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