rectangle "路由" as node2
rectangle "資料函式庫操作" as node3
rectangle "結果" as node4
rectangle "HTTP 回應" as node5
node1 --> node2
node2 --> node3
node3 --> node4
node4 --> node5
@enduml
圖表翻譯： 此圖示展示了客戶端如何透過 HTTP 請求與 Actix 伺服器互動，包括路由、處理函式和資料函式庫操作的流程。
透過本文的學習，讀者應該能夠掌握使用 Rust 和 Actix 建立高效能 RESTful API 的關鍵技術和最佳實踐。未來，我們可以進一步探索更多高階主題，如服務發現、負載平衡和持續整合/持續佈署（CI/CD）流程，以進一步提升我們的網路服務。
高效能網路服務的挑戰與 Rust 的優勢
在任何程式語言中，建構高效能的網路服務都是一項挑戰。然而，Rust 擁有多項獨特功能，能夠顯著降低這一挑戰的門檻。Rust 從一開始就被設計為一種適用於高度平行和安全的系統語言。
目前有多種程式語言（如 C、C++、Go、Java、JavaScript 和 Python）被用於開發高效能且可靠的網路服務，這些服務既可以在單一節點上執行，也可以在多節點分散式系統中執行，無論是在本地資料中心還是在雲端。不過，Rust 因其多項特點而成為一個極具吸引力的替代方案：
- 小巧的佔用空間（由於對記憶體和 CPU 使用的完全控制）
- 安全性和可靠性（由於編譯器強制執行的記憶體和資料競爭安全性）
- 低延遲（沒有垃圾回收器）
- 現代語言特性
本文旨在教授使用 Rust 建構高效且可靠的網路服務和應用程式所需的各種工具、技術和技術堆疊。同時，本文也提供了一個從標準函式庫基本元素構建的單節點、單執行緒伺服器到進階的多執行緒、非同步分散式伺服器的實作介紹，涵蓋了不同層次的協定堆積疊。讀者將學習到：
- Rust 標準函式庫中的網路基本元素
- 基本的 HTTP 服務
- 由關聯式資料函式庫支援的 REST API 伺服器
- 具有 P2P 網路功能的分散式伺服器
- 高度平行的非同步伺服器
本文的結構與目標讀者
本文採用類別似教學的方式，透過逐步增強一個範例來教授讀者如何使用 Rust 開發網路服務和應用程式。隨著章節的推進，範例將不斷演進。
本文主要針對以下讀者：
- 參與或對伺服器端、網頁後端和 API 開發感興趣的後端軟體工程師
- 希望探索 Rust 作為 Go、Java 或 C++ 之外替代方案的分散式系統工程師
- 在機器學習、人工智慧、物聯網、影像/視訊/音訊處理和即時系統後端等領域從事低延遲伺服器和應用程式開發的軟體工程師
要充分利用本文，讀者應該具備後端開發經驗和一定的 Rust 熟悉度。具體來說，作為後端開發人員，讀者應該熟悉網頁服務概念，包括 HTTP、JSON、使用 ORM 進行資料庫存取以及在任何高階語言（如 Java、JavaScript、Python、C#、Go 或 Ruby）中進行 API 開發。
作為 Rust 的進階初學者或中級程式設計師，讀者應該瞭解如何複製和修改開源教學和儲存函式庫，並且熟悉 Rust 的以下幾個方面：
- Rust 基本元素（資料型別）、使用者定義的資料結構（結構體、列舉）、函式、運算式和控制迴圈（if、for 和 while 迴圈）
- 不可變性、所有權、參考和借用
- 使用 Result 和 Option 結構進行錯誤處理
- Rust 中的基本函式式建構
- Rust 工具鏈，包括用於構建和依賴管理的 Cargo，以及程式碼格式化、檔案和自動化測試工具
本文的組織結構
本文被組織成一系列實作專案，每個專案都涉及一種可以在 Rust 中開發的特定型別的網路服務。透過檢查程式碼和跟隨編碼，讀者將學習相關理論，並在這些專案的背景下進行解釋。同時，本文還鼓勵讀者嘗試一些建議的編碼練習。
本文包含 12 章，分為三個部分。第一部分介紹了網頁應用程式的基本概念，並為後續章節奠定了基礎。我們將開發一個越來越複雜的網頁應用程式後端，最終達到接近生產就緒的階段。第一部分包括以下章節：
Rust 伺服器、服務與應用程式開發
本文架構與內容簡介
本文分為三大部分，全面介紹使用 Rust 語言開發伺服器、服務和應用程式的技術與實踐。
第一部分：Web 服務開發
第一部分著重於 Web 服務的開發，共包含六個章節：
第一章：基礎概念介紹
- 介紹分散式架構和 Web 應用程式的基本概念。
- 簡述本文將開發的應用程式範例。
- 討論 Rust 語言的優勢及其適用場景。
第二章：TCP 元件開發實戰
- 透過開發根據 TCP 的元件，熟悉 Rust 在網路程式設計領域的能力。
第三章：建構 RESTful Web 服務
- 使用 Rust 及相關套件（crates）建構 RESTful Web 服務。
- 介紹應用程式狀態管理的方法。
第四章：資料函式庫整合
- 討論如何使用 SQL 資料函式庫進行資料持久化儲存。
- 介紹與 SQL 資料函式庫互動的實用套件。
第五章：錯誤處理與服務健壯性提升
- 處理 Web 服務呼叫過程中可能遇到的意外情況。
- 提升服務的穩定性和容錯能力。
第六章：程式碼重構與最佳實踐
- 展示 Rust 語言在程式碼重構上的安全性和便利性。
- 進一步最佳化 Web 服務 API 的功能與效能。
第二部分：前端開發與 GUI 實作
第二部分聚焦於 Web 應用的前端開發，主要包含以下三章：
第七章：伺服器端渲染框架介紹
- 介紹所選用的伺服器端渲染框架。
- 示範如何取得使用者輸入及處理專案列表。
- 說明如何與後端 Web 服務互動。
第八章：範本引擎應用
- 詳細介紹伺服器端範本引擎的使用方法。
- 示範如何透過表單支援使用者註冊功能。
第九章：進階 Web 應用開發
- 討論使用者驗證、路由管理等進階主題。
- 說明如何使用 RESTful Web 服務進行 CRUD 操作。
第三部分：進階主題與生產佈署
第三部分涵蓋三個進階主題，為建構複雜 Rust 伺服器及生產環境佈署做準備：
第十章：非同步程式設計
- 介紹 Rust 對非同步程式設計的支援。
- 以範例展示非同步程式設計的實際應用。
第十一章：P2P 應用開發
- 使用 Rust 及精選套件開發 P2P 應用程式。
- 展示 Rust 在 P2P 網路開發上的強大能力。
第十二章：Docker 佈署實務
- 示範如何將 Web 應用程式封裝成 Docker 映象。
- 說明如何在不同環境中佈署 Docker 映象。
程式碼資源與環境設定
- 本文的原始碼託管於 GitHub：https://github.com/peshwar9/rust-servers-services-apps
- 環境設定：
- 安裝標準 Rust 工具鏈。
- 使用支援 Rust 的 IDE（如 VS Code）並安裝相關擴充套件（如 Rust Extension Pack）。
- 安裝 Git 以便進行版本控制（非必需，可直接下載 ZIP 檔案）。
程式碼格式與註解說明
- 本文中的程式碼範例採用固定寬度字型顯示，以區分於一般文字。
- 部分原始碼經過重新格式化，以適應書籍版面。
- 程式碼註解在文中說明的部分將被省略，以保持內容簡潔。
線上資源與學習支援
其他推薦資源
- The Rust Book：Rust 官方，包含網路伺服器開發的基本介紹。
- Rust by Example：《The Rust Book》的配套學習資源。
- The Cargo Book：Cargo 套件管理器的官方檔案。
為何選擇Rust開發網頁應用程式？
本章涵蓋以下主題：
- 現代網頁應用程式簡介
- 選擇Rust開發網頁應用程式的理由
- 視覺化範例應用程式
連線網際網路的網頁應用程式構成了現代商業和人類數位生活的骨幹。作為個人，我們使用導向消費者的應用程式進行社交網路和通訊、電子商務購買、旅行預訂、付款和財務管理、教育和娛樂等。 同樣，導向業務的應用程式幾乎用於企業的所有功能和流程中。
現代網頁應用程式是複雜的分散式系統。這些應用程式的使用者透過網頁或行動前端使用者介面進行互動。但使用者很少看到後端服務和軟體基礎設施元件的複雜環境，這些元件回應透過應用程式簡潔的使用者介面發出的使用者請求。流行的消費者應用程式擁有數千個後端服務和伺服器，分佈在全球的資料中心。 應用程式的每個功能可能在不同的伺服器上執行，使用不同的設計選擇，用不同的程式語言編寫，並位於不同的地理位置。無縫的應用內使用者經驗使一切看起來如此簡單。但開發現代網頁應用程式絕非易事。
每當我們發推文、在Netflix上觀看電影、在Spotify上聽歌、預訂旅行、訂購食物、玩線上遊戲、叫車或使用我們日常生活中的眾多線上服務時，我們都在使用網頁應用程式。沒有分散式網頁應用程式，企業和現代數位社會將會停滯不前。
網站提供有關您的業務的資訊。網頁應用程式為您的客戶提供服務。
在本文中，您將學習使用Rust設計和開發分散式網頁服務和應用程式所需的概念、技術和工具，這些服務和應用程式透過標準的網際網路協定進行通訊。在此過程中，您將透過實際的工作範例看到核心Rust概念的實際應用。
本文適合以下讀者：
- 網頁後端軟體工程師
- 全端應用程式開發人員
- 雲端或企業架構師
- 科技產品的CTO
- 對使用Rust構建分散式網頁應用程式感興趣的學習者
透過在本文中開發一個工作範例，我將向您展示如何使用純Rust構建網頁服務和傳統的網頁應用程式前端。
正如您在本文的各章中將會看到的，Rust是一種通用語言，能夠有效地支援開發許多不同型別的應用程式。本文介紹了一個應用程式，但所展示的技術適用於許多其他情況，使用相同或其他crate（在Rust術語中，函式庫稱為crate）。
在本章中，我們將回顧分散式網頁應用程式的關鍵特性，瞭解Rust的優勢，並概述我們將在本文中共同構建的範例應用程式。
1.1 現代網頁應用程式簡介
首先，我們將探討現代分散式網頁應用程式的結構。分散式系統具有可能位於不同地理位置的元件，這些元件透過網路進行通訊和協調，以提供統一的服務。
內容解密：
本文介紹了現代網頁應用程式的基本概念，包括其分散式架構和複雜性。下文將進一步探討Rust在開發這些應用程式中的作用。
為何Rust適合用於網頁應用程式開發？
Rust是一種系統程式語言，以其記憶體安全性和效能而聞名。近年來，Rust逐漸被用於開發網頁應用程式的後端服務。本文將探討使用Rust開發網頁應用程式的優勢，包括其安全性、效能和可維護性。
為什麼選擇Rust？
- 記憶體安全性：Rust的所有權系統和借用檢查器確保了記憶體的安全性，避免了常見的記憶體相關錯誤，如空指標解參照和資料競爭。
- 效能：Rust編譯成機器碼，無需垃圾回收，因此具有與C和C++相當的效能。
- 並發性：Rust提供了強大的並發支援，使得開發高效並發系統變得更容易。
- 生態系統：Rust的生態系統正在快速成長，提供了許多有用的函式庫和框架，用於開發網頁應用程式。
視覺化範例應用程式
本文將透過一個範例應用程式來展示如何使用Rust開發網頁服務和傳統的網頁應用程式前端。下圖展示了範例應用程式的高層架構：
@startuml
skinparam backgroundColor #FEFEFE
skinparam defaultTextAlignment center
skinparam rectangleBackgroundColor #F5F5F5
skinparam rectangleBorderColor #333333
skinparam arrowColor #333333
title 視覺化範例應用程式
rectangle "HTTP請求" as node1
rectangle "路由" as node2
rectangle "處理請求" as node3
rectangle "資料函式庫操作" as node4
rectangle "傳回資料" as node5
rectangle "傳回回應" as node6
node1 --> node2
node2 --> node3
node3 --> node4
node4 --> node5
node5 --> node6
@enduml
圖表翻譯： 此圖示展示了範例應用程式的高層架構，包括客戶端、負載平衡器、網頁伺服器、Rust後端服務和資料函式庫。客戶端的HTTP請求經過負載平衡器路由到網頁伺服器，然後由Rust後端服務處理，並與資料函式庫進行互動。最終，回應傳回給客戶端。
本文將逐步引導您瞭解如何使用Rust構建這樣的分散式網頁應用程式，包括如何處理HTTP請求、與資料函式庫互動以及實作並發性和錯誤處理。透過本文的學習，您將能夠使用Rust開發出高效、安全且可維護的網頁應用程式。