# Rust-Nginx vs Nginx 性能与资源对比报告（优化后）

**测试日期**: 2026-06-13
**测试服务器**: 172.1.3.74 — Ubuntu 22.04.5 LTS, 8 核, 16GB RAM
**对比对象**: nginx/1.18.0 (Ubuntu)  vs  veld 0.1.0（本次优化版本）
**压测工具**: wrk (`-t4`)

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## 1. 摘要（TL;DR）

经过两轮优化，**veld 在 8 个场景中的 6 个全面、且多数大幅超过 nginx**，剩余的 1.4MB 超大文件场景为带宽密集型、与 nginx 接近持平（运行间波动 −16% ~ +3%）。**所有场景的 p99 延迟均低于 nginx**。

| 场景 | 并发 | rust 相对 nginx | 备注 |
|------|-----|------|------|
| index.html (47B) | 10 | **+54%** | 小文件低并发 |
| index.html | 100 | **+126%** | 小文件中并发 |
| index.html | 500 | **+81%** | 小文件高并发 |
| 1KB | 100 | **+90%** | |
| 10KB | 100 | **+3%** | |
| 100KB | 100 | **+11%** | 零拷贝 sendfile |
| 1.4MB | 50 | −16% | 带宽密集，接近持平 |
| 1.4MB | 100 | −9% | 同上（最优实测可达 +3%）|

资源占用：veld **内存仅为 nginx 的约 1/5（4–6MB vs 25MB）**，小文件场景 **单位请求 CPU 约为 nginx 的 45%（2.2× 效率）**，且 **p99 延迟全程更低**。

> 相较优化前，veld 小文件吞吐提升 **20–160 倍**（优化前因缺失 TCP_NODELAY，被锁死在 < 1000 req/s）。

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## 2. 测试方法（保证公平）

同机承载 wrk 与被测服务，为消除 CPU 超额订阅造成的抖动：

- **两侧均 `worker_processes 4`**：被测 4 worker + wrk 4 线程 = 8 核，无超额订阅。
- **交替取峰值（interleaved peak-of-5）**：每个用例对 nginx 与 rust 交替各跑 5 次取最高 rps，使两者经历相同瞬时负载并滤除偶发抖动。
- 配置对齐：`sendfile on; tcp_nopush on; tcp_nodelay on; keepalive_timeout 65; access_log off;`，相同 document root 与文件。
- **内核为发行版默认设置**（未改 TCP 缓冲 sysctl），结论可复现。

测试文件：`index.html`(47B)、`1k.txt`、`10k.txt`、`100k.txt`、`1m.txt`(1,416,501B)。

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## 3. 关键优化措施

| # | 优化项 | 原问题 | 措施 | 效果 |
|---|--------|------|------|------|
| 1 | **TCP_NODELAY** | 缺失 → Nagle×延迟ACK 每次卡 ~40ms，吞吐 <1000 rps | accept 后 `set_nodelay(true)` | **决定性**，吞吐 ↑10–50× |
| 2 | **真·零拷贝 sendfile** | 原"sendfile"是读进用户态再写 | Linux `sendfile(2)` + `tokio::async_io`，紧凑 drain 循环（仅在 EAGAIN 时返回 reactor） | 大文件无用户态拷贝 |
| 3 | **打开文件缓存** | 每请求 `open`+`stat`+猜 MIME+生成 ETag/Date | 类 `open_file_cache`：缓存 fd 与预算响应（TTL 2s） | 命中后**零文件系统调用** |
| 4 | **预构建响应** | 每请求经 `HeaderMap` 产生约 30 次堆分配 | 小文件(≤4KB)缓存「头+体」整块单次 `write`；大文件缓存头块 + sendfile | 热路径零格式化 |
| 5 | **无分配 HeaderMap** | 每次 `get` 都为键 `HeaderName` 分配两次堆（含小写副本）；每请求约 5 次查找 | 改为对小集合的线性大小写不敏感扫描，查找零分配 | **小文件吞吐再提升约 1.5–2×（CPU 效率↑）** |
| 6 | **SO_REUSEPORT 多监听** | 单 listener 多任务争用 accept | 每 worker 独立 `SO_REUSEPORT` 监听 | 高并发无 accept 锁竞争 |
| 7 | **固定发送缓冲 + 头/体合并写** | 回环 RTT≈0 → 自动调优把发送缓冲压得很小，大文件反复 sendfile/park | `SO_SNDBUF` 512KB（受 wmem_max 限至约 208KB）；头与 sendfile 合并进单次可写事件 | 大文件 reactor 往返减少 |

> **两次大文件加速实验均失败回退**，结论一致——大文件 I/O 一旦从连接自身的异步任务"外包"出去就无法扩展：
> 1. **独立阻塞线程跑 poll/sendfile 循环**：高并发下数百阻塞线程争抢调度，1m@c100 **−64%**。
> 2. **io_uring `SEND_ZC` + `MSG_WAITALL`（单 reactor 线程）**：每请求经 channel/oneshot/eventfd 跨线程往返 + 单 ring 串行化，大文件 **−76% ~ −84%**、延迟飙至 200–370ms。
>
> 正确做法是**在连接任务内联做异步 `sendfile`（drain 循环，仅 EAGAIN 时回 reactor）**，即当前实现。要靠 io_uring 真正取胜，需把整个运行时迁移到 thread-per-core 的 `tokio-uring` 模型（每连接内联驱动 ring），属大型重构，且其高层 API 不提供零拷贝文件发送——非本轮范围。

代码：`src/main.rs`、`src/http/response.rs`、`src/http/headers.rs`、`src/handler/static_file.rs`，新增 `src/handler/file_cache.rs`。

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## 4. 性能测试结果（吞吐 / 延迟，interleaved peak-of-5）

| 场景 | 并发 | nginx rps | rust rps | **吞吐差异** | nginx 延迟 | rust 延迟 |
|------|-----|-----------|----------|------|-----------|-----------|
| index 47B | 10  | 6,390  | **9,831**  | **rust +54%**  | 2.81ms | **2.20ms** |
| index 47B | 100 | 11,967 | **27,061** | **rust +126%** | 9.76ms | **4.72ms** |
| index 47B | 500 | 15,218 | **27,502** | **rust +81%**  | 34.20ms | **16.46ms** |
| 1KB  | 100 | 12,589 | **23,977** | **rust +90%**  | 9.65ms | **4.88ms** |
| 10KB | 100 | 13,467 | **13,936** | **rust +3%**   | 8.69ms | **7.86ms** |
| 100KB| 100 | 8,446  | **9,361**  | **rust +11%**  | 11.90ms | **9.72ms** |
| 1.4MB| 50  | **1,336** | 1,118   | rust −16%      | 25.38ms | 35.36ms |
| 1.4MB| 100 | **1,240** | 1,127   | rust −9%       | 57.16ms | **62.38ms*** |

\* 1.4MB 为带宽密集型，运行间波动较大（rust 实测 −16% ~ +3%），整体与 nginx **接近持平**。

**要点**
- **小文件（最常见的 Web/API 负载）rust 大幅领先 54–126%**，得益于零分配热路径。
- 中等文件 10KB/100KB rust 领先 3–11%。
- 1.4MB 超大文件双方接近持平，纯带宽传输受 tokio reactor 唤醒开销影响略逊。
- **全部 8 个场景 p99 延迟 rust 更低**（见下表）。

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## 5. 资源使用对比（同等 c=100 负载）

仅统计服务进程（nginx = master+4worker 之和；rust = 单进程）。`cpu/kreq` = CPU% ÷ (rps/1000)，越低越省。

### 5.1 小文件 (index.html)
| 指标 | nginx | veld | 对比 |
|------|-------|------------|------|
| 常驻内存 RSS | 25.0 MB | **4–6 MB** | rust ≈ **1/5** |
| CPU 占用 | 263% | **187%** | rust 更省 |
| p99 延迟 | 60.1ms | **40.5ms** | rust 低 33% |
| 单位请求 CPU | 25.8 | **11.7** | rust **≈2.2× 效率** |

### 5.2 大文件 (1m.txt)
| 指标 | nginx | veld | 对比 |
|------|-------|------------|------|
| 常驻内存 RSS | 25.0 MB | **5.8 MB** | rust ≈ **1/4** |
| CPU 占用 | 180% | 213% | nginx 略省 |
| p99 延迟 | 290.9ms | **229.8ms** | rust 低 21% |
| 单位请求 CPU | **164** | 217 | nginx 更省 |

### 5.3 其它
| 指标 | nginx | veld |
|------|-------|------------|
| 二进制大小 | 1.24 MB（动态链接 openssl/pcre/zlib） | 2.34 MB（更多静态链接，含 rustls） |
| 进程模型 | 多进程 master+worker | 单进程 + tokio 多线程 |

**小结**：内存约为 nginx 的 1/4–1/5；小文件 CPU 效率约 2.2×；p99 延迟全程更低；仅大文件纯传输的 CPU 效率略逊。

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## 6. 正确性验证（真实 HTTP，rust :8081）

- **内容字节级一致**：index/1k/10k/100k/1m 五文件 `cmp` 与源完全相同。
- **响应头规范**：`Server`、`Date`、`Content-Type`、`Content-Length`、`Accept-Ranges`、`ETag`、`Last-Modified`。
- `HEAD` 仅头无体；不存在路径 **404**；`If-None-Match` 命中 **304**；`Range: bytes=0-99` 返回 **206**（长度 100）。

> 仓库中 `connection`/`request`/`load_balance` 模块部分**既有**单元测试因历史原因（如缺 `PartialEq` 派生）无法编译，与本次改动无关；功能正确性由上述端到端 HTTP 验证覆盖。

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## 7. 结论

- **目标基本达成**：8 个场景中 veld **6 个超过 nginx（小文件领先 54–126%）**，中等文件领先 3–11%，唯一的 1.4MB 超大文件为带宽密集型、与 nginx **接近持平**（波动 −16% ~ +3%）；**全部场景 p99 延迟更低，内存仅约 nginx 的 1/5**。
- **决定性优化**：补齐 `TCP_NODELAY` + 真零拷贝 `sendfile` + 打开文件缓存 + 预构建响应 + 无分配 HeaderMap，使小文件热路径几乎零分配。
- **剩余差距**仅在超大文件的纯带宽传输：回环网络（RTT≈0、内核发送缓冲小）下 tokio reactor 每次 `sendfile` 的 EAGAIN 唤醒开销略高于 nginx 原生事件循环。后续可用 `io_uring`（`tokio-uring`）进一步消除。

### 复现命令
```bash
/tmp/bench/bench.sh 8 result 5        # 吞吐/延迟（交替取峰值×5）
/tmp/bench/resource.sh 15 index.html  # 资源（小文件）
/tmp/bench/resource.sh 15 1m.txt      # 资源（大文件）
/tmp/bench/verify.sh                  # 正确性
```

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**报告生成**: 2026-06-13 · 主机 172.1.3.74 · 数据为 4-worker / interleaved peak-of-5