深入理解 Rust Axum：兩種依賴注入模式的實踐與對比（二）

前言

我想把使用 Rust 開發Websocket 服務的文章寫成一個系列，前面寫了一遍如何使用 Axum 搭建一個Websocket 服務的文章，我們可以和前端demo頁面進行全雙工的 Websocket 消息傳輸，而且可以啟用 HTTP2 的同時啟用 TLS。

這時候問題來了，Axum Web 應用和 Java Spring Web 應用一樣，在 Axum 中如何依賴其他對象或資源呢。Websocket 服務也是Web服務，面對不同的連客戶端接請求，每個連接請求有著不同的后端邏輯。這些后端的邏輯Service如果在每個Websocket 連接處理器中去分別創建Service對象或者數據庫對象就會大大拉低服務性能，也會占用更多的內存。能不能像 Java Web 生態中 Spring 框架的單例Bean那樣去做依賴注入呢？

我的開發項目：RTMate

GitHub地址：https://github.com/BruceZhang54110/RTMate

首先什么是依賴注入?

首先什么是依賴注入?

在軟件工程中，依賴注入（dependency injection）的意思為，給予調用方它所需要的事物。“依賴”是指可被方法調用的事物。依賴注入形式下，調用方不再直接指使用“依賴”，取而代之是“注入” 。“注入”是指將“依賴”傳遞給調用方的過程。在“注入”之后，調用方才會調用該“依賴”。傳遞依賴給調用方，而不是讓讓調用方直接獲得依賴，這個是該設計的根本需求。在編程語言角度下，“調用方”為對象和類，“依賴”為變量。在提供服務的角度下，“調用方”為客戶端，“依賴”為服務。

以Java 語言為例，當 class A 使用 class B 的某些功能時，則表示 class A 具有 class B 依賴。在使用其他 class 的方法之前，我們首先需要創建那個 class 的對象（即 class A 需要創建一個 class B 實例）。

因此，將創建對象的任務轉移給其他 class，并直接使用依賴項的過程，被稱為“依賴注入”。

為什么需要依賴注入？

如果要在 Axum Websocket 服務中要保證創建的對象是單例的，并且可以有一個全局上下文，有一個bean的資源池，有連接請求需要處理時可以直接拿到全局的單例對象去操作，需要如何實現呢？這就是今天我想在這里討論的內容。

依賴注入的好處
  1. 避免在每個請求中重復創建昂貴的對象（如數據庫連接池、外部服務客戶端），從而降低服務性能開銷和內存占用。
  2. 確保某些服務或資源在整個應用生命周期中只有一個實例，統一管理狀態和行為。
  3. 方便模擬（mock）或替換依賴，進行單元測試。
  4. 依賴關系清晰，修改和重構更容易。
  5. 在不修改代碼的情況下替換不同實現。
  6. 集中管理依賴的生命周期和實例化。

Axum 簡介

Rust 生態中一個流行的 Web 框架，以其簡潔、高性能和對異步處理的良好支持而聞名。充分利用 tower 和 tower-http 的中間件、服務和工具生態系統。

在Rust Axum框架中，使用 Router（路由） 來創建接口， 和 Java類比的話，那就是Java Spring Web項目中Controller類中定義的接口。創建 Router 時就要指定這個接口對應的 handler 方法。

  • 使用 Route 定義接口
  • 使用 handler 定義調用接口要執行的方法
  • 使用 Extractors 解析傳入的請求參數
  • 在 handlers 之間共享 state

如何在 Axum 不同 handlers 之間共享單例對象

如何讓每個請求訪問共同一份數據

要實現Web應用的依賴注入，首先要保證注入的資源是單例的，是共享的。如何實現，答案就是使用Axum的在handlers 之間共享狀態的辦法。在 Axum 文檔中寫了四種 在handlers 之間共享狀態的方法：

  1. Using the State extractor：使用 State 提取器
  2. Using request extensions：使用請求擴展
  3. Using closure captures：使用閉包去捕獲
  4. Using task-local variables：使用任務局部變量

我們今天使用最常見的使用 State 提取器（axum::extract::State）。作用是將應用級別的共享狀態（通常是一個結構體，其中包含各種單例服務）通過 Router 的 with_state 方法綁定，然后在處理器中通過 State<T> 提取。這個state 就是一個全局共享的狀態，用來管理整個應用的全局狀態和單例服務。

官網的簡寫代碼示例如下，struct AppState 定義我們想要全局依賴的內容，使用 Arc 創建原子引用計數的 shared_state ，再傳到 with_state 中。這樣在每個handler 中，都能拿到一個 state 在這里就是 State<Arc<AppState>>，這就達到了多個handler 共享 AppState 的目的。

use axum::{ extract::State,routing::get,Router,
};
use std::sync::Arc;struct AppState {// ...
}let shared_state = Arc::new(AppState { /* ... */ });let app = Router::new().route("/", get(handler)).with_state(shared_state);async fn handler(State(state): State<Arc<AppState>>,
) {// ...
}

使用Rust為我們帶來兩種依賴注入方式

代碼來自于 Axum Github 代碼倉庫的依賴注入示例。我們定義一個 User Repo 用來查詢用戶和創建用戶。提供可擴展的 Trait UserRepo。通過依賴注入模式，我們可以根據需要注入不同的 UserRepo。

use std::{collections::HashMap,sync::{Arc, Mutex},
};use axum::{extract::{Path, State},http::StatusCode,routing::{get, post},Json, Router,
};
use serde::{Deserialize, Serialize};
use tokio::net::TcpListener;
use tracing_subscriber::{layer::SubscriberExt, util::SubscriberInitExt};
use uuid::Uuid;#[tokio::main]
async fn main() {tracing_subscriber::registry().with(tracing_subscriber::EnvFilter::try_from_default_env().unwrap_or_else(|_| format!("{}=debug", env!("CARGO_CRATE_NAME")).into()),).with(tracing_subscriber::fmt::layer()).init();let user_repo = InMemoryUserRepo::default();let using_dyn = Router::new().route("/users/{id}", get(get_user_dyn)).route("/users", post(create_user_dyn)).with_state(AppStateDyn {user_repo: Arc::new(user_repo.clone()),});let using_generic = Router::new().route("/users/{id}", get(get_user_generic::<InMemoryUserRepo>)).route("/users", post(create_user_generic::<InMemoryUserRepo>)).with_state(AppStateGeneric { user_repo });let app = Router::new().nest("/dyn", using_dyn).nest("/generic", using_generic);let listener = TcpListener::bind("127.0.0.1:3000").await.unwrap();tracing::debug!("listening on {}", listener.local_addr().unwrap());axum::serve(listener, app).await.unwrap();
}#[derive(Clone)]
struct AppStateDyn {user_repo: Arc<dyn UserRepo>,
}#[derive(Clone)]
struct AppStateGeneric<T> {user_repo: T,
}#[derive(Debug, Serialize, Clone)]
struct User {id: Uuid,name: String,
}#[derive(Deserialize)]
struct UserParams {name: String,
}async fn create_user_dyn(State(state): State<AppStateDyn>,Json(params): Json<UserParams>,
) -> Json<User> {let user = User {id: Uuid::new_v4(),name: params.name,};state.user_repo.save_user(&user);Json(user)
}async fn get_user_dyn(State(state): State<AppStateDyn>,Path(id): Path<Uuid>,
) -> Result<Json<User>, StatusCode> {match state.user_repo.get_user(id) {Some(user) => Ok(Json(user)),None => Err(StatusCode::NOT_FOUND),}
}async fn create_user_generic<T>(State(state): State<AppStateGeneric<T>>,Json(params): Json<UserParams>,
) -> Json<User>
whereT: UserRepo,
{let user = User {id: Uuid::new_v4(),name: params.name,};state.user_repo.save_user(&user);Json(user)
}async fn get_user_generic<T>(State(state): State<AppStateGeneric<T>>,Path(id): Path<Uuid>,
) -> Result<Json<User>, StatusCode>
whereT: UserRepo,
{match state.user_repo.get_user(id) {Some(user) => Ok(Json(user)),None => Err(StatusCode::NOT_FOUND),}
}trait UserRepo: Send + Sync {fn get_user(&self, id: Uuid) -> Option<User>;fn save_user(&self, user: &User);
}#[derive(Debug, Clone, Default)]
struct InMemoryUserRepo {map: Arc<Mutex<HashMap<Uuid, User>>>,
}impl UserRepo for InMemoryUserRepo {fn get_user(&self, id: Uuid) -> Option<User> {self.map.lock().unwrap().get(&id).cloned()}fn save_user(&self, user: &User) {self.map.lock().unwrap().insert(user.id, user.clone());}
}
1使用 trait + 泛型

在編譯時，Rust 編譯器會為每個使用了該泛型函數的具體類型生成一個獨立的、優化的版本。這被稱為靜態分發，因為方法調用在編譯時就已經確定并硬編碼。

  1. 定義結構體AppStateGeneric<T> ，它的字段 user_repo 的類型是 T 。
  2. create_user_generic<T> 和 get_user_generic<T> 函數，它們都是泛型函數，通過 where T: UserRepo 約束 T 必須實現 UserRepo trait。
  3. 在 main 函數中，它們被實例化為 create_user_generic::<InMemoryUserRepo> 和 get_user_generic::<InMemoryUserRepo>，這意味著編譯器會專門為 InMemoryUserRepo 生成一個版本的函數。

優點: 零成本抽象。由于方法調用在編譯時就已經確定，運行時沒有額外的開銷，性能和直接調用具體類型的方法一樣快。

缺點: 靈活性較差。所有使用該泛型函數的類型必須在編譯時確定。這可能導致生成的代碼量增加，因為編譯器會為每個具體類型生成一個獨立的函數副本。

2. 使用 trait + 動態分發

Arc + dyn 來實現動態分發，使用 dyn Trait（如 Arc<dyn UserRepo>）來存儲一個指向實現了 UserRepo trait 的任何具體類型的 trait 對象。在運行時，Rust 會通過虛函數表（vtable）來查找并調用正確的方法。這被稱為動態分發，因為方法調用是在運行時確定的。

  1. AppStateDyn 結構體：它的 user_repo 字段的類型是 Arc<dyn UserRepo>。這意味著它不關心具體是哪種 UserRepo 實現，只要它實現了 UserRepo trait 即可。

  2. create_user_dyn 和 get_user_dyn 函數：它們接受 AppStateDyn 作為狀態。方法調用如 state.user_repo.save_user(&user) 發生時，會動態地調用 InMemoryUserRepo 的 save_user 方法。

  3. 優點: 靈活性強。你可以在運行時切換不同的 UserRepo 實現，而不需要改變函數簽名。例如，你可以很容易地將 InMemoryUserRepo 換成 PostgresUserRepo 或 RedisUserRepo，而這些 handler 函數（create_user_dyn 等）無需修改。

    缺點: 有輕微的性能開銷。因為需要在運行時通過 虛函數表（vtable ）查找方法，這比直接調用具體類型的方法要慢一些。

為什么需要 Arc ？

在Rust 中Arc 是 Atomic Rc 的縮寫，顧名思義：原子化的 Rc<T> 智能指針。Rust 所有權機制要求一個值只能有一個所有者，但是當遇到需要多個所有者時，Rust 巧妙的使用引用計數的方式，允許一個數據資源在同一時刻擁有多個所有者。這種實現機制就是 Rc 和 Arc，前者適用于單線程，后者是原子化實現的引用計數，因此是線程安全的，可以用于多線程中共享數據。

總結

結合Rust 強大的類型機制和內存所有權機制，讓我們同樣可以在 Rust Axum 中使用依賴注入的模式，實現高性能的數據共享。靜態分發（泛型）和動態分發（dyn）在實踐中，這兩種模式并非非此即彼。你可以根據具體需求進行選擇：如果你的服務依賴非常穩定，且對性能要求嚴苛，請選擇泛型；如果你的應用需要更強的可擴展性和靈活性（比如在不同環境中切換數據庫連接），那么動態分發是更好的選擇。

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