MySQL高级讲座篇之：MySQL与`Rust`的集成：如何编写`Rust`的存储引擎或`UDF`？ - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

各位观众老爷，大家好！今天咱们不聊风花雪月，来点硬核的——MySQL与Rust的激情碰撞！主题是：如何编写Rust的存储引擎或UDF。准备好了吗？Let’s rock!

开场白：为何要Rust？

先别急着抄代码，咱们得明白为什么要用Rust来搞MySQL。毕竟C/C++才是老大哥嘛。原因很简单：

安全！安全！安全！ Rust的内存安全特性（所有权、借用检查器）能有效避免C/C++中常见的内存泄漏、空指针、数据竞争等问题。这对于数据库这种对稳定性要求极高的系统来说，简直是救命稻草。
性能！性能！性能！ Rust的零成本抽象，让它在保证安全的同时，拥有接近C/C++的性能。这对于存储引擎这种性能敏感的模块来说，简直是如虎添翼。
现代化！现代化！现代化！ Rust的包管理工具Cargo、强大的类型系统、现代化的并发模型，都让开发过程更加高效和愉悦。

当然，Rust也有缺点，比如学习曲线陡峭、编译时间较长。但为了安全和性能，这些付出是值得的。

第一部分：Rust UDF（用户自定义函数）

UDF是相对简单的切入点。你可以用Rust写一些MySQL本身没有的函数，比如复杂的数学计算、字符串处理、加密解密等。

1.1 环境搭建

首先，你需要安装Rust和Cargo：

curl --proto '=https' --tlsv1.2 -sSf https://sh.rustup.rs | sh

然后，你需要安装MySQL的开发库。在Debian/Ubuntu上：

sudo apt-get install libmysqlclient-dev

在Fedora/CentOS上：

sudo yum install mysql-devel

1.2 创建Cargo项目

cargo new rust_udf --lib
cd rust_udf

1.3 添加依赖

在Cargo.toml文件中添加mysqlclient-sys依赖：

[dependencies]
mysqlclient-sys = "0.2"
libc = "0.2"

[lib]
name = "rust_udf"
crate-type = ["cdylib"]

mysqlclient-sys：MySQL C API的Rust绑定。
libc：C标准库的Rust绑定。
crate-type = ["cdylib"]：指定编译成动态链接库，这是MySQL UDF需要的格式。

1.4 编写UDF代码

在src/lib.rs文件中编写UDF代码。这里我们写一个简单的UDF，用于计算两个数的和：

use mysqlclient_sys as mysql;
use libc::{c_char, c_uint, c_ulong, c_void};
use std::ffi::CString;
use std::slice;

#[no_mangle]
pub extern "C" fn rust_add_init(
    initid: *mut mysql::UDF_INIT,
    args: *mut mysql::UDF_ARGS,
    message: *mut c_char,
    length: c_ulong,
) -> mysql::my_bool {
    unsafe {
        if (*args).arg_count != 2 {
            let error_message = CString::new("rust_add requires two arguments").unwrap();
            std::ptr::copy_nonoverlapping(
                error_message.as_ptr() as *const c_char,
                message,
                error_message.as_bytes().len() as usize,
            );
            return 1; // Error
        }

        if (*args).arg_type[0] != mysql::Item_result::REAL_RESULT as u8 || (*args).arg_type[1] != mysql::Item_result::REAL_RESULT as u8 {
            let error_message = CString::new("rust_add requires numeric arguments").unwrap();
            std::ptr::copy_nonoverlapping(
                error_message.as_ptr() as *const c_char,
                message,
                error_message.as_bytes().len() as usize,
            );
            return 1; // Error
        }

        (*initid).maybe_null = 0; // Function never returns NULL
    }
    0 // Success
}

#[no_mangle]
pub extern "C" fn rust_add(
    initid: *mut mysql::UDF_INIT,
    args: *mut mysql::UDF_ARGS,
    result: *mut c_char,
    length: *mut c_ulong,
    is_null: *mut mysql::my_bool,
    error: *mut mysql::my_bool,
) {
    unsafe {
        let arg1 = *((*args).args + 0) as *const f64;
        let arg2 = *((*args).args + 1) as *const f64;

        let sum = *arg1 + *arg2;

        *(result as *mut f64) = sum;
        *length = 8; // Size of f64
        *is_null = 0;
        *error = 0;
    }
}

#[no_mangle]
pub extern "C" fn rust_add_deinit(initid: *mut mysql::UDF_INIT) {
    // Nothing to deinitialize in this simple example
}

这段代码稍微有点长，但别慌，咱们一步步来：

#[no_mangle]：告诉编译器不要修改函数名，因为MySQL需要通过特定的函数名来调用UDF。
extern "C"：指定函数使用C调用约定，这是MySQL要求的。
rust_add_init：初始化函数，在UDF第一次被调用时执行。它负责检查参数类型和数量。
rust_add：实际的UDF函数，接收参数、计算结果、并将结果返回给MySQL。
rust_add_deinit：反初始化函数，在UDF不再被使用时执行。

1.5 编译

cargo build --release

编译完成后，会在target/release目录下生成一个名为librust_udf.so（Linux）或librust_udf.dylib (macOS)的动态链接库。

1.6 安装和使用

将动态链接库复制到MySQL的UDF目录。可以通过 SHOW VARIABLES LIKE 'plugin_dir'; 查找plugin目录。

sudo cp target/release/librust_udf.so /usr/lib/mysql/plugin/

在MySQL中创建UDF：

CREATE FUNCTION rust_add RETURNS REAL SONAME 'librust_udf.so';

现在就可以使用UDF了：

SELECT rust_add(1.0, 2.0);

1.7 进阶：处理字符串

如果UDF需要处理字符串，需要注意一些细节。Rust的字符串是UTF-8编码的，而MySQL的字符串可能使用不同的编码。

// 处理字符串的UDF示例
#[no_mangle]
pub extern "C" fn rust_concat(
    initid: *mut mysql::UDF_INIT,
    args: *mut mysql::UDF_ARGS,
    result: *mut c_char,
    length: *mut c_ulong,
    is_null: *mut mysql::my_bool,
    error: *mut mysql::my_bool,
) {
    unsafe {
        if (*args).arg_count != 2 {
            *is_null = 1;
            return;
        }

        let arg1_ptr = *((*args).args + 0) as *const c_char;
        let arg2_ptr = *((*args).args + 1) as *const c_char;

        let arg1_len = *((*args).lengths + 0) as usize;
        let arg2_len = *((*args).lengths + 1) as usize;

        let arg1 = slice::from_raw_parts(arg1_ptr, arg1_len);
        let arg2 = slice::from_raw_parts(arg2_ptr, arg2_len);

        // 将字节切片转换为字符串，这里假设是UTF-8编码
        let str1 = String::from_utf8_lossy(arg1);
        let str2 = String::from_utf8_lossy(arg2);

        let concatenated = str1.to_string() + &str2.to_string();

        // 将结果复制到MySQL的result缓冲区
        let result_bytes = concatenated.as_bytes();
        let result_len = result_bytes.len();

        if result_len > (*initid).max_length as usize {
            *error = 1;
            return;
        }

        std::ptr::copy_nonoverlapping(
            result_bytes.as_ptr() as *const c_char,
            result,
            result_len,
        );

        *length = result_len as c_ulong;
        *is_null = 0;
        *error = 0;
    }
}

#[no_mangle]
pub extern "C" fn rust_concat_init(
    initid: *mut mysql::UDF_INIT,
    args: *mut mysql::UDF_ARGS,
    message: *mut c_char,
    length: c_ulong,
) -> mysql::my_bool {
    unsafe {
        if (*args).arg_count != 2 {
            let error_message = CString::new("rust_concat requires two arguments").unwrap();
            std::ptr::copy_nonoverlapping(
                error_message.as_ptr() as *const c_char,
                message,
                error_message.as_bytes().len() as usize,
            );
            return 1; // Error
        }

         if (*args).arg_type[0] != mysql::Item_result::STRING_RESULT as u8 || (*args).arg_type[1] != mysql::Item_result::STRING_RESULT as u8 {
            let error_message = CString::new("rust_concat requires string arguments").unwrap();
            std::ptr::copy_nonoverlapping(
                error_message.as_ptr() as *const c_char,
                message,
                error_message.as_bytes().len() as usize,
            );
            return 1; // Error
        }

        (*initid).max_length = 255; // 设置最大长度，避免缓冲区溢出
        (*initid).maybe_null = 1; // 允许返回NULL
    }
    0 // Success
}

#[no_mangle]
pub extern "C" fn rust_concat_deinit(initid: *mut mysql::UDF_INIT) {
    // Nothing to deinitialize in this simple example
}

(*args).lengths：包含每个参数的长度。
slice::from_raw_parts：将指针和长度转换为字节切片。
String::from_utf8_lossy：将字节切片转换为字符串，如果遇到无效的UTF-8序列，会用替换字符代替。
(*initid).max_length：设置UDF返回结果的最大长度，防止缓冲区溢出。

第二部分：Rust存储引擎

存储引擎是MySQL的核心组件，负责数据的存储和检索。用Rust编写存储引擎的难度远大于UDF，但收益也更大。

2.1 架构概述

MySQL的存储引擎架构是可插拔的。每个存储引擎都实现了一组标准的API，MySQL服务器通过这些API来访问数据。

以下是一些关键的存储引擎API：

API	描述
`ha_create`	创建表
`ha_open`	打开表
`ha_close`	关闭表
`ha_read_record`	读取一条记录
`ha_write_row`	写入一行数据
`ha_delete_row`	删除一行数据
`ha_update_row`	更新一行数据
`ha_index_read`	通过索引读取记录
`ha_rnd_init`	初始化全表扫描
`ha_rnd_next`	读取下一条记录（全表扫描）

2.2 开发步骤

了解存储引擎API：仔细阅读MySQL的存储引擎API文档，理解每个API的参数和返回值。
创建Cargo项目：创建一个Rust项目，并添加必要的依赖。
实现存储引擎API：编写Rust代码，实现存储引擎API。
编译：将Rust代码编译成动态链接库。
安装：将动态链接库复制到MySQL的插件目录。
配置：配置MySQL使用新的存储引擎。

2.3 依赖

除了mysqlclient-sys和libc之外，你可能还需要以下依赖：

log：用于日志记录。
env_logger：用于配置日志记录。
serde：用于序列化和反序列化数据。
tokio或async-std：用于异步编程（如果需要）。
crossbeam：用于并发编程。

2.4 代码示例（简化版）

由于存储引擎的代码量非常大，这里只提供一个简化的示例，用于演示如何实现ha_create和ha_openAPI：

use mysqlclient_sys as mysql;
use libc::{c_char, c_uint, c_ulong, c_void};
use std::ffi::CString;
use std::ptr;

// 定义存储引擎的类型
#[repr(C)]
pub struct MyStorageEngine {
    // TODO: 添加存储引擎的状态
}

// 创建表
#[no_mangle]
pub extern "C" fn ha_create(
    table: *mut mysql::handlerton,
    name: *const c_char,
    fields: *mut mysql::TABLE,
    keys: *mut mysql::st_key_def,
    pack_reclength: c_uint,
    create_info: *mut *mut c_char,
    temporary: mysql::my_bool,
) -> mysql::handler {
    unsafe {
        // TODO: 创建表的实际逻辑
        println!("Creating table: {:?}", CString::from_raw(name as *mut c_char));

        // 创建存储引擎实例
        let engine = Box::new(MyStorageEngine {});
        Box::into_raw(engine) as mysql::handler
    }
}

// 打开表
#[no_mangle]
pub extern "C" fn ha_open(
    table: *mut mysql::handlerton,
    handler: *mut mysql::handler,
    name: *const c_char,
    mode: i32,
    test_if_locked: mysql::my_bool,
) -> i32 {
    unsafe {
        // TODO: 打开表的实际逻辑
        println!("Opening table: {:?}", CString::from_raw(name as *mut c_char));
        0 // Success
    }
}

// 注册存储引擎
#[no_mangle]
pub extern "C" fn get_handlerton() -> *mut mysql::handlerton {
    unsafe {
        let mut handlerton: Box<mysql::handlerton> = Box::new(std::mem::zeroed());

        // 设置存储引擎的名称
        let name = CString::new("rust_engine").unwrap();
        ptr::copy_nonoverlapping(
            name.as_ptr() as *const c_char,
            handlerton.name.as_mut_ptr(),
            name.as_bytes().len(),
        );

        // 设置存储引擎的标志
        handlerton.flags = mysql::HA_FLAG_SUPPORT_TRANSACTIONS as i32
            | mysql::HA_FLAG_SUPPORT_SAVEPOINTS as i32
            | mysql::HA_FLAG_SUPPORT_PREPARE as i32;

        // 设置存储引擎的API
        handlerton.create = Some(ha_create);
        handlerton.open = Some(ha_open);

        Box::into_raw(handlerton)
    }
}

2.5 存储结构

存储引擎需要定义自己的存储结构，包括数据在磁盘上的布局、索引的组织方式等。你可以选择使用现有的数据库库（如RocksDB、Sled），也可以自己实现存储结构。

2.6 并发

存储引擎需要处理并发访问。Rust提供了多种并发模型，你可以选择适合你的场景的模型。

共享内存并发：使用互斥锁、读写锁、条件变量等同步原语来保护共享数据。
消息传递并发：使用通道（channel）在线程之间传递消息。
Actor模型：将每个数据对象封装成一个Actor，通过消息传递来实现并发访问。

第三部分：注意事项

安全第一：在编写UDF和存储引擎时，务必注意安全性。避免缓冲区溢出、SQL注入等安全漏洞。
性能优化：使用性能分析工具（如perf、Flamegraph）来定位性能瓶颈，并进行优化。
错误处理：妥善处理错误，避免程序崩溃。
日志记录：记录关键事件，方便调试和故障排除。
测试：编写单元测试和集成测试，确保代码的正确性。

总结

使用Rust编写MySQL UDF和存储引擎是一项具有挑战性但非常有意义的任务。它可以让你充分利用Rust的安全性、性能和现代化特性，构建更可靠、更高效的数据库系统。虽然本文只是一个入门级的介绍，但希望它能激发你对Rust和MySQL的兴趣，并帮助你开始你的探索之旅。

最后，记住一点：编程就像谈恋爱，要不断学习、不断尝试、才能找到最适合你的姿势。祝大家编程愉快！

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