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rust-course/advance-practice/frame.html

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<title>解析数据帧 - Rust语言圣经(Rust Course)</title>
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<!-- Work around some values being stored in localStorage wrapped in quotes -->
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try {
var theme = localStorage.getItem('mdbook-theme');
var sidebar = localStorage.getItem('mdbook-sidebar');
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localStorage.setItem('mdbook-theme', theme.slice(1, theme.length - 1));
}
if (sidebar.startsWith('"') && sidebar.endsWith('"')) {
localStorage.setItem('mdbook-sidebar', sidebar.slice(1, sidebar.length - 1));
}
} catch (e) { }
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<!-- Set the theme before any content is loaded, prevents flash -->
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var theme;
try { theme = localStorage.getItem('mdbook-theme'); } catch(e) { }
if (theme === null || theme === undefined) { theme = default_theme; }
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<input type="checkbox" id="sidebar-toggle-anchor" class="hidden">
<!-- Hide / unhide sidebar before it is displayed -->
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var body = document.querySelector('body');
var sidebar = null;
var sidebar_toggle = document.getElementById("sidebar-toggle-anchor");
if (document.body.clientWidth >= 1080) {
try { sidebar = localStorage.getItem('mdbook-sidebar'); } catch(e) { }
sidebar = sidebar || 'visible';
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sidebar = 'hidden';
}
sidebar_toggle.checked = sidebar === 'visible';
body.classList.remove('sidebar-visible');
body.classList.add("sidebar-" + sidebar);
</script>
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<ol class="chapter"><li class="chapter-item affix "><a href="../about-book.html">关于本书</a></li><li class="chapter-item affix "><a href="../into-rust.html">进入 Rust 编程世界</a></li><li class="chapter-item affix "><a href="../first-try/sth-you-should-not-do.html">避免从入门到放弃</a></li><li class="chapter-item affix "><a href="../community.html">社区和锈书</a></li><li class="spacer"></li><li class="chapter-item affix "><a href="../some-thoughts.html">Datav: 可编程的数据可视化平台和可观测性平台</a></li><li class="chapter-item affix "><li class="part-title">Rust 语言基础学习</li><li class="spacer"></li><li class="chapter-item "><a href="../first-try/intro.html"><strong aria-hidden="true">1.</strong> 寻找牛刀，以便小试</a><a class="toggle"><div>❱</div></a></li><li><ol class="section"><li class="chapter-item "><a href="../first-try/installation.html"><strong aria-hidden="true">1.1.</strong> 安装 Rust 环境</a></li><li class="chapter-item "><a href="../first-try/editor.html"><strong aria-hidden="true">1.2.</strong> 墙推 VSCode!</a></li><li class="chapter-item "><a href="../first-try/cargo.html"><strong aria-hidden="true">1.3.</strong> 认识 Cargo</a></li><li class="chapter-item "><a href="../first-try/hello-world.html"><strong aria-hidden="true">1.4.</strong> 不仅仅是 Hello world</a></li><li class="chapter-item "><a href="../first-try/slowly-downloading.html"><strong aria-hidden="true">1.5.</strong> 下载依赖太慢了？</a></li></ol></li><li class="chapter-item "><a href="../basic/intro.html"><strong aria-hidden="true">2.</strong> Rust 基础入门</a><a class="toggle"><div>❱</div></a></li><li><ol class="section"><li class="chapter-item "><a href="../basic/variable.html"><strong aria-hidden="true">2.1.</strong> 变量绑定与解构</a></li><li class="chapter-item "><a href="../basic/base-type/index.html"><strong aria-hidden="true">2.2.</strong> 基本类型</a><a class="toggle"><div>❱</div></a></li><li><ol class="section"><li class="chapter-item "><a href="../basic/base-type/numbers.html"><strong aria-hidden="true">2.2.1.</strong> 数值类型</a></li><li class="chapter-item "><a href="../basic/base-type/char-bool.html"><strong aria-hidden="true">2.2.2.</strong> 字符、布尔、单元类型</a></li><li class="chapter-item "><a href="../basic/base-type/statement-expression.html"><strong aria-hidden="true">2.2.3.</strong> 语句与表达式</a></li><li class="chapter-item "><a href="../basic/base-type/function.html"><strong aria-hidden="true">2.2.4.</strong> 函数</a></li></ol></li><li class="chapter-item "><a href="../basic/ownership/index.html"><strong aria-hidden="true">2.3.</strong> 所有权和借用</a><a class="toggle"><div>❱</div></a></li><li><ol class="section"><li class="chapter-item "><a href="../basic/ownership/ownership.html"><strong aria-hidden="true">2.3.1.</strong> 所有权</a></li><li class="chapter-item "><a href="../basic/ownership/borrowing.html"><strong aria-hidden="true">2.3.2.</strong> 引用与借用</a></li></ol></li><li class="chapter-item "><a href="../basic/compound-type/intro.html"><strong aria-hidden="true">2.4.</strong> 复合类型</a><a class="toggle"><div>❱</div></a></li><li><ol class="section"><li class="chapter-item "><a href="../basic/compound-type/string-slice.html"><strong aria-hidden="true">2.4.1.</strong> 字符串与切片</a></li><li class="chapter-item "><a href="../basic/compound-type/tuple.html"><strong aria-hidden="true">2.4.2.</strong> 元组</a></li><li class="chapter-item "><a href="../basic/compound-type/struct.html"><strong aria-hidden="true">2.4.3.</strong> 结构体</a></li><li class="chapter-item "><a href="../basic/compound-type/enum.html"><strong aria-hidden="true">2.4.4.</strong> 枚举</a></li><li class="chapter-item "><a href="../basic/compound-type/array.html"><strong aria-hidden="true">2.4.5.</strong> 数组</a></li></ol></li><li class="chapter-item "><a href="../basic/flow-control.html"><strong aria-hidden="true">2.5.</strong> 流程控制</a></li><li class="cha
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sidebarScrollbox.addEventListener('click', function(e) {
if (e.target.tagName === 'A') {
sessionStorage.setItem('sidebar-scroll', sidebarScrollbox.scrollTop);
}
}, { passive: true });
var sidebarScrollTop = sessionStorage.getItem('sidebar-scroll');
sessionStorage.removeItem('sidebar-scroll');
if (sidebarScrollTop) {
// preserve sidebar scroll position when navigating via links within sidebar
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}
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document.getElementById('sidebar-toggle').setAttribute('aria-expanded', sidebar === 'visible');
document.getElementById('sidebar').setAttribute('aria-hidden', sidebar !== 'visible');
Array.from(document.querySelectorAll('#sidebar a')).forEach(function(link) {
link.setAttribute('tabIndex', sidebar === 'visible' ? 0 : -1);
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</script>
<div id="content" class="content">
<!-- Page table of contents -->
<div class="sidetoc"><nav class="pagetoc"></nav></div>
<main>
<h1 id="解析数据帧"><a class="header" href="#解析数据帧">解析数据帧</a></h1>
<p>现在，鉴于大家已经掌握了 Tokio 的基本 I/O 用法，我们可以开始实现 <code>mini-redis</code> 的帧 <code>frame</code>。通过帧可以将字节流转换成帧组成的流。每个帧就是一个数据单元，例如客户端发送的一次请求就是一个帧。</p>
<pre><pre class="playground"><code class="language-rust edition2021"><span class="boring">#![allow(unused)]
</span><span class="boring">fn main() {
</span>use bytes::Bytes;
enum Frame {
Simple(String),
Error(String),
Integer(u64),
Bulk(Bytes),
Null,
Array(Vec&lt;Frame&gt;),
}
<span class="boring">}</span></code></pre></pre>
<p>可以看到帧除了数据之外，并不具备任何语义。命令解析和实现会在更高的层次进行(相比帧解析层）。我们再来通过 HTTP 的帧来帮大家加深下相关的理解：</p>
<pre><pre class="playground"><code class="language-rust edition2021"><span class="boring">#![allow(unused)]
</span><span class="boring">fn main() {
</span>enum HttpFrame {
RequestHead {
method: Method,
uri: Uri,
version: Version,
headers: HeaderMap,
},
ResponseHead {
status: StatusCode,
version: Version,
headers: HeaderMap,
},
BodyChunk {
chunk: Bytes,
},
}
<span class="boring">}</span></code></pre></pre>
<p>为了实现 <code>mini-redis</code> 的帧，我们需要一个 <code>Connection</code> 结构体，里面包含了一个 <code>TcpStream</code> 以及对帧进行读写的方法:</p>
<pre><pre class="playground"><code class="language-rust edition2021"><span class="boring">#![allow(unused)]
</span><span class="boring">fn main() {
</span>use tokio::net::TcpStream;
use mini_redis::{Frame, Result};
struct Connection {
stream: TcpStream,
// ... 这里定义其它字段
}
impl Connection {
/// 从连接读取一个帧
///
/// 如果遇到EOF，则返回 None
pub async fn read_frame(&amp;mut self)
-&gt; Result&lt;Option&lt;Frame&gt;&gt;
{
// 具体实现
}
/// 将帧写入到连接中
pub async fn write_frame(&amp;mut self, frame: &amp;Frame)
-&gt; Result&lt;()&gt;
{
// 具体实现
}
}
<span class="boring">}</span></code></pre></pre>
<p>关于 Redis 协议的说明，可以看看<a href="https://redis.io/topics/protocol">官方文档</a>，<code>Connection</code> 代码的完整实现见<a href="https://github.com/tokio-rs/mini-redis/blob/tutorial/src/connection.rs">这里</a>.</p>
<h2 id="缓冲读取buffered-reads"><a class="header" href="#缓冲读取buffered-reads">缓冲读取(Buffered Reads)</a></h2>
<p><code>read_frame</code> 方法会等到一个完整的帧都读取完毕后才返回，与之相比，它底层调用的<code>TcpStream::read</code> 只会返回任意多的数据(填满传入的缓冲区 buffer )，它可能返回帧的一部分、一个帧、多个帧，总之这种读取行为是不确定的。</p>
<p>当 <code>read_frame</code> 的底层调用 <code>TcpStream::read</code> 读取到部分帧时，会将数据先缓冲起来，接着继续等待并读取数据。如果读到多个帧，那第一个帧会被返回，然后剩下的数据依然被缓冲起来，等待下一次 <code>read_frame</code> 被调用。</p>
<p>为了实现这种功能，我们需要为 <code>Connection</code> 增加一个读取缓冲区。数据首先从 <code>socket</code> 中读取到缓冲区中，接着这些数据会被解析为帧，当一个帧被解析后，该帧对应的数据会从缓冲区被移除。</p>
<p>这里使用 <a href="https://docs.rs/bytes/1/bytes/struct.BytesMut.html"><code>BytesMut</code></a> 作为缓冲区类型，它是 <a href="https://docs.rs/bytes/1/bytes/struct.Bytes.html"><code>Bytes</code></a> 的可变版本。</p>
<pre><pre class="playground"><code class="language-rust edition2021"><span class="boring">#![allow(unused)]
</span><span class="boring">fn main() {
</span>use bytes::BytesMut;
use tokio::net::TcpStream;
pub struct Connection {
stream: TcpStream,
buffer: BytesMut,
}
impl Connection {
pub fn new(stream: TcpStream) -&gt; Connection {
Connection {
stream,
// 分配一个缓冲区，具有4kb的缓冲长度
buffer: BytesMut::with_capacity(4096),
}
}
}
<span class="boring">}</span></code></pre></pre>
<p>接下来，实现 <code>read_frame</code> 方法:</p>
<pre><pre class="playground"><code class="language-rust edition2021"><span class="boring">#![allow(unused)]
</span><span class="boring">fn main() {
</span>use tokio::io::AsyncReadExt;
use bytes::Buf;
use mini_redis::Result;
pub async fn read_frame(&amp;mut self)
-&gt; Result&lt;Option&lt;Frame&gt;&gt;
{
loop {
// 尝试从缓冲区的数据中解析出一个数据帧，
// 只有当数据足够被解析时，才返回对应的帧
if let Some(frame) = self.parse_frame()? {
return Ok(Some(frame));
}
// 如果缓冲区中的数据还不足以被解析为一个数据帧，
// 那么我们需要从 socket 中读取更多的数据
//
// 读取成功时，会返回读取到的字节数，0 代表着读到了数据流的末尾
if 0 == self.stream.read_buf(&amp;mut self.buffer).await? {
// 代码能执行到这里，说明了对端关闭了连接，
// 需要看看缓冲区是否还有数据，若没有数据，说明所有数据成功被处理，
// 若还有数据，说明对端在发送帧的过程中断开了连接，导致只发送了部分数据
if self.buffer.is_empty() {
return Ok(None);
} else {
return Err(&quot;connection reset by peer&quot;.into());
}
}
}
}
<span class="boring">}</span></code></pre></pre>
<p><code>read_frame</code> 内部使用循环的方式读取数据，直到一个完整的帧被读取到时，才会返回。当然，当远程的对端关闭了连接后，也会返回。</p>
<h4 id="buf-特征"><a class="header" href="#buf-特征"><code>Buf</code> 特征</a></h4>
<p>在上面的 <code>read_frame</code> 方法中，我们使用了 <code>read_buf</code> 来读取 socket 中的数据，该方法的参数是来自 <a href="https://docs.rs/bytes/"><code>bytes</code></a> 包的 <code>BufMut</code>。</p>
<p>可以先来考虑下该如何使用 <code>read()</code> 和 <code>Vec&lt;u8&gt;</code> 来实现同样的功能 :</p>
<pre><pre class="playground"><code class="language-rust edition2021"><span class="boring">#![allow(unused)]
</span><span class="boring">fn main() {
</span>use tokio::net::TcpStream;
pub struct Connection {
stream: TcpStream,
buffer: Vec&lt;u8&gt;,
cursor: usize,
}
impl Connection {
pub fn new(stream: TcpStream) -&gt; Connection {
Connection {
stream,
// 4kb 大小的缓冲区
buffer: vec![0; 4096],
cursor: 0,
}
}
}
<span class="boring">}</span></code></pre></pre>
<p>下面是相应的 <code>read_frame</code> 方法:</p>
<pre><pre class="playground"><code class="language-rust edition2021"><span class="boring">#![allow(unused)]
</span><span class="boring">fn main() {
</span>use mini_redis::{Frame, Result};
pub async fn read_frame(&amp;mut self)
-&gt; Result&lt;Option&lt;Frame&gt;&gt;
{
loop {
if let Some(frame) = self.parse_frame()? {
return Ok(Some(frame));
}
// 确保缓冲区长度足够
if self.buffer.len() == self.cursor {
// 若不够，需要增加缓冲区长度
self.buffer.resize(self.cursor * 2, 0);
}
// 从游标位置开始将数据读入缓冲区
let n = self.stream.read(
&amp;mut self.buffer[self.cursor..]).await?;
if 0 == n {
if self.cursor == 0 {
return Ok(None);
} else {
return Err(&quot;connection reset by peer&quot;.into());
}
} else {
// 更新游标位置
self.cursor += n;
}
}
}
<span class="boring">}</span></code></pre></pre>
<p>在这段代码中，我们使用了非常重要的技术：通过游标( cursor )跟踪已经读取的数据，并将下次读取的数据写入到游标之后的缓冲区中，只有这样才不会让新读取的数据将之前读取的数据覆盖掉。</p>
<p>一旦缓冲区满了，还需要增加缓冲区的长度，这样才能继续写入数据。还有一点值得注意，在 <code>parse_frame</code> 方法的内部实现中，也需要通过游标来解析数据: <code>self.buffer[..self.cursor]</code>，通过这种方式，我们可以准确获取到目前已经读取的全部数据。</p>
<p>在网络编程中，通过字节数组和游标的方式读取数据是非常普遍的，因此 <code>bytes</code> 包提供了一个 <code>Buf</code> 特征，如果一个类型可以被读取数据，那么该类型需要实现 <code>Buf</code> 特征。与之对应，当一个类型可以被写入数据时，它需要实现 <code>BufMut</code> 。</p>
<p>当 <code>T: BufMut</code> ( 特征约束，说明类型 <code>T</code> 实现了 <code>BufMut</code> 特征 ) 被传给 <code>read_buf()</code> 方法时，缓冲区 <code>T</code> 的内部游标会自动进行更新。正因为如此，在使用了 <code>BufMut</code> 版本的 <code>read_frame</code> 中，我们并不需要管理自己的游标。</p>
<p>除了游标之外，<code>Vec&lt;u8&gt;</code> 的使用也值得关注，该缓冲区在使用时必须要被初始化: <code>vec![0; 4096]</code>，该初始化会创建一个 4096 字节长度的数组，然后将数组的每个元素都填充上 0 。当缓冲区长度不足时，新创建的缓冲区数组依然会使用 0 被重新填充一遍。 事实上，这种初始化过程会存在一定的性能开销。</p>
<p>与 <code>Vec&lt;u8&gt;</code> 相反， <code>BytesMut</code> 和 <code>BufMut</code> 就没有这个问题，它们无需被初始化，而且 <code>BytesMut</code> 还会阻止我们读取未初始化的内存。</p>
<h2 id="帧解析"><a class="header" href="#帧解析">帧解析</a></h2>
<p>在理解了该如何读取数据后， 再来看看该如何通过两个部分解析出一个帧：</p>
<ul>
<li>确保有一个完整的帧已经被写入了缓冲区，找到该帧的最后一个字节所在的位置</li>
<li>解析帧</li>
</ul>
<pre><pre class="playground"><code class="language-rust edition2021"><span class="boring">#![allow(unused)]
</span><span class="boring">fn main() {
</span>use mini_redis::{Frame, Result};
use mini_redis::frame::Error::Incomplete;
use bytes::Buf;
use std::io::Cursor;
fn parse_frame(&amp;mut self)
-&gt; Result&lt;Option&lt;Frame&gt;&gt;
{
// 创建 `T: Buf` 类型
let mut buf = Cursor::new(&amp;self.buffer[..]);
// 检查是否读取了足够解析出一个帧的数据
match Frame::check(&amp;mut buf) {
Ok(_) =&gt; {
// 获取组成该帧的字节数
let len = buf.position() as usize;
// 在解析开始之前，重置内部的游标位置
buf.set_position(0);
// 解析帧
let frame = Frame::parse(&amp;mut buf)?;
// 解析完成，将缓冲区该帧的数据移除
self.buffer.advance(len);
// 返回解析出的帧
Ok(Some(frame))
}
// 缓冲区的数据不足以解析出一个完整的帧
Err(Incomplete) =&gt; Ok(None),
// 遇到一个错误
Err(e) =&gt; Err(e.into()),
}
}
<span class="boring">}</span></code></pre></pre>
<p>完整的 <code>Frame::check</code> 函数实现在<a href="https://github.com/tokio-rs/mini-redis/blob/tutorial/src/frame.rs#L63-L100">这里</a>，感兴趣的同学可以看看，在这里我们不会对它进行完整的介绍。</p>
<p>值得一提的是, <code>Frame::check</code> 使用了 <code>Buf</code> 的字节迭代风格的 API。例如，为了解析一个帧，首先需要检查它的第一个字节，该字节用于说明帧的类型。这种首字节检查是通过 <code>Buf::get_u8</code> 函数完成的，该函数会获取游标所在位置的字节，然后将游标位置向右移动一个字节。</p>
<h2 id="缓冲写入buffered-writes"><a class="header" href="#缓冲写入buffered-writes">缓冲写入(Buffered writes)</a></h2>
<p>关于帧操作的另一个 API 是 <code>write_frame(frame)</code> 函数，它会将一个完整的帧写入到 socket 中。 每一次写入，都会触发一次或数次系统调用，当程序中有大量的连接和写入时，系统调用的开销将变得非常高昂，具体可以看看 SyllaDB 团队写过的一篇<a href="https://www.scylladb.com/2022/01/12/async-rust-in-practice-performance-pitfalls-profiling/">性能调优文章</a>。</p>
<p>为了降低系统调用的次数，我们需要使用一个写入缓冲区，当写入一个帧时，首先会写入该缓冲区，然后等缓冲区数据足够多时，再集中将其中的数据写入到 socket 中，这样就将多次系统调用优化减少到一次。</p>
<p>还有，缓冲区也不总是能提升性能。 例如，考虑一个 <code>bulk</code> 帧(多个帧放在一起组成一个 bulk，通过批量发送提升效率)，该帧的特点就是：由于由多个帧组合而成，因此帧体数据可能会很大。所以我们不能将其帧体数据写入到缓冲区中，因为数据较大时，先写入缓冲区再写入 socket 会有较大的性能开销(实际上缓冲区就是为了批量写入，既然 bulk 已经是批量了，因此不使用缓冲区也很正常)。</p>
<p>为了实现缓冲写，我们将使用 <a href="https://docs.rs/tokio/1/tokio/io/struct.BufWriter.html"><code>BufWriter</code></a> 结构体。该结构体实现了 <code>AsyncWrite</code> 特征，当 <code>write</code> 方法被调用时，不会直接写入到 socket 中，而是先写入到缓冲区中。当缓冲区被填满时，其中的内容会自动刷到(写入到)内部的 socket 中，然后再将缓冲区清空。当然，其中还存在某些优化，通过这些优化可以绕过缓冲区直接访问 socket。</p>
<p>由于篇幅有限，我们不会实现完整的 <code>write_frame</code> 函数，想要看完整代码可以访问<a href="https://github.com/tokio-rs/mini-redis/blob/tutorial/src/connection.rs#L159-L184">这里</a>。</p>
<p>首先，更新下 <code>Connection</code> 的结构体:</p>
<pre><pre class="playground"><code class="language-rust edition2021"><span class="boring">#![allow(unused)]
</span><span class="boring">fn main() {
</span>use tokio::io::BufWriter;
use tokio::net::TcpStream;
use bytes::BytesMut;
pub struct Connection {
stream: BufWriter&lt;TcpStream&gt;,
buffer: BytesMut,
}
impl Connection {
pub fn new(stream: TcpStream) -&gt; Connection {
Connection {
stream: BufWriter::new(stream),
buffer: BytesMut::with_capacity(4096),
}
}
}
<span class="boring">}</span></code></pre></pre>
<p>接着来实现 <code>write_frame</code> 函数:</p>
<pre><pre class="playground"><code class="language-rust edition2021"><span class="boring">#![allow(unused)]
</span><span class="boring">fn main() {
</span>use tokio::io::{self, AsyncWriteExt};
use mini_redis::Frame;
async fn write_frame(&amp;mut self, frame: &amp;Frame)
-&gt; io::Result&lt;()&gt;
{
match frame {
Frame::Simple(val) =&gt; {
self.stream.write_u8(b'+').await?;
self.stream.write_all(val.as_bytes()).await?;
self.stream.write_all(b&quot;\r\n&quot;).await?;
}
Frame::Error(val) =&gt; {
self.stream.write_u8(b'-').await?;
self.stream.write_all(val.as_bytes()).await?;
self.stream.write_all(b&quot;\r\n&quot;).await?;
}
Frame::Integer(val) =&gt; {
self.stream.write_u8(b':').await?;
self.write_decimal(*val).await?;
}
Frame::Null =&gt; {
self.stream.write_all(b&quot;$-1\r\n&quot;).await?;
}
Frame::Bulk(val) =&gt; {
let len = val.len();
self.stream.write_u8(b'$').await?;
self.write_decimal(len as u64).await?;
self.stream.write_all(val).await?;
self.stream.write_all(b&quot;\r\n&quot;).await?;
}
Frame::Array(_val) =&gt; unimplemented!(),
}
self.stream.flush().await;
Ok(())
}
<span class="boring">}</span></code></pre></pre>
<p>这里使用的方法由 <code>AsyncWriteExt</code> 提供，它们在 <code>TcpStream</code> 中也有对应的函数。但是在没有缓冲区的情况下最好避免使用这种逐字节的写入方式！不然，每写入几个字节就会触发一次系统调用，写完整个数据帧可能需要几十次系统调用，可以说是丧心病狂！</p>
<ul>
<li><code>write_u8</code> 写入一个字节</li>
<li><code>write_all</code> 写入所有数据</li>
<li><code>write_decimal</code>由 mini-redis 提供</li>
</ul>
<p>在函数结束前，我们还额外的调用了一次 <code>self.stream.flush().await</code>，原因是缓冲区可能还存在数据，因此需要手动刷一次数据：<code>flush</code> 的调用会将缓冲区中剩余的数据立刻写入到 socket 中。</p>
<p>当然，当帧比较小的时候，每写一次帧就 flush 一次的模式性能开销会比较大，此时我们可以选择在 <code>Connection</code> 中实现 <code>flush</code> 函数，然后将等帧积累多个后，再一次性在 <code>Connection</code> 中进行 flush。当然，对于我们的例子来说，简洁性是非常重要的，因此选了将 <code>flush</code> 放入到 <code>write_frame</code> 中。</p>
<div id="giscus-container"></div>
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