【投稿】刀哥：Rust学习笔记 4

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@[TOC](Rust 学习心得＜4＞：async/await 如何工作)

2019年底​​Rust​​正式支持 async/await语法，完成了​​Rust​​协程的最后一块拼图，从而异步代码可以用一种类似于​​Go​​的简洁方式来书写。然而对于程序员来讲，还是很有必要理解​​async/await​​的实现原理。

async

简单地说，​​async​​语法生成一个实现 ​​Future​​ 对象。如下​​async​​函数：

async fn foo() -> { ...}

​​async​​关键字，将函数的原型修改为返回一个​​Future trait object​​。然后将执行的结果包装在一个新的​​future​​中返回，大致相当于：

fn foo() -> impl Future

{ async { ... }}

更重要的是​​async​​ 代码块会实现一个匿名的 ​​Future trait object​​ ，包裹一个 ​​Generator​​。也就是一个实现了 ​​Future​​ 的 ​​Generator​​。​​Generator​​实际上是一个状态机，配合​​.await​​当每次​​async​​ 代码块中任何返回 ​​Poll::Pending​​则即调用​​generator yeild​​，让出执行权，一旦恢复执行，​​generator resume​​ 继续执行剩余流程。

以下是这个状态机​​Future​​的代码：

pub const fn from_generator(gen: T) -> impl Future

where T: Generator,{struct GenFuture>(T);impl> !Unpin for GenFuture {}impl> Future for GenFuture {type Output = T::Return;fn poll(self: Pin<&mut Self>, cx: &mut Context<'_>) -> Poll {let gen = unsafe { Pin::map_unchecked_mut(self, |s| &mut s.0) };match gen.resume(ResumeTy(NonNull::from(cx).cast::>())) { GeneratorState::Yielded(()) => Poll::Pending, // 当代码无法继续执行，让出控制权，返回 Pending，等待唤醒 GeneratorState::Complete(x) => Poll::Ready(x), // 执行完毕 } } } GenFuture(gen)}

可以看到这个特别的​​Future​​是通过​​Generator​​来运行的。每一次​​gen.resume(）​​会顺序执行​​async block​​中代码直到遇到​​yield​​。​​async block​​中的​​.await​​语句在无法立即完成时会调用​​yield​​交出控制权等待下一次​​resume​​。而当所有代码执行完，也就是状态机进入​​Complete​​，​​async block​​返回​​Poll::Ready​​，代表​​Future​​执行完毕。

await

每一个​​await​​本身就像一个执行器，在循环中查询​​Future​​的状态。如果返回​​Pending​​，则 ​​yield​​，否则退出循环，结束当前​​Future​​。

代码逻辑大致如下：

loop {match some_future.poll() { Pending => yield, Ready(x) => break }}

为了更好地理解​​async/await​​的原理，我们来看一个简单例子：

async fn foo() { do_something_1(); some_future.await; do_something_2();}

使用​​async​​修饰的异步函数​​foo​​被改写为一个​​Generator​​状态机驱动的​​Future​​，其内部有一个​​some_future.await​​，中间穿插​​do_something_x()​​等其他操作。当执行​​foo().await​​时，首先完成​​do_something_1()​​，然后执行​​some_future.await​​，若​​some_future​​返回​​Pending​​，这个​​Pending​​被转换为​​yield​​，因此顶层​​foo()​​暂时也返回​​Pending​​，待下次唤醒后，​​foo()​​调用​​resume()​​继续轮询​​some_future​​，若​​some_future​​返回​​Ready​​，表示​​some_future.await​​完毕，则​​foo()​​开始执行​​do_something_2()​​。

这里的关键点在于，因为状态机的控制，所以当​​foo()​​再次被唤醒时，不会重复执行​​do_something_1()​​，而是会从上次​​yield​​的的地方继续执行​​some_future.await​​，相当于完成了一次任务切换，这也是无栈协程的工作方式。

总结

​​async/await​​ 通过一个状态机来控制代码的流程，配合​​Executor​​完成协程的切换。在此之后，书写异步代码不需要手动写​​Future​​及其​​poll​​方法，特别是异步逻辑的状态机也是由​​async​​自动生成，大大简化程序员的工作。虽然​​async/await​​出现的时间不长，目前纯粹使用​​async/await​​书写的代码还不是主流，但可以乐观地期待，今后更多的项目会使用这个新语法。

参考 Futures Explained in 200 Lines of Rust

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