Rust async 編程

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# Rust async 編程 Asynchronous Programming in Rust: 中文書名《Rust 非同步編程指南》: Rust語言聖經(Rust Course): ## 一、[Getting Started](https://rust-lang.github.io/async-b ...


Rust async 編程

Asynchronous Programming in Rust:https://rust-lang.github.io/async-book/

中文書名《Rust 非同步編程指南》:https://github.com/rustlang-cn/async-book

Rust語言聖經(Rust Course):https://course.rs/advance/async/getting-started.html

一、Getting Started

1.1 為什麼使用 async

為什麼使用 async

  • Async 編程,是一種併發(concurrent)編程模型
    • 允許你在少數系統線程上運行大量的併發任務
    • 通過 async/await 語法,看起來和同步編程差不多

其它的併發模型

  • OS 線程
    • 無需改變任何編程模型,線程間同步困難,性能開銷大
    • 線程池可以降低一些成本,但難以支撐大量 IO 綁定的工作
  • Event-driven 編程
    • 與回調函數一起用,可能高效
    • 非線性的控制流,數據流和錯誤傳播難以追蹤
  • 協程(Coroutines)
    • 類似線程,無需改變編程模型
    • 類似 async ,支持大量任務
    • 抽象掉了底層細節(這對系統編程、自定義運行時的實現很重要)
  • Actor 模型
    • 將所有併發計算劃分為 actor , 消息通信易出錯
    • 可以有效的實現 actor 模型,但許多實際問題沒解決(例如流程式控制制、重試邏輯)

Rust 中的 async

  • Future 是惰性的
    • 只有poll時才能取得進展, 被丟棄的 future 就無法取得進展了
  • Async是零成本的
    • 使用async ,可以無需堆記憶體分配(heap allocation)和動態調度(dynamic dispatch),對性能大好,且允許在受限環境使用 async
  • 不提供內置運行時
    • 運行時由Rust 社區提供,例如 tokio
  • 單線程、多線程均支持
    • 這兩者擁有各自的優缺點

Rust 中的 async 和線程(thread)

  • OS 線程:
    • 適用於少量任務,有記憶體和CPU開銷,且線程生成和線程間切換非常昂貴
    • 線程池可以降低一些成本
    • 允許重用同步代碼,代碼無需大改,無需特定編程模型
    • 有些系統支持修改線程優先順序
  • Async:
    • 顯著降低記憶體和CPU開銷
    • 同等條件下,支持比線程多幾個數量級的任務(少數線程支撐大量任務)
    • 可執行文件大(需要生成狀態機,每個可執行文件捆綁一個非同步運行時)

Async 並不是比線程好,只是不同而已!

總結:

  • 有大量 IO 任務需要併發運行時,選 async 模型
  • 有部分 IO 任務需要併發運行時,選多線程,如果想要降低線程創建和銷毀的開銷,可以使用線程池
  • 有大量 CPU 密集任務需要並行運行時,例如並行計算,選多線程模型,且讓線程數等於或者稍大於 CPU 核心數
  • 無所謂時,統一選多線程

例子

如果想併發的下載文件,你可以使用多線程如下實現:

fn get_two_sites() {
    // Spawn two threads to do work. 創建兩個新線程執行任務
    let thread_one = thread::spawn(|| download("https://www.foo.com"));
    let thread_two = thread::spawn(|| download("https://www.bar.com"));

    // Wait for both threads to complete. 等待兩個線程的完成
    thread_one.join().expect("thread one panicked");
    thread_two.join().expect("thread two panicked");
}

使用async的方式:

async fn get_two_sites_async() {
    // Create two different "futures" which, when run to completion, 創建兩個不同的`future`,你可以把`future`理解為未來某個時刻會被執行的計劃任務
    // will asynchronously download the webpages. 當兩個`future`被同時執行後,它們將併發的去下載目標頁面
    let future_one = download_async("https://www.foo.com");
    let future_two = download_async("https://www.bar.com");

    // Run both futures to completion at the same time. 同時運行兩個`future`,直至完成
    join!(future_one, future_two);
}

自定義併發模型

  • 除了線程和async,還可以用其它的併發模型(例如 event-driven)

1.2 Rust Async 的目前狀態

Async Rust 目前的狀態

  • 部分穩定,部分仍在變化。
  • 特點:
    • 針對典型併發任務,性能出色
    • 與高級語言特性頻繁交互(生命周期、pinning)
    • 同步和非同步代碼間、不同運行時的非同步代碼間存在相容性約束
    • 由於不斷進化,維護負擔更重

語言和庫的支持

  • 雖然Rust本身就支持Async編程,但很多應用依賴與社區的庫:
    • 標準庫提供了最基本的特性、類型和功能,例如 Future trait
    • async/await 語法直接被Rust編譯器支持
    • futures crate 提供了許多實用類型、巨集和函數。它們可以用於任何非同步應用程式。
    • 非同步代碼、IO 和任務生成的執行由 "async runtimes" 提供,例如 Tokio 和 async-std。大多數async 應用程式和一些 async crate 都依賴於特定的運行時。

註意

  • Rust 不允許你在 trait 里聲明 async 函數

編譯和調試

  • 編譯錯誤:
    • 由於 async 通常依賴於更複雜的語言功能,例如生命周期和Pinning,因此可能會更頻繁地遇到這些類型的錯誤。
  • 運行時錯誤:
    • 每當運行時遇到非同步函數,編譯器會在後臺生成一個狀態機,Stack traces 里有其明細,以及運行時調用的函數。因此解釋起來更複雜。
  • 新的失效模式:
    • 可能出現一些新的故障,它們可以通過編譯,甚至單元測試。

相容性考慮

  • async和同步代碼不能總是自由組合

    • 例如,不能直接從同步函數來調用 async 非同步函數
  • Async 代碼間也不總是能自由組合

    • 一些crate依賴於特定的 async 運行時
  • 因此,儘早研究確定使用哪個 async 運行時

性能特征

  • async 的性能依賴於運行時的表現(通常較出色)

1.3 async/await 入門

async

  • async 把一段代碼轉化為一個實現了Future trait 的狀態機
  • 雖然在同步方法中調用阻塞函數會阻塞整個線程,但阻塞的Future將放棄對線程的控制,從而允許其它Future來運行。
~/rust via 

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