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Author: Wizmann

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+Title: KAIST CS492 - 并发编程 · 课程速读（Part3. 作业1 - 并行Web服务器）
+Date: 2025-10-07 10:00
+Tags: 并行计算, 并发, Rust, 系统编程
+Slug: kaist-cs492-3
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+[课程主页](https://github.com/kaist-cp/cs431)
+
+## 作业 1：**并行 Web 服务器（Parallel Web Server）**
+
+在这一节课中，课程正式布置了第一个编程作业——实现一个“并行 Web 服务器”。这个作业不仅是对并发与线程管理的实践练习，也是对课程前面关于锁、线程、共享内存和同步机制理解的首次综合应用。
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+---
+
+## 一、作业目标
+
+你的任务是用 **Rust** 实现一个可以同时处理多个请求的并行 Web 服务器。这个服务器能够：
+
+1. 监听本地端口（默认 7878）；
+2. 响应浏览器访问请求；
+3. 对请求执行“耗时计算”，并将结果缓存；
+4. 支持多线程并行处理；
+5. 能够优雅地终止（当按下 Ctrl+C 时，打印访问统计信息）。
+
+通过这个作业，你将学习如何将**多线程、通道通信、任务调度和缓存机制**组合起来，构建一个真正的并行程序。
+
+---
+
+## 二、运行方式与预期行为
+
+课程提供了作业框架。编译并运行服务器：
+
+```
+cargo run -- hello-server
+```
+
+程序启动后，会输出启动日志。当你打开浏览器并访问以下地址：
+
+```
+http://localhost:7878/
+```
+
+如果访问根目录，会得到一个错误页面；
+如果访问某个用户名（例如 `http://localhost:7878/alice`），程序会执行一次“昂贵的计算”（模拟服务器负载），几秒钟后返回结果。之后再次访问相同页面，响应将立即返回——因为结果被缓存了。
+
+访问不同的用户（如 `bob`）时，服务器会再次计算一次，然后也缓存结果。
+
+按下 **Ctrl + C** 退出服务器后，程序会打印出访问统计，例如：
+
+```
+Statistics:
+  /alice visited 7 times
+  /bob visited 5 times
+  /error visited 4 times
+```
+
+这表示服务器在运行期间记录了每个页面的访问次数。
+
+---
+
+## 三、系统结构概览
+
+该 Web 服务器由多个线程协同组成，每个线程负责不同功能。整体结构包括：
+
+1. **主线程（Main Thread）**
+   负责创建各个组件（线程池、监听器、通道等）并启动系统。
+
+2. **监听线程（Listener）**
+   通过 TCP 监听端口，接收来自客户端的连接请求。
+
+3. **工作线程（Worker Threads）**
+   来自线程池（Thread Pool），负责处理具体请求任务。
+
+4. **报告线程（Reporter）**
+   接收各个请求处理结果，并汇总访问统计。
+
+5. **取消机制（Cancelable Listener）**
+   通过原子变量（AtomicBool）实现安全终止，当按下 Ctrl+C 时，所有线程能有序退出。
+
+这些线程之间通过 **通道（Channel）** 通信，实现消息传递与同步。Rust 使用 `crossbeam` crate 提供的有界与无界通道实现高效并发通信。
+
+---
+
+## 四、需要你实现的部分
+
+虽然框架代码已经提供了主要逻辑，但你需要亲手完成三个关键组件：
+
+### 1. Cache：结果缓存模块
+
+缓存是一个简单的键值存储，用于避免重复计算。
+
+**功能要求：**
+
+* 提供 `get_or_insert_with()` 接口；
+* 若 key 已存在，直接返回缓存结果；
+* 若不存在，则执行传入的函数（模拟昂贵计算），并将结果存入缓存后返回；
+* 要确保多线程环境下的安全访问（可使用互斥锁或并发结构）。
+
+该模块考验你对**共享可变状态和锁机制**的理解。
+
+---
+
+### 2. Cancelable TCP Listener：可取消的监听器
+
+Rust 标准库提供了 `TcpListener`，但你需要在其基础上实现一个可取消版本。
+
+**功能要求：**
+
+* 拥有与标准 `TcpListener` 相同的接口；
+* 增加一个 `cancel()` 方法，当调用后，所有正在阻塞的 `accept()` 调用必须被唤醒并退出；
+* 使用一个 `AtomicBool` 变量表示监听器是否被取消；
+* 调用 `cancel()` 时使用 **Release** 内存序；
+* 调用 `next()`（即 `accept()`）时使用 **Acquire** 内存序；
+* 如果监听器被取消，`next()` 应返回 `None`；
+* 需实现唤醒机制，让被阻塞的监听线程及时检测到取消信号。
+
+这部分是作业中最具技术含量的部分之一，它结合了**原子操作、内存模型**和**线程同步**，为后续课程打下基础。
+
+---
+
+### 3. Thread Pool：线程池实现
+
+线程池管理一组可复用的工作线程。与直接创建新线程相比，它能显著提升性能。
+
+**功能要求：**
+
+* 支持创建固定大小的线程池；
+* 提供 `execute()` 方法提交任务；
+* 提供 `join()` 方法等待所有任务完成；
+* 使用通道在主线程与工作线程之间分发任务；
+* 在实现中维护一个“正在执行任务的计数器”，当任务数归零时 `join()` 才能返回。
+
+Rust 官方文档与《The Rust Book》中都有类似实现，可以参考其思想，但需要根据课程框架适当调整。
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+---
+
+## 五、关键技术要点
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+1. **并行与异步的区别**
+   本作业是并行程序，不使用异步框架（如 tokio）。并行通过线程实现；异步则是通过任务调度器模拟并发。
+
+2. **通道通信（Channels）**
+   所有线程间通信都基于消息传递而非共享内存，从而避免显式锁竞争。
+
+3. **原子操作与内存序（Memory Ordering）**
+   Release/Acquire 模型保证取消信号在多核环境下的正确传播。
+
+4. **线程生命周期与 join 逻辑**
+   合理设计线程退出机制，防止僵尸线程或提前释放。
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+---
+
+## 六、实现建议
+
+* 从最简单的模块开始（如 Cache）；
+* 在实现 Cancelable Listener 时，重点理解 **AtomicBool** 的使用；
+* Thread Pool 可参考官方文档中的示例，关注任务分发与 join 实现；
+* 利用 `cargo test` 验证各部分功能；
+* 完成后，用浏览器实际访问页面测试缓存与并行行为。
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+---
+
+## 七、总结
+
+这个作业不仅是一次代码练习，更是一次系统设计的训练。它让你体会到：
+
+* 并发程序的结构化设计；
+* 多线程之间的协作与通信；
+* Rust 类型系统在安全并发中的作用；
+* 从共享内存到消息传递的编程哲学转变。
+
+最终，你将得到一个真正“并行”的 Web 服务器——
+一个能同时响应多个请求、具备缓存能力、并能优雅关闭的高性能程序。
+
+这正是现代并发系统设计的缩影。
+
+> AI生成的[示例代码](https://github.com/Wizmann/KAIST-CS492/tree/main/hw01)，与题目要求功能类似，细节可能有差异