async/await 如何工作 | Rust学习笔记

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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作者：谢敬伟，江湖人称“刀哥”，20年IT老兵，数据通信网络专家，电信网络架构师，目前任Netwarps开发总监。刀哥在操作系统、网络编程、高并发、高吞吐、高可用性等领域有多年的实践经验，并对网络及编程等方面的新技术有浓厚的兴趣。

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