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Rust Webサービスにおけるゼロコピーデータパースによるパフォーマンス向上

7월 13, 2025
# Misc

Lukas Schneider

DevOps Engineer · Leapcell

이 게시물은 English, 한국어 및 Deutsch에서도 볼 수 있습니다.
Cover of "Rust Webサービスにおけるゼロコピーデータパースによるパフォーマンス向上"

はじめに

高性能Webサービスの世界では、1ミリ秒でも無駄にはできません。アプリケーションのスケールが大きくなり、データ量が増加するにつれて、特にデータコピーと割り当てに伴うオーバーヘッドは、従来のデータ処理技術において重大なボトルネックとなる可能性があります。これは、JSON API、ファイルアップロード、ストリーミングデータなど、大量のリクエストまたはレスポンスボディを処理するサービスで特に顕著です。パフォーマンス、メモリ安全性、および細かい制御に重点を置いているRustは、これらの課題に取り組むのに理想的な環境を提供します。Rustの哲学と完全に一致する強力な最適化手法の1つが、ゼロコピーデータパースです。データコピーを最小限に抑えるか、完全に排除することにより、ゼロコピーパースはWebサービスの全体のスループットを劇的に向上させ、レイテンシーを削減できます。この記事では、Rust Webサービスにおけるゼロコピーデータパースの概念を掘り下げ、その利点を説明し、効果的な実装方法をデモンストレーションします。

ゼロコピーとその影響の理解

実装の詳細に入る前に、関係するコアコンセプトを明確に理解しましょう。

コア用語

  • ゼロコピー (Zero-Copy): 本質的に、ゼロコピーとは、CPUが異なるメモリ位置間でデータコピーを実行しない操作を指します。データを複製する代わりに、ゼロコピー技術は通常、既存のデータへのポインタを設定するか、メモリを再マッピングすることを含みます。これは、データがネットワークバッファからアプリケーションバッファにコピーされ、さらにパースまたは処理のために再度コピーされる可能性がある従来の​​アプローチとは対照的です。
  • メモリ割り当て (Memory Allocation): プログラムが使用するためにメモリブロックを予約するプロセスです。頻繁または大規模な割り当ては、CPUサイクルに関してコストがかかり、メモリ断片化につながる可能性もあります。
  • デシリアライゼーション (Deserialization): 構造化フォーマット（JSON、XML、またはバイナリプロトコルなど）をインメモリデータ構造（Rustの構造体など）に変換するプロセスです。
  • &[u8] (バイトスライス): 符号なし8ビット整数（バイト）の連続シーケンスへの参照を表す基本的なRust型です。これは既存のメモリビューであり、ゼロコピー操作に理想的です。
  • Cow<'a, T> (Clone on Write): Rustのスマートポインタで、所有する (T) 値または借用する (&'a T) 値を許可します。これは、ほとんどの時間データを借用する必要があるが、時折所有して変更する必要があるゼロコピーシナリオに特に便利です。

従来のパースの問題点

Webサービスにおける典型的なシナリオを考えてみましょう。受信HTTPリクエストボディにはJSONペイロードが含まれています。従来のパースフローは次のようになります。

  1. ネットワークバッファからアプリケーションバッファへ: Webサーバーはネットワークからバイトを受信し、それらを内部バッファにコピーします。
  2. アプリケーションバッファから文字列/ベクトルへ: バッファ内のバイトは、次にString（UTF-8検証用）またはVec<u8>に変換される可能性があります。これには、追加のコピーと割り当てが含まれます。
  3. パース/デシリアライゼーション: デシリアライザは、このStringまたはVec<u8>から読み取り、アプリケーション固有のデータ構造を構築します。デシリアライザとデータによっては、データの一部が（たとえば、文字列フィールドの新しいStringインスタンスを作成するときに）再度コピーされる可能性があります。

これらの各コピー操作は、CPUオーバーヘッドを発生させ、メモリ割り当ての圧力を増加させる可能性があり、これにより、ガベージコレクション（GC言語を使用している場合）の頻度が増加したり、Rustではアロケータのオーバーヘッドのために単に実行速度が低下したりする可能性があります。

ゼロコピーソリューション

ゼロコピーパースは、これらの冗長なコピーを回避することを目指しています。データをコピーする代わりに、可能な限り元のデータバッファへの参照を扱います。たとえば、JSON文字列を受信した場合、ゼロコピーパーサーは、各フィールドの新しいString割り当てを生成するのではなく、文字列フィールド値を元のバイトバッファへの参照（たとえば、&str）としてパースします。

主な利点は次のとおりです。

  • CPUサイクルの削減: memcpy操作が少ないほど、データ移動に費やされるCPU時間は少なくなります。
  • メモリ割り当ての削減: 新しいオブジェクトが少ないほど、メモリアロケータへのプレッシャーが軽減され、キャッシュ局所性が向上し、メモリ断片化が減少する可能性があります。
  • スループットの向上: 無駄なデータ操作に費やされる時間が短くなるため、サービスは1秒あたりにより多くのリクエストを処理できます。
  • レイテンシーの削減: 個々のリクエスト処理時間が短縮されます。

Rust Webサービスにおけるゼロコピーの実装

Rustの所有権と借用システムは、強力なシリアライゼーション/デシリアライゼーションクレートと組み合わさることで、ゼロコピーパースを驚くほど実現可能にします。鍵は、可能な限り借用型にデシリアライズすることです。

人気のserdeおよびserde_jsonクレートを使用して、AxumやActix-webのようなWebフレームワークでよく使用される例を示します。

単純なJSONペイロードを考えてみましょう。

{
  "name": "Jane Doe",
  "age": 30,
  "hobbies": ["reading", "hiking"]
}

従来の（所有型）デシリアライゼーション

これに対する典型的なRust構造体は次のようになります。

use serde::Deserialize;

#[derive(Debug, Deserialize)]
struct UserOwned {
    name: String,
    age: u8,
    hobbies: Vec<String>,
}

UserOwnedにデシリアライズすると、すべてのStringとVec<String>は、新しいメモリを割り当て、入力バッファからデータをコピーすることを伴います。

ゼロコピー（借型）デシリアライゼーション

文字列およびバイトスライスフィールドのゼロコピーを実現するために、ライフタイムを持つ借用型を使用できます。

use serde::Deserialize;

#[derive(Debug, Deserialize)]
struct UserBorrowed<'a> {
    name: &'a str, // 入力バイトバッファのスライスを借用します
    age: u8,
    hobbies: Vec<&'a str>, // 各ホビーストリングのスライスを借用します
}

ここで、nameは&'a str、hobbiesはVec<&'a str>です。これは、serde_jsonがこれらのフィールドを、JSONを含む元のバイト配列を直接指す文字列スライス（&str）を作成することによってパースすることを意味します。これらのフィールドの新しいString割り当ては行われません。

Axumによる実践的な例

これをAxum Webサービスに統合してみましょう。リクエストボディがJSONペイロードであるシナリオをシミュレートします。

まず、必要な依存関係を追加します。

# Cargo.toml
[dependencies]
tokio = { version = "1", features = ["full"] }
axum = "0.7"
serde = { version = "1", features = ["derive"] }
serde_json = "1"

次に、Axumハンドラ：

use axum::{
    body::Bytes,
    extract::State,
    http::StatusCode,
    response::IntoResponse,
    routing::post,
    Router,
};
use serde::Deserialize;
use std::sync::Arc;

// ゼロコピーフレンドリーな構造体。
// 注: `#[serde(borrow)]`属性は、入力バイトが`'static`ではない場合に借用型へのデシリアライゼーションに不可欠です。
// `Vec<&'a str>`の場合、`serde(borrow)`は`Vec`自体に厳密には必要ありませんが、
// Vec内の要素は恩恵を受け、一般的に借用されたデシリアライゼーション戦略を示しています。
#[derive(Debug, Deserialize)]
#[serde(borrow)] // `serde_json`が借用型を正しくデシリアライズするために重要
struct User<'a> {
    name: &'a str,
    age: u8,
    hobbies: Vec<&'a str>,
}

#[tokio::main]
async fn main() {
    let app = Router::new()
        .route("/users", post(create_user));

    let listener = tokio::net::TcpListener::bind("127.0.0.1:3000")
        .await
        .unwrap();
    println!("Listening on http://127.0.0.1:3000");
    axum::serve(listener, app).await.unwrap();
}

async fn create_user(
    // Axumの`Bytes`エクストラクタは、リクエストボディバイトへの不変参照を提供します。
    // これはゼロコピーパースに理想的な入力です。
    body: Bytes,
) -> impl IntoResponse {
    // バイトを借用されたUser構造体にデシリアライズしようとします。
    // `&body`スライスは`serde_json::from_slice`に渡されます。
    match serde_json::from_slice::<User<'_>>(&body) {
        Ok(user) => {
            println!("Received user: {:?}", user);
            // 実際には、ここで`user`を処理します。
            // 注: `body`のスコープを超えて`user`を保存する必要がある場合、
            // 借用されたフィールドを所有型`String`に変換するか、
            // `Cow`を使用してコピーを遅延させる必要があるかもしれません。
            (StatusCode::CREATED, "User created successfully (zero-copy parsed)".into_response())
        }
        Err(e) => {
            eprintln!("Failed to parse user: {:?}", e);
            (StatusCode::BAD_REQUEST, format!("Invalid request body: {}", e).into_response())
        }
    }
}

この例では：

  1. axum::body::Bytesはbytes::Bytes型で、効率的に共有される不変バイトバッファです。Axumがリクエストボディを受信すると、すぐにStringやVec<u8>にコピーするわけではありません。代わりに、生のネットワークデータへの安価なビューまたは参照であるBytesを提供します。
  2. &body（&[u8]）をserde_json::from_sliceに直接渡します。
  3. Userの#[serde(borrow)]属性は重要です。これは、デシリアライズ時に、所有型を新しく割り当てるのではなく、入力スライスから文字列ライクおよびバイトライクなデータを借用しようとserdeに指示します。
  4. 結果として、user.nameおよびuser.hobbies内の要素は、body Bytesバッファに直接ポイントする&strになります。bodyが存在する限り、これらの参照は有効です。

リクエストの存続期間を超えるデータを処理する方法

body Bytesバッファ（およびそれに伴う借用データ）がもはや有効ではなくなり、Userデータをデータベースや長期間存続するキャッシュに保存する必要がある場合はどうなりますか？そこでCow<'a, str>が役立ちます。

use serde::Deserialize;
use std::borrow::Cow;

#[derive(Debug, Deserialize)]
#[serde(borrow)]
struct UserCow<'a> {
    name: Cow<'a, str>, // 借用または所有が可能
    age: u8,
    hobbies: Vec<Cow<'a, str>>, // 各要素は借用または所有が可能
}

Cowを使用すると、serde_jsonはまず可能な場合はデータを借用しようとします。何らかの理由でそれができない場合（たとえば、コピーを強制するデコードや検証が必要な場合）、所有権を取得してデータを割り当てます。これにより、可能な場合はゼロコピー動作、必要に応じて所有データへの正常なフォールバックという、両方の長所が得られます。

その後、保存時に明示的に所有データに変換できます。

fn process_and_store_user(user: UserCow<'_>) {
    let owned_user = UserOwned {
        name: user.name.into_owned(), // 所有型Stringを作成します
        age: user.age,
        hobbies: user.hobbies.into_iter().map(|s| s.into_owned()).collect(), // 所有型Stringを作成します
    };
    // owned_userを保存します
}

アプリケーションシナリオ

ゼロコピーパースは、特に以下の場合に有益です。

  • 高スループットAPI: 大量のJSON、XML、またはProtobufペイロードを処理するサービス。
  • プロキシサービス: 転送前に最小限のデータ処理が行われる場所。
  • ログ処理: 不要な文字列割り当てなしで構造化ログ行をパースする。
  • メディアストリーミング: バイナリデータチャンクを効率的に処理する。
  • データ取り込み: パフォーマンスが重要な大規模データフィード。

重要な考慮事項：

  • ライフタイム: ライフタイム（'a）の使用は、Rustにおけるゼロコピーの基本です。入力バイトバッファが借用されたパース済みデータよりも長く存続することを確認する必要があります。Webフレームワークは通常、リクエストハンドラの期間中これを正しく処理します。
  • #[serde(borrow)]: serdeが借用を試みるように、構造体にこの属性を追加することを忘れないでください。
  • データの不変性: 借用されたデータは不変です。パースされた文字列フィールドを変更する必要がある場合は、最終的にそれらを所有型Stringに変換する必要があります。
  • 柔軟性のためのCow: 時には所有または変更が必要になる可能性のあるフィールドにはCowを使用し、ゼロコピーと変更可能性の間の柔軟なバランスを提供します。

結論

ゼロコピーデータパースは、メモリ割り当てとデータコピーを最小限に抑えることにより、Rust Webサービスのパフォーマンスを大幅に向上させることができる強力な最適化手法です。Rustの堅牢な型システム、ライフタイム、およびserdeやserde_jsonのようなクレートの機能を利用することで、開発者はデータを複製し続けるのではなく、借用参照を扱うことによって、大量のデータを効率的に処理できます。ゼロコピーパースを実装すると、リクエスト処理が高速化され、メモリフットプリントが削減され、最終的にはよりスケーラブルで応答性の高いWebアプリケーションが実現します。ゼロコピーを採用して、Rust Webサービスのパフォーマンスの可能性を最大限に引き出しましょう。

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