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Rust 学习笔记 2 - 异步编程基础

Rust 学习笔记 2 - 异步编程基础

作者: 袁世超 | 来源:发表于2020-08-07 20:05 被阅读0次

    0.

    Rust 在 1.39.0 为异步编程提供了语法层面的支持,也就是 asyncawait

    跟 Go 等语言不同的是 Rust 自身并没有内建异步执行的运行时(例如 Go 中的goroutine)。运行时是类库提供的功能,目前实际上的标准运行时是 Tokio

    Tokio 官方提供的 mini-redis 是一个不错的学习项目,我增加一对 HSET/HGET 命令,总的来说很容易上手。

    Tokio 非常易用,而底层 Rust 异步编程的一些概念还是不容易理解。

    1. overview

    1. 整体来看 Tokio 运行时采用了 reactor 模型。
    2. Rust 对使用者暴露的接口是 Future,提交给 Executor 执行。

    2. std::future::Future

    Rust 标准库只定义了 Future

    如何理解 Future 呢?可以参考 Aaron Turon 的文章 《Zero-cost futures in Rust》

    In essence, a future represents a value that might not be ready yet. Usually, the future becomes complete (the value is ready) due to an event happening somewhere else.

    在标准库中,Future 只定义了一个 poll 函数,调用该函数返回 Poll<Self::Oputput>

    // libcore/future/future.rs
    pub trait Future {
        #[stable(feature = "futures_api", since = "1.36.0")]
        type Output;
    
        #[stable(feature = "futures_api", since = "1.36.0")]
        fn poll(self: Pin<&mut Self>, cx: &mut Context<'_>) -> Poll<Self::Output>;
    }
    

    Poll 是一个枚举,表示 Future 的两个状态,Ready 已经完成,Pending 未完成。

    // libcore/task/poll.rs
    pub enum Poll<T> {
        #[stable(feature = "futures_api", since = "1.36.0")]
        Ready(#[stable(feature = "futures_api", since = "1.36.0")] T),
    
        #[stable(feature = "futures_api", since = "1.36.0")]
        Pending,
    }
    

    这样的定义方式有别于 Java 世界常见的 callback,Aaron Turon 称之为 demand-driven 方法。详见 Aaron Turon 的文章 《Designing futures for Rust》

    demand-driven 方法中,Executor 会主动调用 poll,如果返回 Ready 那么表示该任务完成;如果返回 Pending 那么表示任务未完成,需要等待再次调用 poll 函数。这里的“等待”就需要 Reactor 的协助了,将 Pending 的 future 注册到 Reactor 中,Reactor 在该 future 准备就绪时就会通知 Executor 再次执行。

    Executor 与 Reactor 之间的通知机制封装在 Context 中,也就是 poll 函数的第二个参数:

    // libcore/task/wake.rs
    #[stable(feature = "futures_api", since = "1.36.0")]
    pub struct Context<'a> {
        waker: &'a Waker,
        _marker: PhantomData<fn(&'a ()) -> &'a ()>,
    }
    

    核心就是其中的 Waker。(这部分没有完全理解)

    关于 poll 函数的第一个参数类型 Pin,是为了解决自引用移动的问题,让数据在内存中固定。

    3. async.await

    为了使用方便,Rust 提供了两个语法糖 —— async 和 await。

    async 用于修饰函数和代码块,例如

    async fn hello_world() {
        println!("hello, world!");
    }
    

    编译器将其转换为:

    fn hello_world() -> impl Future<Output = ()> {
    ...
    

    也就是将异步代码块生成为一个实现了 Future 的结构体。

    await 的作用就是等待 Future 完成,并不会阻塞线程。

    4. Executor 与 Reactor

    Future 的定义基本上决定了异步运行时采用 reactor 模型。

    其中的 Reactor 部分对使用者来说是无感知的,Tokio 是基于 mio(封装了 epoll、kqueue 等) 实现的。

    而 Executor 部分也被 Tokio 用 macro 隐藏了。例如:

    #[tokio::main]
    async fn main() {
        println!("Hello world");
    }
    

    编译器将会扩展为:

    fn main() {
        tokio::runtime::Runtime::new()
            .unwrap()
            .block_on(async {
                println!("Hello world");
            })
    }
    

    也就是初始化运行时,提交 Future 的逻辑。


    学习资料:

    1. https://dev.to/gruberb/explained-how-does-async-work-in-rust-46f8
    2. http://aturon.github.io/blog/2016/08/11/futures/
    3. https://aturon.github.io/blog/2016/09/07/futures-design/
    4. https://boats.gitlab.io/blog/post/wakers-i/
    5. https://cafbit.com/post/tokio_internals/
    6. https://fasterthanli.me/articles/surviving-rust-async-interfaces

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