为 Databend Rust Driver 实现 Python Binding
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2023-06-08 03:26
How? PyO3 + Maturin
Rust 和 Python 都拥有丰富的包和库。在 Python 中，很多包的底层是使用 C/C++ 编写的，而 Rust 天生与 C 兼容。因此，我们可以使用 Rust 为 Python 编写软件包，实现 Python 调用 Rust 的功能，从而获得更好的性能和速度。
为了实现这一目标，PyO3[1] 应运而生。PyO3 不仅提供了 Rust 与 Python 的绑定功能，还提供了一个名为 maturin[2] 的开箱即用的脚手架工具。通过 maturin，我们可以方便地创建基于 Rust 开发的 Python 扩展模块。这样一来，我们可以重新组织代码，使用 Rust 编写性能更好的部分，而其余部分仍然可以使用原始的 Python 代码。
Databend 目前有针对 Rust、Go、Python、Java 的多套 Driver SDK，维护成本颇高，上游一旦出现更新 SDK 便会手忙脚乱。Rust 能提供对其他语言的 Binding 实现一套代码到处使用，而且又能获得更好的性能和速度，何乐而不为呢？
本篇文章我们关注如何在 python 中调用 Rust 开发的模块，以此来为 Databend Rust Driver 实现 Python Binding。
简单的 Demo
这里我们以官网提供的最简单的方式来做个演示。
$ mkdir string_sum
$ cd string_sum
# 创建 venv 的这一步不能省略，否则后续运行的时候会报错
$ python -m venv .env
$ source .env/bin/activate
$ pip install maturin
# 直接使用 maturin 初始化项目即可，选择 pyo3，或者直接执行 maturin init --bindings pyo3
❯ maturin init
✔ 🤷 Which kind of bindings to use?
📖 Documentation: https://maturin.rs/bindings.html · pyo3
✨ Done! Initialized project /Users/hanshanjie/rustProj/string_sum
这个时候，我们可以得到一个简单的 Rust 项目，并且包含了调用的示例，打开 src/lib.rs：
use pyo3::prelude::*;
/// Formats the sum of two numbers as string.
#[pyfunction]
fn sum_as_string(a: usize, b: usize) -> PyResult<String> {
Ok((a + b).to_string())
}
/// A Python module implemented in Rust.
#[pymodule]
fn string_sum(_py: Python, m: &PyModule) -> PyResult<()> {
m.add_function(wrap_pyfunction!(sum_as_string, m)?)?;
Ok(())
}
可以看到 pyfunction 和 pymodule 两个 Rust 的宏，#[pymodule] 过程宏属性负责将模块的初始化函数导出到Python。它可以接受模块的名称作为参数，该名称必须是.so或.pyd文件的名称；默认值为Rust函数的名称。#[pyfunction] 注释一个函数，然后使用 wrap_pyfunction 宏将其添加到刚刚定义的模块中。
我们无需修改任何代码，可以直接执行下面的命令测试：
# maturin develop 会自动打包出一个 wheel 包，并且安装到当前的 venv 中
$ maturin develop
$ python
>>> import string_sum
>>> string_sum.sum_as_string(5, 20)
'25'
构建 Databend Driver 的 Python Binding
初始化项目
在 bendsql 根目录下创建 bindings/python的 rust 项目：
$ cd bendsql
$ mkdir bindings & cd bindings
$ mkdir python & cd python
$ python -m venv .env
$ source .env/bin/activate
$ pip install maturin
# 直接使用 maturin 初始化项目即可，选择 pyo3
❯ maturin init
为了使用PyO3，我们需要将其作为依赖项添加到我们的Cargo.toml文件中，以及其他依赖项。我们的Cargo.toml文件应该如下所示：
[package]
name = "databend-python"
version = "0.0.1"
edition = "2021"
license = "Apache-2.0"
publish = false
[lib]
crate-type = ["cdylib"]
doc = false
[dependencies]
chrono = { version = "0.4.24", default-features = false, features = ["std"] }
futures = "0.3.28"
databend-driver = { path = "../../driver", version = "0.2.20", features = ["rustls", "flight-sql"] }
databend-client = { version = "0.1.15", path = "../../core" }
pyo3 = { version = "0.18", features = ["abi3-py37"] }
pyo3-asyncio = { version = "0.18", features = ["tokio-runtime"] }
tokio = "1"
PyO3 添加为依赖项，并使用适当的属性注解 Rust 函数（我们将在后面介绍），就可以使用 PyO3 库创建一个可以被导入到 Python 脚本中的 Python 扩展模块。
将 Rust Struct 转换成 Python 模块
databend-client 中提供了两种连接到 databend 的方式，flightSQL 和 http， databend-driver package 实现了一个 Trait来统一入口并自动解析协议：
bendsql/driver/src/conn.rs
#[async_trait]
pub trait Connection: DynClone + Send + Sync {
fn info(&self) -> ConnectionInfo;
async fn version(&self) -> Result<String> {
let row = self.query_row("SELECT version()").await?;
let version = match row {
Some(row) => {
let (version,): (String,) = row.try_into()?;
version
}
None => "".to_string(),
};
Ok(version)
}
async fn exec(&self, sql: &str) -> Result<i64>;
async fn query_row(&self, sql: &str) -> Result<Option>;
async fn query_iter(&self, sql: &str) -> Result;
async fn query_iter_ext(&self, sql: &str) -> Result<(Schema, RowProgressIterator)>;
async fn stream_load(
&self,
sql: &str,
data: Reader,
size: u64,
file_format_options: Optionstr, &str>>,
copy_options: Optionstr, &str>>,
) -> Result;
}
dyn_clone::clone_trait_object!(Connection);
所以我们只需要将该 Trait 转换成 Python class ，就能在 python 中调用这些方法。Pyo3 官网中提供了转换 Trait 的方式，https://pyo3.rs/v0.12.3/trait_bounds，但是这种方式过于复杂，需要写太多的胶水代码，而且对用户也不友好，不能做到开箱即用。左思右想，为何不将 Trait 封装一个 Struct 然后将 Struct 直接将转换成 python module ？
#[derive(Clone)]
pub struct Connector {
pub connector: FusedConnector,
}
pub type FusedConnector = Arc<dyn Connection>;
// For bindings
impl Connector {
pub fn new_connector(dsn: &str) -> Result<Box<Self>, Error> {
let conn = new_connection(dsn).unwrap();
let r = Self {
connector: FusedConnector::from(conn),
};
Ok(Box::new(r))
}
}
这里写了一个 Connector 的 struct，里面封装了 Connection Trait，为 Connector 实现了 new_connector 方法，返回的正是一个指向 Connector 的指针，更多代码可以看这里[3] 。
在 asyncio.rs 中我们就可以定义一个 Struct AsyncDatabendDriver 暴露为 python class，并定义 python module 为 databend-driver:
/// `AsyncDatabendDriver` is the entry for all public async API
#[pyclass(module = "databend_driver")]
pub struct AsyncDatabendDriver(Connector);
接下来就要为 AsyncDatabendDriver 实现相应的方法，而底层调用的就是 rust 中实现的 Trait 中的方法（这里以 exec 为例）：
#[pymethods]
impl AsyncDatabendDriver {
#[new]
#[pyo3(signature = (dsn))]
pub fn new(dsn: &str) -> PyResult<Self> {
Ok(AsyncDatabendDriver(build_connector(dsn)?))
}
/// exec
pub fn exec<'p>(&'p self, py: Python<'p>, sql: String) -> PyResult<&'p PyAny> {
let this = self.0.clone();
future_into_py(py, async move {
// 调用 connection 中的 exec 方法
let res = this.connector.exec(&sql).await.unwrap();
Ok(res)
})
}
}
最后在 lib.rs 中将 AsyncDatabendDriver 添加为 python class:
#[pymodule]
fn _databend_driver(_py: Python, m: &PyModule) -> PyResult<()> {
m.add_class::()?;
Ok(())
}
定义 python 扩展模块信息
创建 pyproject.toml[4] 和 python/databend_driver[5] 并定义 python module 相关信息。
测试
这里我们使用 behave 进行测试，同时也可以看到能够以 import databend_driver 的形式在 python 项目中使用：
Feature: Databend-Driver Binding
Scenario: Databend-Driver Async Operations
Given A new Databend-Driver Async Connector
When Async exec "CREATE TABLE if not exists test_data (x Int32,y VARCHAR)"
When Async exec "INSERT INTO test_data(x,y) VALUES(1,'xx')"
Then The select "SELECT * FROM test_data" should run
import os
from behave import given, when, then
from behave.api.async_step import async_run_until_complete
import databend_driver
@given("A new Databend-Driver Async Connector")
@async_run_until_complete
async def step_impl(context):
dsn = os.getenv("TEST_DATABEND_DSN", "databend+http://root:root@localhost:8000/?sslmode=disable")
context.ad = databend_driver.AsyncDatabendDriver(dsn)
@when('Async exec "{sql}"')
@async_run_until_complete
async def step_impl(context, sql):
await context.ad.exec(sql)
@then('The select "{select_sql}" should run')
@async_run_until_complete
async def step_impl(context, select_sql):
await context.ad.exec(select_sql)
运行 maturin develop 会自动打包出一个 wheel 包，并且安装到当前的 venv 中 ，
....
Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 8.71s
📦 Built wheel for abi3 Python ≥ 3.7 to /var/folders/x5/4hndsx0x7cb5_45qgpfqx4th0000gn/T/.tmpyzRsUc/databend_driver-0.0.1-cp37-abi3-macosx_11_0_arm64.whl
🛠 Installed databend-driver-0.0.1
执行 behave tests 运行测试集:
结论
基于 Pyo3，我们可以比较方便地专注于 Rust 实现逻辑本身，无需关注太多 FFI （Foreign Function Interface）和转换细节就可以将 Rust 低成本地转换成 Python 模块，后期也只需要维护一套代码，极大地降低了维护成本。本文章抛砖引玉，只是将很少部分代码做了转换，后面会陆续将 rust driver 全部提供 Python binding 最终替换掉现在的 databend-py[6]。
参考资料
[1]PyO3: https://github.com/PyO3/pyo3
[2]maturin: https://github.com/PyO3/maturin
[3]bindings/python/src/lib.rs: https://github.com/datafuselabs/bendsql/blob/main/bindings/python/src/lib.rs#L50
[4]pyproject.toml: https://github.com/datafuselabs/bendsql/blob/main/bindings/python/pyproject.toml
[5]databend_driver: https://github.com/datafuselabs/bendsql/tree/main/bindings/python/python/databend_driver
[6]databend-py: https://github.com/databendcloud/databend-py