学习 Rust Futures - Executor and Task

在最开始学习 Rust futures 的时候，executor 和 task 是两个让我比较困惑的概念，这两个东西到底是啥，它们到底是如何使用的，我当时完全不清楚。等后来做完一些项目，才慢慢理解了。所以觉得有必要好好的记录一下。

介绍

Executor 可以认为是一个用来执行 future 的地方，我们可以在当前线程里面执行 future，也可以将 future 扔到一个 thread pool 里面去执行，也可以在 event loop 里面（例如 tokio-core）里面去执行。

而 Task 则可以认为是一种正在或者将会被执行的 future。通常，我们会将多个 future 组合成一个大的工作单元，然后会在 executor 上面 spawn 一个对应的 task。Executor 会负责当通知到来的时候，去 poll future，直到 future 全被执行结束。

整个流程可以简化为：

1. 当一个 future 不是 ready 的时候，我们使用 task::current() 函数得到一个 task handle，并 block 住当前的 future。
2. 将 task handle 加入到一个感兴趣的事件队列里面，如果相关事件触发了，则通过 task.notify() 通知对应的 executor。
3. Executor 继续 poll future。

上面可能比较抽象，我们可以通过几个例子更深刻的了解相关的机制。

Future wait

当我们创建了一个 future 之后，可以使用 wait 函数，block 住当前的线程，强制等到 future 被执行，然后才会继续进行后面的操作。

Future wait 函数的实现如下：

fn wait(self) -> result::Result
    where Self: Sized
{
    ::executor::spawn(self).wait_future()
}

可以看到，我们使用 executor::spawn 了一个 Spawn 对象，Spawn 对象表示的是一个 fused future 和 task， 这就意味着我们不能再将 future 跟其他的 future 去组合了，只能执行了。

在 wait_future 函数里面，我们会 block 住当前的线程，直到 Spawn 内部的 future 执行完毕，代码如下：

pub fn wait_future(&mut self) -> Result {
    let unpark = Arc::new(ThreadUnpark::new(thread::current()));

    loop {
        match self.poll_future_notify(&unpark, 0)? {
            Async::NotReady => unpark.park(),
            Async::Ready(e) => return Ok(e),
        }
    }
}

首先我们会创建一个 ThreadUnpark 的 Notify 对象，然后传给 Spawn 的 poll_future_notify 去使用。当 future 变成 ready 的时候，我们会去调用 Notify 的 notify 函数去通知相关的 executor 继续去 poll 这个 future。

在 ThreadUnpark 里面，notify 实现如下：

impl Notify for ThreadUnpark {
    fn notify(&self, _unpark_id: usize) {
        self.ready.store(true, Ordering::SeqCst);
        self.thread.unpark()
    }
}

在 notify 函数里面，我们直接会调用 thread 的 unpark 函数，用来唤醒当前被 block 的线程。

Spawn 的 poll_future_notify 会尝试 poll 内部的 future，这个函数会接受一个 NotifyHandle 参数，后续任何的 task::current() 操作返回的 task handle 都会带上这个 NotifyHandle，这样我们通过 task.notify() 就能告诉 executor future 已经 ready 了。

如果 poll_future_notify 返回 NotReady，我们就需要靠 Notify 来通知了。在上面的例子中，返回 NotReady 之后，我们直接调用了 pack 函数，定义如下：

fn park(&self) {
    if !self.ready.swap(false, Ordering::SeqCst) {
        thread::park();
    }
}

在 park 里面，我们直接调用了 thread 的 park 函数，block 住了当前线程，这样当 future 已经 ready 之后，我们会调用 thread 的 unpark 函数唤醒被 block 的线程。

gRPC

上面是一个简单使用操作系统 thread 的 park/unpark 函数来处说明 Executor 和 Task 的例子，在 rust gRPC 里面，我们为了跟 gRPC 的 event loop 整合，也实现了相关的操作。

这里先介绍一下 gRPC 的相关概念，在 gRPC 里面，所有的事件都是通过 CompletionQueue （ 后面以 CQ 代替） 来驱动的，我们会不停的循环调用 CQ 的 next 函数，当有事件产生的时候，next 就会返回对应的事件，然后我们会通过这个事件里面的 tag 找到对应的上下文继续处理。

通常我们都是在 for 循环里面调用的 next 函数，其它线程如果想跟 CQ 发送消息，就需要通过 gRPC 里面的 alarm 机制，我们会先通过 grpc_alarm_create 创建一个 alarm，然后调用 grpc_alarm_cancel 就可以直接去通知到 CQ 了。当 next 返回对应的 alarm event 之后，我们就可以执行这个 alarm 相关的逻辑了。

当 CQ 线程调用到对应的 gRPC method 之后，我们可能需要在其他线程去处理相关的操作，这时候，就可以通过 executor::spawn 来生成一个 Spawn，代码如下：

pub struct Executor<'a> {
    cq: &'a CompletionQueue,
}

impl<'a> Executor<'a> {
    pub fn spawn(&self, f: F)
    where
        F: Future + Send + 'static,
    {
        let s = executor::spawn(Box::new(f) as BoxFuture<_, _>);
        let notify = Arc::new(SpawnNotify::new(s, self.cq.clone()));
        poll(notify, false)
    }
}

SpawnNotify 对应的就是一个 Notify 对象，SpawnNotify 会创建一个 SpawnHandle，在对应的 notify 函数里面，我们会调用 SpawnHandle 的 notify 函数，这个函数里面就会创建一个 alarm 并通知 CQ。

    pub fn notify(&mut self, tag: Box) {
        self.alarm.take();
        let mut alarm = Alarm::new(&self.cq, tag);
        alarm.alarm();
        // We need to keep the alarm until tag is resolved.
        self.alarm = Some(alarm);
    }

当 CQ 的 next 返回了对应的 alarm 事件之后，我们会调用到 SpawnNotify 的 resolve 函数：

    pub fn resolve(self, success: bool) {
        // it should always be canceled for now.
        assert!(!success);
        poll(Arc::new(self.clone()), true);
    }

最后我们在关注下 poll 函数，无论是 Executor 的 spawn 还是SpawnNotify 的 resolve 里面，我们最后都会使用。poll 会调用 Spawn 的 poll_future_notify 函数：

fn poll(notify: Arc, woken: bool) {
    let mut handle = notify.handle.lock();
    ......
    match handle.f.as_mut().unwrap().poll_future_notify(¬ify, 0) {
        Err(_) | Ok(Async::Ready(_)) => {
            ......
            return;
        }
        _ => {}
    }
}

poll_future_notify 如果返回 NotReady，这里我们并不需要做特殊的处理，因为 CQ 会不停的调用 next，如果没有任何事件产生，next 自动回 block 住当前的 CQ 的进程，如果 future 变成了 ready，我们就可以告诉 CQ，CQ 自然会在 next 里面得到对应的事件，然后我们就能继续去执行这个 future 了。

 

作者：siddontang
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来源：简书
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