基于 JNI + Rust 实现一种高性能 Excel 导出方案（上篇）

每个不曾起舞的日子，都是对生命的辜负。
——尼采

一、背景：Web 导出 Excel 的场景

Web 导出 Excel 功能在数据处理、分析和共享方面提供了极大的便利，是许多 Web 应用程序中的重要功能。以下是一些典型的场景：

数据报表导出：在企业管理系统（如ERP、CRM）中，用户经常需要将系统中的数据生成报表并导出为 Excel 文件，以便进行进一步的分析和处理。例如，销售人员可以导出月度销售报告，财务人员可以导出财务报表。
数据备份与归档：用户可能需要定期将系统中的数据导出为 Excel 文件进行备份或归档，以确保数据安全和可追溯性。例如，学校的学生成绩记录、医院的病人就诊记录等。
数据共享与交流：在团队协作中，成员之间需要共享数据，Excel 文件是一种方便的格式，可以在不同的软件和平台之间轻松传递和查看。例如，项目经理可以导出项目进度数据，与团队成员或客户分享。
自定义数据分析：用户可能希望对系统中的数据进行自定义分析，而 Excel 提供了强大的数据处理和分析功能，如透视表、图表等。例如，市场分析人员可以导出市场调查数据，在 Excel 中进行详细的分析和可视化。
批量数据处理：当用户需要对大量数据进行批量处理时，导出为 Excel 文件可以方便地进行编辑和修改，然后再导入回系统。例如，人力资源部门可以导出员工信息进行批量更新后再导入系统。
合规与审计需求：某些行业和组织有合规和审计要求，需要定期导出数据以供审计和检查。例如，金融机构需要导出交易记录以满足监管要求。

二、现有解决方案与技术栈

服务器端技术：如 Python 的 Pandas 库、Node.js 的 ExcelJS 库、Java 的 Apache POI 库等，用于生成 Excel 文件。
前端技术：如 JavaScript 的 SheetJS 库，用于在浏览器中生成和下载 Excel 文件。
API 接口：通过 RESTful API 或 GraphQL 接口，从服务器获取数据并生成 Excel 文件。

在 Java 中，常见的 Excel 导出方案包括：

1、Apache POI：

优点：

功能强大，支持读写 Microsoft Excel 97-2003 (XLS) 和 Excel 2007+ (XLSX) 文件。
社区活跃，文档和示例丰富。
支持复杂的 Excel 操作，如公式、图表、样式等。

缺点：

API 较为复杂，上手需要一定时间。
性能在处理大文件时可能不够理想。

2、JExcelAPI (JXL)

优点：

简单易用，适合处理基本的 Excel 操作。
对 Excel 97-2003 (XLS) 文件有较好的支持。

缺点：

不支持 Excel 2007+ (XLSX) 文件。
功能相对有限，不支持复杂的操作如图表和公式。

3、EasyExcel

EasyExcel 因其高性能、简单易用、功能丰富以及良好的社区支持，成为了许多企业在实现 Excel 导出功能时的首选工具。

优点：

由阿里巴巴开源，专注于高性能的 Excel 读写。
支持 Excel 2007+ (XLSX) 文件。
API 简洁，易于使用，特别适合大数据量的导入导出。

缺点：

相对于 Apache POI，功能较少，不支持一些复杂的操作。

4、OpenCSV (用于处理 CSV 文件)

优点：

轻量级，简单易用。
专注于 CSV 格式，性能好。

缺点：

仅支持 CSV 文件，不支持 XLS 或 XLSX 格式。
功能较为单一，只能处理简单的文本数据。

5、JasperReports

优点：

强大的报表生成工具，支持多种格式（包括 Excel）。
可以结合 iReport 等工具进行可视化设计。
支持复杂的报表需求，如分组、汇总、图表等。

缺点：

学习曲线较陡，需要掌握报表设计和配置。
配置和使用较为复杂，适合有报表需求的场景。

6、Spire.XLS for Java

优点：

商业库，提供全面的 Excel 操作功能。
支持所有版本的 Excel 文件格式。
易于使用，文档和技术支持完善。

缺点：

商业软件，需要购买许可证。
社区支持和开源资源较少。

7、Aspose.Cells for Java

优点：

商业库，功能非常强大，支持所有 Excel 文件格式。
提供丰富的 API，可以处理复杂的 Excel 操作，如公式、图表、数据透视表等。
性能优秀，适合处理大数据量的 Excel 文件。

缺点：

商业软件，价格较高。
学习成本较高，需要深入了解其 API。

三、思考：基于 JNI + Rust 的导出方案

1、优势

将 Excel 文件的生成任务交给 Rust 来处理，可以充分利用 Rust 的高性能和内存安全特性，确保文件生成过程高效且可靠。同时，Java 负责 API 接口请求和业务逻辑处理，利用其成熟的生态系统和广泛的企业应用经验，使得整个系统更加易于维护和扩展。

2、职责

Rust 部分：

使用 rust-xlsxwriter 等库来处理 Excel 文件的生成和导出。
将生成的 Excel 文件保存到服务器的某个位置，或者直接返回给调用方。

Java 部分：

使用 Spring Boot 或其他框架来创建 RESTful API。
在接收到请求后，通过 JNI（Java Native Interface）或通过命令行调用 Rust 程序来生成 Excel 文件。
将生成的文件返回给客户端，或者提供下载链接。

补充：rust_xlsxwriter 介绍

rust_xlsxwriter 是一个用于在 Rust 编程语言中创建和写入 Excel 文件（.xlsx 格式）的库。这个库提供了一种简单且高效的方法来生成 Excel 文件，适用于需要处理电子表格数据的各种应用场景，如数据分析、报告生成等。

主要特性

易于使用：rust_xlsxwriter 提供了直观的 API，使得创建和操作 Excel 文件变得非常简单。
支持多种数据类型：可以在单元格中写入字符串、数字、日期和布尔值等多种数据类型。
格式化功能：支持丰富的单元格格式化选项，包括字体样式、颜色、边框和对齐方式等。
工作表管理：可以创建多个工作表，并在不同的工作表之间切换和操作。
公式支持：允许在单元格中插入 Excel 公式，自动计算结果。
图表支持：能够在工作表中插入各种类型的图表，如柱状图、折线图和饼图等。
性能优化：针对大数据量的处理进行了优化，确保生成 Excel 文件的效率。

四、实践：检验真理的唯一标准

1、使用 Rust 导出 Excel

主要使用 rust_xlsxwriter 这个库，

https://docs.rs/rust_xlsxwriter/latest/rust_xlsxwriter/

示例

创建一个 Rust 项目，添加 rust_xlsxwriter 依赖，

# Cargo.toml
[dependencies]
rust_xlsxwriter = {
    version = "0.79.4" , features =["zlib","ryu","polars","serde","constant_memory"]  }

修改官网示例，这里尝试导出 10 万行数据，

// main.rs
fn main() -> Result<(), XlsxError> {
   
    // Create a new Excel file object.
    let mut workbook = Workbook::new();

    // Create some formats to use in the worksheet.
    let date_format = Format::new().set_num_format("yyyy-mm-dd");

    // Add a worksheet to the workbook.
    let worksheet = workbook.add_worksheet();

    // Set the column width for clarity.
    worksheet.set_column_width(0, 16)?;
    worksheet.set_column_width(5, 22)?;

    // Generate data in parallel.
    let data: Vec<Vec<CellValue>> = (0..ROWS)
        .into_par_iter()
        .map(|i| generate_row_data(i))
        .collect();

    // Write data to the worksheet in batches.
    for (i, row_data) in data.chunks(BATCH_SIZE).enumerate() {
   
        for (j, row) in row_data.iter().enumerate() {
   
            let row_index = i * BATCH_SIZE + j;
            for (col, value) in row.iter().enumerate() {
   
                match value {
   
                    CellValue::String(s) => worksheet.write(row_index as u32, col as u16, *s)?,
                    CellValue::Number(n) => worksheet.write(row_index as u32, col as u16, *n)?,
                    CellValue::Date(d) => worksheet.write_with_format(
                        row_index as u32,
                        col as u16,
                        d,
                        &date_format,
                    )?,
                    CellValue::Url(u) => {
   
                        worksheet.write(row_index as u32, col as u16, Url::new(*u))?
                    }
                };
            }
        }
    }

    // Save the file to disk.
    workbook.save("parallel_demo.xlsx")?;

    Ok(())
}

编译运行后报错 attempt to add with overflow ，

thread 'main' panicked at /home/sam/.cargo/registry/src/mirrors.ustc.edu.cn-61ef6e0cd06fb9b8/rust_xlsxwriter-0.79.4/src/relationship.rs:112:9:
attempt to add with overflow

原因分析：点击报错提示查看源码，发现 id_num定义的数据类型是 u16，在 Rust 中 u16 表示一个无符号 16 位整数类型，它的取值范围是从 0 到 65535（即 2^16 - 1），而我们导出的数据行数是 10 万，所以在加法运算的时候溢出了数值范围。

解决方案：使用 u32 类型，重新编译。

在这里插入图片描述

运行效果：可以看到 Excel 文件已经成功导出了，

在这里插入图片描述

10W数据量也可以正常导出，

在这里插入图片描述

2、导出 Rust 库文件

创建一个 Rust 库项目，

cargo new my_excel_writer_lib --lib

[dependencies]
jni = "0.21.1"
rust_xlsxwriter = {
    version = "0.79.4" , features =["zlib","ryu","polars","serde","constant_memory"]  }

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

定义一个结构体，用于保存 Excel 指针，

#[repr(C)]
pub struct WorksheetHandle {
   
    workbook: *mut Workbook,
    worksheet: *mut Worksheet,
}

定义 createWorksheet 用于初始化创建 Excel 并返回指针，


#[no_mangle]
pub extern "system" fn Java_com_yushanma_crazyexcel_handler_MyExportResultHandler_createWorksheet(
    _env: JNIEnv,
    _class: JClass,
) -> jlong {
   
    let workbook = Box::new(Workbook::new(