async/await 编程理解

博客主要是参考 Asynchronous Programming in Rust ，会结合简单的例子，对 async 和 await 做比较系统的理解，如何使用 async 和 await 是本节的重点。

async 和 await 主要用来写异步代码，async 声明的代码块实现了 Future 特性，如果实现 Future 的代码发生阻塞，会让出当前线程的控制权，允许线程去执行别的 Future 代码。

我把 async 代码块使用 Future 来表示，关键是理解 future 和执行线程之间的关系。系统中存在多个 future时，多个 future 的执行顺序如何控制？以及多个 future 如何同时并发执行？文章会尝试解释这些问题。

多个 async 串行执行

在 Cargo.toml 中增加如下依赖。

[dependencies]
futures = "0.3.28"

使用 async fn 创建异步方法，关键字 async 还可以用来声明代码块，在闭包函数中可能会见到。

async fn do_something() { /* ... */ }

我对原始内容的例子做了简化，来探究异步执行的过程。仍然声明了三个 async 方法，分别对应「学习唱歌」、「唱歌」、「跳舞」三个函数，假设这三个函数可以并行异步执行，那么这三个过程的顺序便是随机的、不确定的。

use futures::executor::block_on;async fn learn_song() { println!("learn song");
}async fn sing_song() { println!("sing song");
}async fn dance() {println!("dance");
}async fn async_main() {let f1 = learn_song();let f2 = sing_song();let f3 = dance();futures::join!(f1, f2, f3);
}fn main() {block_on(async_main());
}

本地执行的结果是，上述代码无论执行多少次，输出都是确定的。理论上确实不应该，我都有点怀疑：会不会代码太简单导致的。

修改一下 learn_song 函数，在打印之前执行多次 for 循环。如果这几个过程是并发的，那么 learn_song 肯定是最后被执行完成的。遗憾的是，控制台第一个输出的还是 “learn song”。这也说明，上述代码并没有被并发执行。

async fn learn_song() { let mut i = 0;while i < 10000 {i = i + 1;}println!("learn song");
}

原文代码示例

问题究竟出在哪里了呢？重新看一下原文章的demo，试着对比一下哪里出了问题。

async fn learn_and_sing() {// Wait until the song has been learned before singing it.// We use `.await` here rather than `block_on` to prevent blocking the// thread, which makes it possible to `dance` at the same time.let song = learn_song().await;sing_song(song).await;
}async fn async_main() {let f1 = learn_and_sing();let f2 = dance();// `join!` is like `.await` but can wait for multiple futures concurrently.// If we're temporarily blocked in the `learn_and_sing` future, the `dance`// future will take over the current thread. If `dance` becomes blocked,// `learn_and_sing` can take back over. If both futures are blocked, then// `async_main` is blocked and will yield to the executor.futures::join!(f1, f2);
}fn main() {block_on(async_main());
}

join!和 await 类似，只是join!能够等待多个并发执行的 future，如果代码被临时阻塞在 learn_and_sing，dance 会被当前线程接管。如果 dance 被阻塞，learn_and_sing 会重新被接管。如果两个方法同时被阻塞，async_main 就会被阻塞，会使当前执行阻塞。

通过代码注释，我抠到一个字眼： the current thread，这难道说明函数 f1 和 f2 是在一个线程上执行的？如果它们是在一个线程上执行的，又因为方法体内部都没有类似网络IO的阻塞，那确实有可能导致串行执行的效果。

rust 对 async 的支持

重新翻看语言和库的支持 Language and library support介绍，我决定把中心放在 async 的设计实现上，async 在底层是如何被处理的。

1. 最基础的特性、类型和方法，比如 Future 特性都被标准库提供
2. async/await 语法直接被 Rust 编译器支持
3. futures 库提供了一些工具类型、宏、函数，它们可以被使用在 Rust 应用程序中
4. async runtimes 比如 Takio、async-std，提供了执行一部代码、IO、创建任务的能力。大部分的异步应用和异步库都依赖具体的运行时，可以查看 The Async Ecosystem 了解细节

关键点在异步运行时上，原来 rust 只提供了一套异步运行时的接入标准，具体的实现则是由第三方库自己决定的，比较有名的的运行时三方库包括 Takio 和 async-std。不得不说，Rust 设计的眼界确实比较高。

我想通过 Single Threaded vs Multi-Threaded Executors 来理解单线程和多线程的执行。前面的例子中，我们有怀疑：代码没有并行是因为在单线程中执行导致的。当然，也可能是因为我们没有明确指定 async runtimes。

异步的 executor 可以是单线程、也可以是多线程执行，async-executor 库就同时提供了这两种 executor
.
多线程 executor 可以同时处理多个任务，这会大大加快了处理速度。但任务之间的数据同步成本也会更高一些。建议通过性能测试来决策选择单线程还是多线程
.
任务既可以被创建它的线程执行，也可以被其他独立线程执行。即使任务被独立线程执行，其运行也是非阻塞的。如果想要调度任务在多线程上执行，任务本身必须要实现 Send 特性。有的运行时还支持创建 non-Send 任务，用来保证每个任务都被创建它的线程执行。有的库中还支持将生成的阻塞任务交给特定的线程去执行，这对于运行阻塞代码会非常有用

看到这里，我决定指定 Takio 运行时来重新运行上述代码，如何指定呢？

指定 Takio 运行时

takio 的官网挺花里胡哨，大大的标题：Build reliable network applications without compromising speed. 直译过来是构建可靠的网络应用而不向降低运行效率妥协。不过理性提醒我：这种既要又要的声明，应该得有前提吧。

takio 中的例子是 redis 的写入和读取过程，我要介绍的内容都基于 Hello Tokio 示例的解释，只不过，解释的顺序上会有一点点调整。

如何开启异步运行时

async fn 必须被异步运行时执行，运行时包含异步任务调度、IO事件、计时器等。但这个运行时并不会自动开启，我们可以通过 main 函数来开启它。
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#[tokio::main] 宏可以将 async fn main() 转换为同步的 fn main()，并为它初始化了运行时实例，然后执行异步的 async main 函数

在我的例子中，main 函数最后也调用了 block_on 函数，这里调用的是 rt.block_on 方法，不晓得两者是否存在差异？不过，后文有必要等会去看看，在没有指定运行时的情况下 block_on 的执行效果。

Cargo features

引入 tokio 依赖，其中的 features 属性可以指定引入的范围。现在，我们使用 full 来标识导入所有特性。不过，我感觉引入 tokio 会和例子中的 futures 发生冲突，引入 tokio 后，明显就不需要引入 futures::executor::block_on 了。

还是得继续看看测试效果，用上面的例子来验证一下

[dependencies]
tokio = { version = "1", features = ["full"] }

异步程序

对于同步程序来说，如果程序执行过程中遇到阻塞操作，它就会阻塞在那里直到程序处理完成。拿建立 TCP 连接来说，需要建连的两端通过网络进行数据交互，但这个过程会花费相当多的时间，线程就只能阻塞，直到建连完成。
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对于异步程序来说，不能立即完成的操作会被系统挂起到后台，当前线程并不会被阻塞，它仍可以继续执行别的任务。一旦被挂起的任务恢复，它便可以从上次执行的位置重新开始执行。因为我们的例子中只有一个任务，因此当操作被挂起时，并没有触发别的任务执行，但异步程序通常是会包含多个任务的。

关于异步的解释，这里特意提到了任务：task。只有在多个 task 的情况下，异步执行才有意义。上文还一直提到的 executor、recator，它们都算得上异步运行时的关键模块。

我忍不住思考，最初例子中的「学习唱歌」、「唱歌」、「跳舞」是属于三个独立的任务吧，应该是的。

Compile-time green-threading

green-threading 阅读到这里的小伙伴，欢迎留言来解释，它的具体含义。点击链接可以直接跳转到对应的原文。

异步回归

首先引入 tokio 的包，其次，使用 #[tokio::main] 来标识开启异步运行时，删除之前的 main 函数，简单替换成下面的 main 函数声明。非常遗憾，下面的代码仍然无法异步执行。

#[tokio::main]
async fn main() {let f1 = learn_song();let f2 = sing_song();let f3 = dance();futures::join!(f1, f2, f3);
}

难不成是因为 task ，我们现在看看 tokio 中对 task 的用法，现在的代码只是有了 tokio 的面，并没有 tokio 的里。

task

tokio task 是一个异步的 green 线程，需要通过 tokio::spawn 方法进行创建，该方法返回 JoinHandle 类型对象，调用者需要通过这个返回值来和该 task 进行交互。如果 task 包含返回值，调用者可以链式对 JoinHandle 调用 await来获取。

结合下面的例子，看起来 .await 是用来阻塞等待 task 执行完成的。启动一个 task 之后，必须确保 task 执行完成，才能继续执行后续的依赖流程，有点类似 java 的异步线程。

#[tokio::main]
async fn main() {let handle = tokio::spawn(async {// Do some async work"return value"});// Do some other worklet out = handle.await.unwrap();println!("GOT {}", out);
}

在 JoinHandle 上调用 await 会返回一个 Result 对象。如果 task 在执行期间发生错误，JoinHandle 会返回一个 Err 类型。当 task 发生 panic，或者被运行时强制取消时便会触发这个 Err。

task 是运行时调度的基本执行单元，task 创建后会被提交给 tokio 调度器，我们只需要在使用的地方等待 task 执行完成即可。task 可能会被创建它的线程执行，也可能会交给别的运行时线程执行，总之，可以在不同的线程上被执行。

在 tokio 中 task 是非常轻量的，它们只需要单个分配和64字节的内存。

和 go 语言比较的话，task 相当于 GMP 调度中的 G 对象，也是一个非常轻量的对象，可以在不同的线程中被调用。

使用 tokio 来重构

上面也提到过，现在的代码只有 tokio 的表，没有 tokio 的里，现在我们重新使用 tokio 异步来实现一遍。通过简单的改造，终于实现了异步执行的效果，不禁感慨，确实不易啊。

fn learn_song() { println!("learn song");
}fn sing_song() { println!("sing song");
}async fn dance() {println!("dance");
}#[tokio::main]
async fn main() {let f1 = tokio::spawn(async {learn_song();});let f2 = tokio::spawn(async {sing_song();});let f3 = tokio::spawn( dance());futures::join!(f1, f2, f3);
}

回顾

rust 异步调用的运行时是依赖三方实现的，在不引入 tokio 的情况下，并不会实现并发。同时，rust 中 tokio 的设计也类似于 go 语言中 GMP 的设计，异曲同工。