Rust Web 服務 Docker 容器化佈署

在現代軟體開發流程中，容器化技術已成為不可或缺的一環。本文將探討如何利用 Docker 容器化 Rust Actix Web 服務，從而提升開發效率、簡化佈署流程並確保應用程式在不同環境中的一致性。首先，我們會建立一個基礎的 Docker 映像，然後逐步最佳化，最後使用 Docker Compose 管理多容器應用。

Rust 的高效能和 Actix Web 框架的靈活性使其成為構建 Web 服務的絕佳選擇。然而，將 Rust Web 服務佈署到生產環境時，確保一致性和可靠性至關重要。Docker 提供了輕量級、可移植的解決方案，將應用程式及其依賴項封裝到容器中，從而解決開發環境和生產環境之間的差異問題。透過 Docker，我們可以輕鬆地構建、釋出和執行 Rust Web 服務，並確保其在不同環境中的行為一致。

12 佈署 Web 服務使用 Docker

本章涵蓋以下主題：

• 簡介 Rust 伺服器和應用的生產佈署
• 編寫第一個 Docker 容器
• 建立資料函式庫容器
• 使用 Docker 封裝 Web 服務
• 使用 Docker Compose 協調 Docker 容器

在前面的章節中，我們學習瞭如何使用 Rust 建立 Web 服務和 Web 應用。我們還探討了非同步程式設計，甚至涉及了 P2P 架構。我們在本地開發環境中測試了我們的應用程式。但這些只是第一步，最終目標通常是佈署到生產環境。

在本章中，我們將重點關注使用一種流行的生產佈署方法——容器化來封裝軟體。這涉及將應用程式的元件及其依賴項封裝在容器中。然後，這個容器可以佈署在多個環境中，包括雲端。使用容器的優點之一是，應用程式與其他容器保持乾淨的隔離，避免了不相容函式庫的風險。

我們將詳細介紹將 Rust Web 服務容器化所需的步驟。一旦 Web 服務以 Docker 容器的形式提供，從生產佈署的角度來看，它與任何其他語言編寫的 Web 服務或應用程式沒有區別。所有佈署 Docker 容器的標準和選項都將適用。

生產佈署簡介

在這一節中，我們將介紹兩個主題，它們將概述生產佈署在軟體生命週期中的位置，以及 Docker 作為佈署的容器技術的作用。

軟體佈署週期

軟體佈署週期涉及多個級別的開發者單元和整合測試，然後是釋出版本的準備和佈署。一旦釋出版本佈署並執行，系統就會被監控，關鍵引數被測量，並進行最佳化。

雖然生產佈署生命週期中的具體步驟因團隊和 DevOps 技術而異，但圖 12.1 顯示了一組典型的步驟。

圖 12.1 生產佈署生命週期

不同的組織使用的實際開發步驟和術語差異很大，但讓我們來看看這些階段，以大致瞭解：

詳細步驟說明

軟體佈署是一個複雜的過程，涉及多個階段，從開發到最終的生產佈署。每個階段都有其特定的目標和挑戰。以下是軟體佈署生命週期的詳細步驟：

1. 開發與單元測試：開發人員編寫程式碼並進行單元測試，以確保個別元件的功能正確。

2. 整合測試：將不同模組或元件整合在一起，並進行測試以確保它們能正確協作。

3. 構建與封裝：將程式碼編譯或構建成可執行檔案或佈署包，並將其封裝以便於分發。

4. 測試環境佈署：將封裝好的應用程式佈署到測試環境中，進行進一步的測試，如功能測試、效能測試等。

5. 自動化測試：執行自動化測試套件，以驗證應用程式的功能、效能和安全性。

6. 預生產環境佈署：將應用程式佈署到預生產環境（或稱為 staging 環境），進行最後的驗證。

7. 生產環境佈署：一旦所有測試透過並驗證完成，將應用程式佈署到生產環境中。

8. 監控與維護：在生產環境中監控應用程式的效能、錯誤日誌等，並根據需要進行維護更新。

這個過程可能根據專案需求、團隊規模和所採用的 DevOps 工具有所不同，但整體流程提供了一個基本的框架，用於管理和最佳化軟體的佈署。

使用 Docker 封裝 Web 服務

Docker 提供了一個輕量級且便攜的方式來封裝應用程式及其依賴項。使用 Docker，我們可以建立一個包含應用程式執行所需的一切的容器，包括程式碼、執行時、函式庫等。這使得應用程式能夠在不同的環境中一致地執行。

建立 Docker 容器

要使用 Docker 封裝我們的 Rust Web 服務，我們首先需要建立一個 Dockerfile。Dockerfile 是一個文字檔案，包含了用於構建 Docker 映像的所有命令。

# 使用官方 Rust 映像作為基礎
FROM rust:latest

# 設定工作目錄
WORKDIR /app

# 複製 Cargo.toml 和 Cargo.lock
COPY Cargo.toml Cargo.lock ./

# 複製原始碼
COPY src ./src

# 編譯 Rust 程式
RUN cargo build --release

# 暴露埠號
EXPOSE 8080

# 執行應用程式
CMD ["cargo", "run", "--release"]

建置與執行 Docker 容器

一旦我們有了 Dockerfile，我們就可以使用以下命令來構建和執行我們的 Docker 容器：

# 建置 Docker 映像
docker build -t my-rust-app .

# 執行 Docker 容器
docker run -p 8080:8080 my-rust-app

這將啟動一個包含我們 Rust Web 服務的 Docker 容器，並將主機的 8080 連線埠對映到容器的 8080 連線埠。

使用 Docker Compose 協調多個容器

對於涉及多個服務（如資料函式庫和 Web 服務）的更複雜應用程式，我們可以使用 Docker Compose。Docker Compose 是一個用於定義和執行多容器 Docker 應用的工具。

docker-compose.yml 範例

version: '3'
services:
  web:
    build: .
    ports:
      - "8080:8080"
    depends_on:
      - db
    environment:
      - DATABASE_URL=postgres://user:password@db:5432/database

  db:
    image: postgres
    environment:
      - POSTGRES_USER=user
      - POSTGRES_PASSWORD=password
      - POSTGRES_DB=database
    volumes:
      - db-data:/var/lib/postgresql/data

volumes:
  db-data:

這個 docker-compose.yml 檔案定義了兩個服務：web 和 db。web 服務是我們的 Rust Web 服務，而 db 服務是一個 PostgreSQL 資料函式庫。web 服務依賴於 db 服務，這意味著 db 服務必須在 web 服務啟動之前啟動。

使用 Docker Compose 管理多個容器

要使用 Docker Compose 建置和啟動所有服務，只需執行：

docker-compose up --build

這個命令會根據需要建置映像並啟動容器。它還會設定必要的網路，以便服務之間可以相互通訊。

使用Docker容器化技術佈署Rust網路服務

在軟體開發的生命週期中，從編寫程式碼到佈署至生產環境，需要經過多個階段，包括本地建置、開發測試、整合測試、封裝發行、組態與佈署、安全設定以及執行監控。在本章節中，我們將重點關注如何使用Docker容器化技術來封裝和佈署Rust網路服務。

軟體開發與佈署流程

1. 建置（Build）：開發人員在本地環境中編寫或修改程式碼，並建置二進位檔案。通常，這是一個開發建置，以便於除錯和減少建置時間。
2. 開發測試（Dev test）：開發人員在本地開發環境中執行單元測試。
3. 預發布（Staging）：程式碼與其他分支合併，並佈署到預發布環境中。在此階段，進行涉及其他開發人員編寫的程式碼和模組的整合測試。
4. 封裝發行（Package for release）：在成功完成整合測試後，建構最終的生產建置。封裝方式取決於二進位檔案的佈署方式，例如獨立二進位檔案、容器或公有雲端服務。
5. 組態與佈署（Configure and deploy）：生產二進位檔案被佈署到目標環境（例如虛擬機器），並設定必要的組態和環境引數。這也是與生產基礎設施中的其他元件建立連線的階段。
6. 安全設定（Secure）：組態額外的安全需求，例如身份驗證、授權、網路和伺服器安全等。
7. 執行與監控（Operate and monitor）：啟動伺服器以接收網路請求，並使用網路、伺服器、應用程式和雲端監控工具監控伺服器的效能。

在本章節中，我們將使用Docker Compose來簡化組態、自動化建置以及啟動和停止執行網路服務所需的Docker容器集合。

你將學到的內容

• 建置發行二進位檔案和封裝：學習如何將Rust伺服器建置為Docker映像檔，以便佈署到任何具有容器執行時的宿主機上。你將學習如何編寫Dockerfile、建立Docker卷和網路、組態環境變數、執行多步驟Docker建置，以及減小最終Docker映像檔的大小。
• 組態和佈署網路服務：學習如何使用Docker Compose定義網路服務和Postgres資料函式庫容器的執行時組態，定義它們之間的依賴關係，組態執行時環境變數，初始化Docker建置，以及透過簡單命令啟動和停止Docker容器。

讓我們從簡要介紹Docker開始。

Docker容器基礎

容器技術改變了軟體的建置、佈署和管理方式，透過彌合開發和IT維運團隊之間的差距實作了DevOps自動化。Docker既是公司的名稱，也是軟體產品的名稱（www.docker.com）。

Docker容器架構

圖表翻譯： 上圖展示了Docker容器的分層架構。硬體層之上是作業系統，作業系統之上執行Docker引擎，Docker引擎之下可以執行多個獨立的容器，每個容器內包含一個或多個應用程式。

Docker容器是完全隔離的環境，具有自己的行程、網路介面和卷掛載。Docker容器的一個重要特點是它們最終分享相同的作業系統核心。傳統的虛擬機器是物理硬體的抽象，將一台物理伺服器轉變為多台“邏輯”伺服器。虛擬機器管理程式允許多台虛擬機器在單台機器上執行，每台虛擬機器都包含作業系統的完整副本。另一方面，容器是應用層的抽象，將程式碼和依賴項封裝在一起。多個容器在同一台物理機器上執行，並與其他容器分享OS核心。

程式碼範例：編寫Dockerfile

# 使用官方Rust映像檔作為基礎映像檔
FROM rust:alpine

# 設定工作目錄
WORKDIR /app

# 複製Cargo.toml和Cargo.lock
COPY Cargo.toml Cargo.lock ./

# 建置依賴項
RUN cargo build --release

# 複製原始碼
COPY . .

# 建置應用程式
RUN cargo build --release

# 暴露埠號
EXPOSE 8080

# 執行應用程式
CMD ["cargo", "run", "--release"]

內容解密：

1. FROM rust:alpine：使用官方Rust映像檔作為基礎映像檔，這裡選擇了根據Alpine Linux的版本，以減小映像檔大小。
2. WORKDIR /app：設定工作目錄為/app。
3. COPY Cargo.toml Cargo.lock ./：將Cargo.toml和Cargo.lock複製到工作目錄，用於建置依賴項。
4. RUN cargo build --release：建置依賴項，這裡使用--release旗標進行最佳化建置。
5. COPY . .：將當前目錄下的所有檔案複製到工作目錄。
6. RUN cargo build --release：再次建置應用程式，這次包含了原始碼。
7. EXPOSE 8080：暴露8080埠號，供外部存取。
8. CMD ["cargo", "run", "--release"]：設定預設命令，用於執行應用程式。

透過本章節，你將能夠使用Docker容器化技術來佈署Rust網路服務，提高開發效率和佈署靈活性。

使用Docker容器化Rust Web服務

在軟體開發過程中，開發環境與生產環境之間的差異常常導致佈署問題。Docker容器技術有效地解決了這一問題。開發者可以在Dockerfile中定義基礎設施組態、環境設定、依賴下載和建置指令。Dockerfile是一種YAML語法的文字檔，用於指定Docker映像的引數，如基礎映像、環境變數、檔案系統掛載、暴露的連線埠等。

Docker容器技術的優勢

Dockerfile被建置成自訂的Docker映像，這種映像是建立多個容器執行的範本。開發者可以在本地測試Docker映像，然後將其交付給維運團隊進行生產佈署。由於Docker映像保證在任何Docker主機上執行的一致性，因此大大減少了軟體應用在生產環境中的佈署摩擦和人為錯誤。

安裝Docker開發環境

要在本機開發機器或伺服器（macOS、Windows或Linux）上安裝Docker開發環境，請參考Docker官方檔案：https://docs.docker.com/get-docker/。

編寫第一個Docker容器

本文將檢查Docker安裝、編寫Dockerfile並將其建置成Docker映像，以及使用多階段建置最佳化最終Docker映像的大小。

檢查Docker安裝

首先，從終端機檢查Docker安裝：

docker --version

預期輸出類別似於：

Docker version 20.10.16, build aa7e414

接下來，測試官方Docker映像：

docker pull hello-world
docker images
docker run hello-world

如果看到「Hello from Docker!」訊息，則表示Docker環境正常運作。

編寫簡單的Docker容器

建立一個新的Rust專案：

cargo new --bin docker-rust
cd docker-rust

在Cargo.toml中新增Actix Web依賴：

[dependencies]
actix-web = "4.2.1"

編輯src/main.rs：

use actix_web::{get, web, App, HttpResponse, HttpServer, Responder};

#[get("/")]
async fn gm() -> impl Responder {
    HttpResponse::Ok().body("Hello, Good morning!")
}

async fn hello() -> impl Responder {
    HttpResponse::Ok().body("Hello there!")
}

#[actix_web::main]
async fn main() -> std::io::Result<()> {
    HttpServer::new(|| {
        App::new()
            .service(gm)
            .route("/hello", web::get().to(hello))
    })
    .bind(("0.0.0.0", 8080))?
    .run()
    .await
}

執行cargo run並測試：

• localhost:8080
• localhost:8080/hello

容器化Web服務

建立Dockerfile-basic檔案：

# 使用主要的Rust Docker映像
FROM rust

# 將應用程式複製到Docker映像中
COPY . /app

# 設定工作目錄
WORKDIR /app

# 建置應用程式
RUN cargo build --release

# 啟動應用程式
CMD ["./target/release/docker-rust"]

建置Docker映像：

docker build -f Dockerfile-basic . -t docker-rust-basic

內容解密：

1. FROM rust：使用官方Rust映像作為基礎映像。
2. COPY . /app：將目前目錄下的所有檔案複製到容器中的/app目錄。
3. WORKDIR /app：將工作目錄設定為/app。
4. RUN cargo build --release：在容器中執行cargo build --release指令建置Rust應用程式。
5. CMD ["./target/release/docker-rust"]：設定容器啟動時執行的預設指令。

本章節展示瞭如何使用Docker容器化Rust Web服務，從而簡化了開發和佈署流程。接下來，我們將進一步最佳化Docker映像的大小。

使用多階段Docker建置最佳化Rust Actix Web服務

在前面的章節中，我們已經成功地將一個基本的Rust Actix Web服務容器化，但是生成的Docker映像大小達到1.32 GB，這對於一個簡單的Web服務來說太大了。本文將介紹如何使用多階段Docker建置來最佳化Docker映像的大小。

多階段Docker建置

多階段Docker建置是一種將Docker映像建置過程分成多個階段的方法，每個階段可以使用不同的基礎映像。這種方法的優點是可以減少最終Docker映像的大小，提高安全性，並且可以自動化建立多個版本的二進位制檔案。

建立新的Dockerfile

首先，在專案根目錄下建立一個新的Dockerfile，名為Dockerfile-lite，並新增以下內容：

# 使用主要的Rust Docker映像
FROM rust as build
# 將應用程式複製到Docker映像中
COPY . /app
# 設定工作目錄
WORKDIR /app
# 建置應用程式
RUN cargo build --release
# 使用Google Distroless作為執行階段映像
FROM gcr.io/distroless/cc-debian11
# 從建置階段複製應用程式
COPY --from=build /app/target/release/docker-rust /app/docker-rust
WORKDIR /app
# 啟動應用程式
CMD ["./docker-rust"]

建置Docker映像

執行以下命令來建置Docker映像：

docker build -f Dockerfile-lite . -t docker-rust-lite

檢查Docker映像

執行以下命令來檢查建置好的Docker映像：

docker images

你應該會看到類別似以下的輸出：

REPOSITORY          TAG                 IMAGE ID            CREATED             SIZE
docker-rust-lite    latest              40103591baaf        12 seconds ago      31.8MB

執行Docker映像

執行以下命令來執行Docker映像：

docker run -p 8080:8080 -t docker-rust-lite

測試Web服務

開啟瀏覽器，測試以下URL：

• localhost:8080
• localhost:8080/hello

你應該會看到相應的問候訊息。

多階段Docker建置的原理

多階段Docker建置使用多個FROM陳述式來參考特定階段的映像。每個階段可以使用AS關鍵字命名。在Dockerfile-lite範例中，我們有兩個階段。第一個階段建置了一個釋出的二進位制檔案。第二個階段使用Google Distroless作為執行階段映像，並複製了之前建立的釋出二進位制檔案，從而產生了一個較小的Docker映像。

圖表說明：多階段Docker建置流程

@startuml
skinparam backgroundColor #FEFEFE
skinparam componentStyle rectangle

title Rust Web 服務 Docker 容器化佈署

package "Docker 架構" {
    actor "開發者" as dev

    package "Docker Engine" {
        component [Docker Daemon] as daemon
        component [Docker CLI] as cli
        component [REST API] as api
    }

    package "容器運行時" {
        component [containerd] as containerd
        component [runc] as runc
    }

    package "儲存" {
        database [Images] as images
        database [Volumes] as volumes
        database [Networks] as networks
    }

    cloud "Registry" as registry
}

dev --> cli : 命令操作
cli --> api : API 呼叫
api --> daemon : 處理請求
daemon --> containerd : 容器管理
containerd --> runc : 執行容器
daemon --> images : 映像檔管理
daemon --> registry : 拉取/推送
daemon --> volumes : 資料持久化
daemon --> networks : 網路配置

@enduml

圖表翻譯： 此圖示呈現了多階段Docker建置的流程。第一階段負責建置應用程式，第二階段則負責建立最終的執行環境並複製必要的二進位制檔案。