Rust async 编程

Rust async 编程

Asynchronous Programming in Rust：https://rust-lang.github.io/async-book/
中文书名《Rust 异步编程指南》：https://github.com/rustlang-cn/async-book
Rust语言圣经(Rust Course)：https://course.rs/advance/async/getting-started.html
一、Getting Started

1.1 为什么使用 async

为什么使用 async

• Async 编程，是一种并发（concurrent）编程模型
  
  
  
  • 允许你在少数系统线程上运行大量的并发任务
    
  • 通过 async/await 语法，看起来和同步编程差不多
    
  
  

其它的并发模型

• OS 线程
  
  
  
  • 无需改变任何编程模型，线程间同步困难，性能开销大
    
  • 线程池可以降低一些成本，但难以支撑大量 IO 绑定的工作
    
  
  
• Event-driven 编程
  
  
  
  • 与回调函数一起用，可能高效
    
  • 非线性的控制流，数据流和错误传播难以追踪
    
  
  
• 协程(Coroutines)
  
  
  
  • 类似线程，无需改变编程模型
    
  • 类似 async ，支持大量任务
    
  • 抽象掉了底层细节（这对系统编程、自定义运行时的实现很重要）
    
  
  
• Actor 模型
  
  
  
  • 将所有并发计算划分为 actor , 消息通信易出错
    
  • 可以有效的实现 actor 模型，但许多实际问题没解决（例如流程控制、重试逻辑）
    
  
  

Rust 中的 async

• Future 是惰性的
  
  
  
  • 只有poll时才能取得进展， 被丢弃的 future 就无法取得进展了
    
  
  
• Async是零成本的
  
  
  
  • 使用async ，可以无需堆内存分配（heap allocation）和动态调度（dynamic dispatch），对性能大好，且允许在受限环境使用 async
    
  
  
• 不提供内置运行时
  
  
  
  • 运行时由Rust 社区提供，例如 tokio
    
  
  
• 单线程、多线程均支持
  
  
  
  • 这两者拥有各自的优缺点
    
  
  

Rust 中的 async 和线程（thread）

• OS 线程：
  
  
  
  • 适用于少量任务，有内存和CPU开销，且线程生成和线程间切换非常昂贵
    
  • 线程池可以降低一些成本
    
  • 允许重用同步代码，代码无需大改，无需特定编程模型
    
  • 有些系统支持修改线程优先级
    
  
  
• Async：
  
  
  
  • 显著降低内存和CPU开销
    
  • 同等条件下，支持比线程多几个数量级的任务（少数线程支撑大量任务）
    
  • 可执行文件大（需要生成状态机，每个可执行文件捆绑一个异步运行时）
    
  
  

Async 并不是比线程好，只是不同而已！
总结：

• 有大量 IO 任务需要并发运行时，选 async 模型
  
• 有部分 IO 任务需要并发运行时，选多线程，如果想要降低线程创建和销毁的开销，可以使用线程池
  
• 有大量 CPU 密集任务需要并行运行时，例如并行计算，选多线程模型，且让线程数等于或者稍大于 CPU 核心数
  
• 无所谓时，统一选多线程
  

例子

如果想并发的下载文件，你可以使用多线程如下实现:

1. fn get_two_sites() {
2.     // Spawn two threads to do work. 创建两个新线程执行任务
3.     let thread_one = thread::spawn(|| download("https://www.foo.com"));
4.     let thread_two = thread::spawn(|| download("https://www.bar.com"));
6.     // Wait for both threads to complete. 等待两个线程的完成
7.     thread_one.join().expect("thread one panicked");
8.     thread_two.join().expect("thread two panicked");
9. }

复制代码

使用async的方式：

1. async fn get_two_sites_async() {
2.     // Create two different "futures" which, when run to completion, 创建两个不同的`future`，你可以把`future`理解为未来某个时刻会被执行的计划任务
3.     // will asynchronously download the webpages. 当两个`future`被同时执行后，它们将并发的去下载目标页面
4.     let future_one = download_async("https://www.foo.com");
5.     let future_two = download_async("https://www.bar.com");
7.     // Run both futures to completion at the same time. 同时运行两个`future`，直至完成
8.     join!(future_one, future_two);
9. }

复制代码

自定义并发模型

• 除了线程和async，还可以用其它的并发模型（例如 event-driven）
  

1.2 Rust Async 的目前状态

Async Rust 目前的状态

• 部分稳定，部分仍在变化。
  
• 特点：
  
  
  
  • 针对典型并发任务，性能出色
    
  • 与高级语言特性频繁交互（生命周期、pinning）
    
  • 同步和异步代码间、不同运行时的异步代码间存在兼容性约束
    
  • 由于不断进化，维护负担更重
    
  
  

语言和库的支持

• 虽然Rust本身就支持Async编程，但很多应用依赖与社区的库：
  
  
  
  • 标准库提供了最基本的特性、类型和功能，例如 Future trait
    
  • async/await 语法直接被Rust编译器支持
    
  • futures crate 提供了许多实用类型、宏和函数。它们可以用于任何异步应用程序。
    
  • 异步代码、IO 和任务生成的执行由 "async runtimes" 提供，例如 Tokio 和 async-std。大多数async 应用程序和一些 async crate 都依赖于特定的运行时。
    
  
  

注意

• Rust 不允许你在 trait 里声明 async 函数
  

编译和调试

• 编译错误：
  
  
  
  • 由于 async 通常依赖于更复杂的语言功能，例如生命周期和Pinning，因此可能会更频繁地遇到这些类型的错误。
    
  
  
• 运行时错误：
  
  
  
  • 每当运行时遇到异步函数，编译器会在后台生成一个状态机，Stack traces 里有其明细，以及运行时调用的函数。因此解释起来更复杂。
    
  
  
• 新的失效模式：
  
  
  
  • 可能出现一些新的故障，它们可以通过编译，甚至单元测试。
    
  
  

兼容性考虑

• async和同步代码不能总是自由组合
  
  
  
  • 例如，不能直接从同步函数来调用 async 异步函数
    
  
  
• Async 代码间也不总是能自由组合
  
  
  
  • 一些crate依赖于特定的 async 运行时
    
  
  
• 因此，尽早研究确定使用哪个 async 运行时
  

性能特征

• async 的性能依赖于运行时的表现（通常较出色）
  

1.3 async/await 入门

async

• async 把一段代码转化为一个实现了Future trait 的状态机
  
• 虽然在同步方法中调用阻塞函数会阻塞整个线程，但阻塞的Future将放弃对线程的控制，从而允许其它Future来运行。
  

[code]~/rust via
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