TiKV Rust Client 迁移记 - Futures 0.1 至 0.3

作者介绍:Nick Cameron,PingCAP 研发工程师,Rust core team 成员,专注于分布式系统、数据库领域和 Rust 语言的进展。

最近我将一个中小型的 crate 从 futures 库的 0.1 迁移至了 0.3 版本。过程本身不是特别麻烦,但还是有些地方或是微妙棘手,或是没有很好的文档说明。这篇文章里,我会把迁移经验总结分享给大家。

我所迁移的 crate 是 TiKV 的 Rust Client。该 crate 的规模约为 5500 行左右代码,通过 gRPC 与 TiKV 交互,采用异步接口实现。因此,对于 futures 库的使用颇为重度。

异步编程是 Rust 语言中影响广泛的一块领域,已有几年发展时间,其核心部分就是 futures 库。作为一个标准 Rust 库,futures 库为使用 futures 编程提供所需数据类型以及功能。虽然它是异步编程的关键,但并非你所需要的一切 - 你仍然需要可以推进事件循环 (event loop) 以及与操作系统交互的其他库。

futures 库在这几年中变化很大。最新的版本为 0.3(crates.io 发布的 futures 预览版)。然而,有许多早期代码是 futures 0.1 系列版本,且一直没有更新。这样的分裂事出有因 - 0.1 和 0.3 版本之间变化太大。0.1 版本相对稳定,而 0.3 版本一直处于快速变化中。长远来看,0.3 版本最终会演进为 1.0。有一部分代码会进入 Rust 标准库,其中的第一部分已在最近发布了稳定版,也就是 Future trait。

为了让 Rust Client 跑在稳定的编译器上,我们将核心库限制为仅使用稳定或即将稳定的特性。我们在文档和示例中确实使用了 async/await,因为 async/await 更符合工程学要求,而且将来也一定会成为使用 Rust 进行异步编程的推荐方法。除了在核心库中避免使用 async/await,我们对使用 futures 0.1 的 crate 也有依赖,这也意味着我们需要经常用到兼容层。从这个角度说,我们这次迁移其实并不够典型。

我不是异步编程领域的专家,或许有其他方法能让我们这次迁移(以及所涉及的代码)更符合大家的使用习惯。如果您有好的建议,可以在 Twitter 上联系我。如果您想要贡献 PR 就更赞了,我们期待越来越多的力量加入到 TiKV Client 项目里。

机械性变化

此类变化是指那些 “查询替换类” ,或其他无需复杂思考的变化。

这一类别中最大的变化莫过于 0.1 版本的 Future 签名中包含了一个 Error 关联类型,而且 poll 总是会返回一个 Result。0.3 版本里该错误类型已被移除,对于错误需要显式处理。为了保持行为上的一致性,我们需要将代码里所有 Future<Item=Foo, Error=Bar> 替换为 Future<Output=Result<Foo, Bar>>(留意 ItemOutput 的名称变化)。替换后, poll 就可以返回和以前一样的类型,这样在使用 futures 的时候无需任何变化。

如果你定义了自己的 futures,那就需要根据是否需要处理错误的需求更新 futures 的定义。

futures 0.3 中支持 TryFuture 类型,基本上可以看作 Future<Output=Result<...>> 的替代。使用这个类型,意味着你需要在 FutureTryFuture 之间转换,因此最好还是尽量避免吧。TryFuture 类型包含了一个 blanket implementation,这使它可以通过 TryFutureEx trait 轻松将某些函数应用于此类 futures。

futures 0.3 中,Future::poll 方法会接受一个新的上下文参数。这基本上只需要调用 poll 方法即可完成传递(偶尔也会忽略)。

我们的依赖包依然使用了 futures 0.1,所以我们必须在两个版本的库之间转换。0.3 版本包含了一些兼容层以及其他实用工具(例如 Compat01As03)。我们在调用依赖关系时会用到这些。

wait 方法已被从 Future trait 中移除。这是让人拍手称快的变化,因为该方法确实够反人性,而且本身可以用 .awaitexecutor::block_on 代替(需要注意的是后者可能会阻断整个进程,而并不只是当前执行的 future)。

Pin

futures 0.3 中, Pin 是一个频繁使用的类型, Future::poll 方法签名的 self 类型对其尤为青睐。除了对这些签名进行一些机械性的处理之外,我还得借助于 Pin::get_unchecked_mutPin::new_unchecked 这两种方法(均为不安全方法)对 futures 的项目字段做一些变更。

指针定位(pinning)是一个微妙又复杂的概念,我至今也不敢说自己已经掌握了多少。我能提供的最好的参考是 std::pin docs。下面是我整理的一些要点(有一些重要的细节此处不会涉及,这里本意也并非提供一个关于指针定位的教程)。

  • Pin 作为一个类型构造,只有用于指针类型(如 Pin<Box<_>>)时才会生效。
  • Pin 本身是一种“标识/封装”类型(有一点像 NonNull),并不是指针类型。
  • 如果一个指针类型被“定位”了,意味着指针指向的值不可移动(当一个非拷贝对象通过数值传入,或者调用 mem::swap 时会发生移动)。需要注意的移动只能发生在指针被定位之前,而非之后。
  • 如果某个类型使用了 Unpin trait,这意味着无论此类型移动与否都不会有任何影响。换句话说,即使指向该类型的指针没有被定位,我们也可以放心把它当作被定位的。
  • PinUnpin 并没有置入 Rust 语言,虽然某些特性会对指针定位有间接依赖。指针定位由编译器强制执行,但编译器本身却不自知(这点非常酷,也体现了 Rust 特性系统对此类处理的强大之处)。它是这样工作的:Pin<P<T>> 只允许对于 P 的安全访问,禁止移动 P 指向的任何数值,除非 T 应用了 Unpin(代码编写者已宣称 T 并不在意是否被移动)。任何允许删除没有执行 Unpin 数值的操作(可变访问)都是 unsafe 的,且应该由程序编写者决定是否要移动任何数值,并保证之后的安全代码中不可删除任何数值。

让我们回到 futures 迁移的话题上。如果你对 Pin 使用了不安全的方法,你就需要考虑上面的要点,以保证指针定位的稳定。std::pin docs 提供了更多的解释。我在许多地方通过字段投射的方式为另外一个 future 调用 poll 方法(有时是间接的),为了达到这个目的,你需要一个已定位的指针,这也意味着能你需要结构性指针定位。如,你可以将 Pin<&mut T> 字段投射至 Pin<&mut FieldType>

函数

迁移中比较让人不爽的一点是 futures 库里有许多函数(与类型)的名称改变了。有的名称和标准库里的通用名重复,这让用自动化的手段处理变更的难度变大。比如,Async 变成了 PollOk 变成了 readyfor_each 变成 thenthen 变成 mapEither::A 变成 Either::Left

有时名称没有变化,但其代表的功能语义变了(或者两方面都变了)。一个较为普遍的变化就是 closure 函数现在会返回可以使用 T 类型生成数值的 future,而不会直接返回数值本身。

有许多组合子函数从 Future trait 移至扩展 crate 里。这个问题本身不难修复,只是有时候不容易从错误信息中判定。

LoopFn

0.1 版本的 futures 库包含了 LoopFn 这个 future 构造,用于处理多次执行某动作的 futures。LoopFn 在 0.3 版本中被移除,这样做的原因个人认为可能是 for 循环本身是 async 的函数,或者 streams 才是长远看来的更佳解决方案。为了让我们的迁移过程简单化,我为 futures 0.3 写了我们自己版本的 LoopFn future,其实大部分也都是复制粘贴的工作,加上一些调整(如处理指针定位投射):code。后来我将几处 LoopFn 用法转换为 streams,对代码似乎有一定改进。

Sink::send_all

我们在项目中几个地方使用了 sink。我发现对于它们对迁移和 futures 相比要有难度不少,其中最麻烦的问题就是 Sink::send_all 结构变了。0.1 版本里,Sink::send_all 会获取 stream 的所有权,并在确定所有 future 都完成后返回 sink 以及 stream。0.3 版本里, Sink::send_all 会接受一个对 stream 的可变引用,不返回任何值。我自己写了一个 兼容层 在 futures 0.3 里模拟 0.1 版本的 sink。这不是很难,但也许有更好的方式来做这件事。

大家可以在 这个 PR 里看到整个迁移的细节。本文最初发表在 www.ncameron.org

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