【译】Async/Await（二）——Futures

Rust 中的 Async/Await

Rust 语言以 async/await 的形式对协作式多任务提供了最好的支持。在我们探讨 async/await 是什么以及它是怎样工作的之前，我们需要理解 future 和异步编程在 Rust 中是如何工作的。

Futures

future 表示一个可能还无法获取到的值。例如由另一个任务计算的整数或者从网络上下载的文件。future 不需要一直等待，直到值变为可用，而是可以继续执行直到需要这个值的时候。

示例

下面这个例子可以很好的阐述 future 的概念：

在这个时序图里，函数从文件系统读取一个文件，然后调用函数。这个过程重复了两次：一次是调用同步的，另一次是调用异步的。

在同步调用的情况下，需要等待文件从文件系统载入。然后它才可以调用函数，又需要再次等待结果。

在调用异步的的情况下，文件系统直接返回一个 future 并且在后台异步地载入文件。这使得函数得以更加容易地调用，与文件载入并行运行。在这个例子中，文件载入在返回之前就完成载入，所以可以直接对文件操作而不必等待返回。

Rust 中的 Futures

在 Rust 中，future 通过Future[1]trait 来表示，它看起来像下面这样：

关联类型[2]指定了异步的值的类型。例如，上图中的函数将会返回一个实例，其中类型被设置为。

poll[3]能够检查是否值已经可用。它返回一个枚举，看起来像下面这样：

当这个值可用时（例如，文件已经从磁盘上被完整地读取），该值会被包装在变量中然后被返回。否则，会返回一个变量，告诉调用者这个值目前还不可用。

方法接收两个参数： 和 。前者类似于一个普通的引用，不同的地方在于值被pinned[4]到它的内存位置。如果不理解 async/await 是如何工作的，就很难理解以及为什么需要它。因此，我们稍后再来解释这个问题。

参数的目的是把一个实例传递给异步任务，例如从文件系统载入文件。允许异步任务发送通知表示任务（或任务的一部分）已经完成，例如文件已经从磁盘上载入。因为主任务知道当就绪的时候自己会被提醒，所以它不需要一次又一次地调用。在本文后面当我们实现自己的 Waker 类型时，我们将会更加详细地解释这个过程。

使用 Future（Working with Futures）

现在我们知道 future 是如何被定义的并且理解了方法背后的基本思想。尽管如此，我们仍然不知道如何使用 future 来高效地工作。问题在于 future 表示异步任务的结果，而这个结果可能是不可用的。尽管如此，在实际中，我们经常需要这些值直接用于后面的计算。所以，问题是：我们怎样在我们需要时能够高效地取回一个 future 的值？

等待 Future

一个答案是等待 future 就绪。看起来类似下面这样：

在这段代码里，我们通过在循环里一次又一次地调用来等待 future。这里的参数无关紧要，所以我们将其忽略。虽然这个方案能够工作，但是它非常低效，因为在该值可用之前 CPU 一直处于忙等待状态。

一个更加高效的方式是阻塞当前的线程直到 future 变为可用。当然这是在你有线程的情况下才有可能，所以这个解决方案对于我们的内核来讲不起作用，至少目前还不行。即使是在支持阻塞的系统上，这通常也是不希望发生的，因为它又一次地把一个异步任务转为了一个同步任务，从而抑制了并行任务潜在的性能优势。

Future 组合子（Future Combinators）

等待的一个替换选项是使用 future 组合子。Future 组合子是类似的方法，它们能够将 future 进行链接和组合，和上的方法比较相似。这些组合子不是在 future 上等待，而是自己返回一个 future，这个 future 在上进行了映射操作。

举个例子，一个简单的组合子，用于把转换为，可能看起来像下面这样：

这段代码不怎么有效，因为它没有处理pinning[5]，但是这里它作为一个例子已经足够了。基本的思想是，函数把一个给定的实例包装进一个新的结构体，该结构体也实现了。当被包装的 Future 被轮询（poll）时，它轮询内部的 future。如果这个值尚未就绪，被包装的 future 也会返回。如果这个值就绪，字符串会从变量中导出并且它的长度会被计算出来。之后，它会再次被包装进然后返回。

通过函数，我们可以在不必等待的情况下异步地计算一个字符串的长度。因为这个函数会再次返回一个，所以调用者无法直接在返回值上操作，而是需要再次使用组合子函数。通过这种方式，整个调用图就变成了异步的，并且我们可以在某个时间点高效地同时等待多个 future，例如在 main 函数中。

手动编写组合子函数是困难的，因此它们通常由库来提供。然而 Rust 标准库本身没有提供组合子方法，但是半官方的（兼容） crate 提供了。它的 trait 提供了高级别的组合子方法，像或者，这些组合子方法可以被用于操作带有任意闭包的结果。

优势

Future 组合子的最大优势在于，它们保持了操作的异步性。通过结合异步 I/O 接口，这种方式可以得到很高的性能。事实上，future 组合子实现为带有 trait 实现的普通结构体，这使得编译器能够对它们进行极度优化。如果想了解更多的细节，可以阅读Zero-cost futures in Rust[6]这篇文章，该文宣布了 future 加入了 Rust 生态系统。

缺点

尽管 future 组合子能够让我们写出非常高效的代码，但是在某些情况下由于类型系统和基于闭包的接口，使用它们也很困难。例如，考虑下面的代码：

（在 playground 上尝试运行这段代码[7]）

在这里，我们读取文件，接着使用组合子基于文件内容链接第二个 future。如果内容长度小于给定的，我们读取另一个文件然后使用组合子将其追加到中。否则，我们就仅返回的内容。

我们需要对传入里的闭包使用关键字，因为如果不这样做，将会出现一个关于的生命中周期错误。使用包装器（wrapper）的原因是 if 和 else 语句块必须拥有相同的类型。因为我们在块中返回不同的 future 类型，所以我们必须使用包装器类型来把它们统一到相同类型。函数把一个值包装进一个立即就绪的 future。需要这个函数是因为包装器期望被包装的值实现了。

正如你所想，对于较大的项目，这样写很快就能产生非常复杂的代码。如果涉及到借用和不同的生命周期，它会变得更为复杂。为此，我们投入了大量的工作来为 Rust 添加对 async/await 的支持，就是为了让异步代码的编写从根本上变得更加简单。

参考资料[1]

Future:https://doc.rust-lang.org/nightly/core/future/trait.Future.html

[2]

关联类型:https://doc.rust-lang.org/book/ch19-03-advanced-traits.html#specifying-placeholder-types-in-trait-definitions-with-associated-types

[3]

poll:https://doc.rust-lang.org/nightly/core/future/trait.Future.html#tymethod.poll

[4]

pinned:https://doc.rust-lang.org/nightly/core/pin/index.html

[5]

pinning:https://doc.rust-lang.org/stable/core/pin/index.html

[6]

Zero-cost futures in Rust:https://aturon.github.io/blog/2016/08/11/futures/

[7]

在 playground 上尝试运行这段代码:https://play.rust-lang.org/?version=stable&mode=debug&edition=2018&gist=91fc09024eecb2448a85a7ef6a97b8d8