rFTP - 用 Rust 实现简单的 FTP Server (2)
发表学习28 分钟读完 (大约4173个字)

rFTP - 用 Rust 实现简单的 FTP Server (2)

前情提要

在上一篇文章中，我讲述了我为什么选择 Rust 作为学习计算机底层知识的工具，一些 Rust 的基础知识和我当时所遇到的困难。在这篇又是属于目标回收的文章中，我将介绍最近的进展、Rust 开发的体验和下一步的计划。总的来说，用 Rust 写项目体验尚可，通过与编译器博弈而最终通过“考试”后，自己对 Rust 的理解也有了些许提升。

异步编程

在 Rust 中，异步编程是通过 Future 特征和 async/await 语法糖来实现的。Future 是 Rust 中的异步编程的基础，它代表了一个异步计算的结果或者异步任务的“承诺”，可以通过 poll 方法来获取计算的结果。async/await 语法糖则是为了让异步编程更加友好，通过 async 关键字来定义异步函数，通过 await 关键字来等待异步计算的结果。

越来越多的语言采纳异步编程机制，比如 Python 的 asyncio、JavaScript 的 Promise（或者是同样的 async/await）、Golang 的 goroutine 等等。异步编程的优势在于可以提高程序的并发性能，因为异步编程可以让程序在等待 I/O 操作的时候不阻塞，可以继续执行其他任务。Rust 的 Tokio 是一个基于 Future 的异步编程框架，它提供了很多异步编程的工具，比如 tokio::spawn、tokio::net::TcpStream 等等。

Future

可以看到，Future 是一个特征，它有一个关联类型 Output，代表了异步计算的结果类型。Future 只有一个 poll 方法，这个方法接受一个 Pin<&mut Self> 类型的参数，返回一个 Poll<Self::Output> 类型的结果。Poll 是一个枚举类型，它有两个成员 Ready(T) 和 Pending，分别代表了异步计算已经完成和异步计算还在进行中。

future_poll.rs
1
2
3
4
5
6
7
8
9
pub trait Future {
  type Output;
  fn poll(self: Pin<&mut Self>, cx: &mut Context<'_>) -> Poll<Self::Output>;
}

pub enum Poll<T> {
  Ready(T),
  Pending,
}

通过 async 关键字修饰函数后，正常的函数将转化为一个异步函数，调用后返回一个实现了 Future 特征的类型，这个类型可以通过 await 关键字来等待异步计算的结果，而 await 关键字则会调用 poll 方法来获取计算的结果。在 poll 方法中还可以通过 cx.waker().wake_by_ref() 来唤醒任务，这样可以让任务在等待 I/O 操作时交出控制权而不阻塞主流程，在 I/O 操作完成时唤醒主流程继续执行。这样等待和唤醒的机制能够精确地控制任务的执行。

Rust 异步编程与其他语言的异同

惰性求值 (Evaluation)

Rust 的异步编程和 Python 的 asyncio 较为相似，调用 async 关键字修饰的函数后会返回一个“执行器”，直到调用 .await 后才开始执行异步函数和获取结果。Python 的 asyncio 也是这样的，调用 async 修饰的函数后会返回一个协程对象，需要调用 await 来执行协程。这种实现是惰性求值的风格，只有在需要的时候才执行任务，有助于不必要的资源消耗和任务调度，可以更灵活地控制异步任务的执行时机和顺序（例如通过 waker 控制何时唤醒）。

立即求值

JavaScript 和 Golang 的异步编程风格则属于立即求值，即调用异步函数后立即执行其中的语句，这种风格更加直观、符合直觉。而它们的具体方案也有所差异：

  • JavaScript 中的异步函数执行完成后是返回一个 Promise 对象，通过对其调用 .then() 或者 .catch() 方法可以获取其执行状态和结果，JavaScript 的实现就相当于调用异步函数后返回一个标识符，用以检查异步任务完成情况；
  • Go 的异步函数 go func() 就显得更加简单粗暴了，没有返回任何标识符，开发者不需要知道协程本身的信息，“任务能跑就行”。当要从协程中返回信息或者是要控制协程的状态时则需要通过传递 channel 进行通信的方式来完成。这可能也是 Go 简单哲学的一处体现吧。

Do not communicate by sharing memory; instead, share memory by communicating.
– from Andrew Gerrand

proms.js
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
(async () => {
  const proms = new Promise((resolve, reject) => {
    console.log("Hi, I'm out of setTimeout!");
    setTimeout(() => {
      console.log("Hi, I'm in setTimeout!");
      resolve();
    }, 1500);
  });

  console.log("Hi, I'm on the root.");

  await proms;

  console.log("Hi, everything is done!");
})();

// Run this script by node proms.js, you will get:
// Hi, I'm out of setTimeout!
// Hi, I'm on the root.
// Hi, I'm in setTimeout!
// Hi, everything is done!
goroutines.go
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
func main() {
  go func() {
    // Simple task
  }()
  complexTask := func(done chan struct{}, results chan Result) {
    for {
      select {
      case <-done:
      // Clean and exit
      default:
        // Do something
      }
    }
  }
  // go func() has no return value.
  go complexTask(done, results)
}

错误处理

Rust 的错误处理机制是通过 Result 和 Option 类型来实现的，Result 代表了可能出现错误的结果，Option 代表了可能为空的结果。Result 和 Option 都是枚举类型，Result 有两个成员 Ok(T) 和 Err(E)，Option 有两个成员 Some(T) 和 None。虽然和 Go 一样是通过返回值而非 try-catch 来传递错误信息，但是 Rust 的错误处理更加严谨细致，配合模式匹配和 ? 操作符可以更方便地处理错误。

result_option.rs
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
enum Result<T, E> {
  Ok(T),
  Err(E),
}

enum Option<T> {
  Some(T),
  None,
}

fn helper_option() -> Option<i32> {
  // Do something
}

fn helper_result() -> Result<i32, String> {
  // Do something
}

fn process() -> Result<i32, String> {
  // Option.ok_or() will return the value if it is Some(T), otherwise return the error message.
  let value = helper_option().ok_or("No value found")?;
  // Result? will return the value if it is Ok(T), otherwise return the error message.
  let result = helper_result()?;
  Ok(value + result)
}

当 Option 或者 Result 的值为 None 或者 Err 时，可以通过 ? 操作符来提前返回错误，这样可以减少代码的嵌套和提高代码的可读性。而且不必像 C++、Java 一样在 catch 语句块中单独处理错误信息，打乱原本代码的逻辑结构。

实话说，因为之前写过一段时间的 TypeScript，对其中的 ? 操作符比较有好感的，在 Rust 中使用这样的操作符也是一种愉悦的体验。这是 Rust 错误处理相对 Go 的一个重大优势。在 Go 里面，错误通过返回值来传递，而且没有类似 ? 操作符这样的语法糖，所以在处理错误时需要显式地检查错误并返回，这样会导致代码的嵌套和可读性下降。而且嵌套盘空也是影响代码可读性的一个重要问题。

nested_nil.go
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
type A struct {
  // ...
}
type B struct {
  A *A
}
type C struct {
  B *B
}

func (c *C) DoSomething() error {
  if c.B == nil {
    return errors.New("B is nil")
  }
  if c.B.A == nil {
    return errors.New("A is nil")
  }
  // Do something with c.B.A
  return nil
}

FTP 服务器

在 Rust 中实现一个简单的 FTP 服务器是一个不错的练习，可以通过实现 FTP 协议来学习网络编程和异步编程。FTP 协议是一个比较古老的协议，它是基于文本的协议，通过控制连接和数据连接来实现文件的上传和下载。FTP 服务器的实现可以分为两个部分，一个是控制连接的处理，另一个是数据连接的处理。控制连接用于接收客户端的命令和发送响应，数据连接用于传输文件数据。

主流程

前面也提到过，我使用了 Rust 中的异步编程框架 Tokio 来实现 FTP 服务器。通过 Tokio::net::TcpListener 绑定通过参数指定的主机和端口后，通过 listener.accept() 方法来接受客户端的连接请求，返回一个 tokio::net::TcpStream 类型的流。随后通过 tokio::spawn 方法来创建一个异步任务 handle() 来专门处理来自该客户端的连接请求，这样可以让主线程继续接受其他客户端的连接请求。

在 handle() 中，首先会将 TcpStream 通过 into_split() 方法分割为读取流和写入流，然后通过读取流来接收客户端的命令，通过写入流来发送响应。在处理命令的过程中，会根据命令的类型来分发调用不同的处理函数，比如 USER 命令会调用 user() 函数，LIST 命令会调用 list() 函数等等。在我最初的实现中，在处理完完成一条命令后，服务器才会通过 writer.write_all() 方法来发送响应，然后继续等待下一个命令。但这种实现方式会在传输数据时阻塞主线程，导致中断传输命令 ABOR 无法被及时处理。于是再后来的优化里，我将发送响应的操作也放到了异步任务中，这样可以让主线程继续接受其他客户端的连接请求，而不会被阻塞。

下面的代码片段就是这个 FTP 处理客户端请求的主要流程。

ftp_server.rs
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
impl Server {
  pub async fn listen(&self) {
    loop {
      if let Ok((socket, addr)) = self.listener.lock().await.accept().await {
        // 收到客户端连接请求后，创建一个异步任务来处理
        let shared_self = self.clone();
        tokio::spawn(async move {
          shared_self.handle(socket, addr).await;
        });
      } else {
        continue;
      }
    }
  }
  pub async fn handle(&self, socket: TcpStream, addr: SocketAddr) {
    let user_map = self.user_map.clone();
    // 将 TcpStream 分割为读取流和写入流
    let (mut reader, mut writer) = socket.into_split();
    {
      // 检查用户是否已经登录，如果是新用户，则发送欢迎信息
      let mut user_map_locked = user_map.lock().await;
      if !user_map_locked.contains_key(&addr) {
        if let Err(e) = writer
          .write_all(b"220 xxx.xxx.xxx.xxx FTP server ready.\r\n")
          .await {
            // ...
        }
      }
    }
    // 创建一个 Arc<Mutex> 来保护写入流，避免多个异步任务同时写入
    let writer_guard = Arc::new(Mutex::new(writer));
    loop {
      let mut buf = vec![0; 2048];
      // 读取客户端发送的命令
      let req = {
        let n = match reader.read(&mut buf).await {
          // ...
        };
        String::from_utf8_lossy(&buf[..n]).to_string()
      };
      // ...
      // 分发命令并进行错误处理
      tokio::spawn(async move {
        let cloned = cloned_writer.clone();
        cloned_self.dispatch(cloned_writer.clone(), cmd, user).await;
      });
    }
  }
}

主要涉及的结构体

服务器 Server

服务器结构体 Server 很简单，只包含了服务器的地址、端口、根目录、监听器、用户映射等信息。其中监听器是一个 Arc<TcpListener> 类型的字段，给 TcpListener 加上了 Clone 特征以满足在 Future 间传递的要求。用户映射是一个 Arc<Mutex<HashMap<SocketAddr, Arc<Mutex<User>>>>> 类型的字段，用于保存用户的信息。实现了 new() listen() handle() dispatch() 等方法和 FtpServer 特征。

server.rs
1
2
3
4
5
6
7
pub struct Server {
  pub host: String,
  pub port: u16,
  pub root: String,
  pub listener: Arc<TcpListener>,
  pub user_map: Arc<Mutex<HashMap<SocketAddr, Arc<Mutex<User>>>>>,
}

用户 User

用户结构体 User 用于保存用户的信息，包括用户名、密码、当前目录、数据连接等信息。用户结构体还包括了一个 PathGuard 类型的字段，用于保护用户的当前目录，避免用户越权访问文件系统。用户结构体还包括了一个 TransferSession 类型的字段，用于保存数据连接的信息，包括数据连接的类型（主动或被动）、数据连接的地址等。

user.rs
1
2
3
4
5
6
7
8
9
pub struct User {
  pub username: String,
  pub status: UserStatus,
  pub addr: SocketAddr,
  pub session: Option<Arc<Mutex<TransferSession>>>,
  pub trans_type: TransferType, // ASCII or Binary

  path: PathGuard,              // 保护 PWD 的工具类型
}

传输会话 TransferSession

传输会话结构体 TransferSession 用于保存数据连接的信息，包括数据连接的类型（主动或被动）、数据连接的地址、文件的总大小、已传输的大小、文件名等信息。传输会话结构体还包括了一个 offset 字段，用于指定文件的传输偏移量，以便在传输中断后继续传输（实现了 REST 命令）。

session.rs
1
2
3
4
5
6
7
8
9
pub struct TransferSession {
  pub mode: TransferMode,   // PORT/PASV
  pub total_size: u64,      // 文件总大小
  pub finished_size: u64,   // 已传输大小
  pub file_name: String,    // 文件名
  pub finished: bool,       // 是否传输完成
  pub aborted: bool,        // 是否传输中断
  pub offset: u64,          // 传输偏移量
}

开发经验

使用标准工具对拍

在开发过程中，我发现了一个很好的测试方法，那就是使用标准的 FTP 客户端来对拍自己的 FTP 服务器。通过使用 Python 的 ftplib.FTP 和 macOS 上的 Transmit 这个标准的 FTP 图形化客户端，我可以看到客户端和服务器之间的交互过程，可以更好地发现自己的错误。这种对拍的方法可以让开发工作更有目标，因为我知道自己的 FTP 是符合标准的。

使用 {} 来缩小作用域

在 Rust 中，可以通过 {} 来缩小变量的作用域，这样可以避免变量的生命周期过长，提高代码的安全性。在开发过程中，因为通过 Mutex.lock() 方法拿到的是一个 MutexGuard 类型，它的生命周期和得到的锁的生命周期是一样的，所以可以通过 {} 来缩小锁的作用域，避免锁的生命周期过长而导致可能的死锁。

多看编译器的提示

Rust 是以编译时检查为主的语言，编译器会给出很多有用的提示，比如未使用的变量、未处理的错误、不安全的代码等等。在开发过程中，我发现多看编译器的提示可以帮助我更好地理解 Rust 的语法和规则，提高代码的质量。通过解决编译器提出的问题，有种准备考试时专项训练的感觉，完成这些测试就能拿到不错的成绩，这个过程是一种挣扎也是一种解谜，我的直观感受是节省了不少查阅文档的时间。

当前进展和下一步计划

已实现功能

已经实现的功能包括了 FTP 服务器的基本功能，包括用户登录、文件传输、目录操作、文件操作等。下面是在开发过程中定义的命令枚举类型，包括了目前 FTP 服务器支持的所有命令。

commands.rs
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
pub enum FtpCommand {
  USER(String),
  PASS(String),
  PORT(SocketAddr),
  PASV,
  RETR(String),
  STOR(String),
  ABOR,
  QUIT,
  SYST,
  TYPE(String),
  RNFR(String),
  RNTO(String),
  PWD,
  CWD(String),
  MKD(String),
  RMD(String),
  LIST(Option<String>),

  REST(u64),          // To be tested
  DELE(String),
  STAT(Option<String>),
  STOU,
  APPE(String),
  ALLO(u64),
  NOOP,
  NLST(Option<String>),
  CDUP,

  FEAT,
  MDTM(String),
}

下一步计划

从 2023 年写毕业论文思绪万千时想用 Rust 写 FTP 服务器来放松心情，到 2024 年的今天终于算是完成了这个玩具工具的开发。从 Git 提交记录来看其间搁置了接近 17 个月，6 月终于是有两三周的时间和动力来完成这个小项目。下一步的计划是继续完善该项目的功能，包括但不限于下面的几项。最终要是能让这个工具变得真正有用就再好不过了。

  • FTP 客户端: 实现一个简单的 FTP 客户端，配套测试服务器的功能
  • 优化代码: 优化代码结构和性能，提高代码的可读性和可维护性
  • 补全测试: 增加更多的测试代码，提升代码质量；进行压力测试，检查性能效果
  • 制品发布: 使用 Docker 和 Github Action 构建和发布制品，便于部署和使用

这篇文章里实现的 FTP 服务器 “rFTP” 的代码可以在我的 Github 仓库 powerfooi/rftp 中查看。

参考资料

rFTP - 用 Rust 实现简单的 FTP Server (2)

https://powerfooi.github.io/2024/06/22/RFTP-2/

作者

PowerfooI

发布于

2024-06-22

更新于

2024-08-04

许可协议

#

评论

关注我

分类

最新文章

标签

AI2
AccessControl2
CI/CD1
CloudNative4
Coding2
Deployment1
Docs1
ECMAScript1
GC1
Github1
Go1
GraphQL2
Lint1
MacOS1
NPM1
Network2
Python1
RAG1
React2
Reading3
Rust2
Security1
Tools3
TypeScript1
VSCode1
Vue2
Web Server1
Windows1
云游戏1
前端10
小程序3
总结1
摄影3
游戏1
游记3
胡思乱想7
读后感1
×