@[TOC](Rust 學習心得＜4＞：async/await 如何工做)

2019年末 Rust 正式支持 async/await語法，完成了 Rust 協程的最後一塊拼圖，從而異步代碼能夠用一種相似於 Go 的簡潔方式來書寫。然而對於程序員來說，仍是頗有必要理解 async/await 的實現原理。

async

簡單地說， async 語法生成一個實現 Future 對象。以下 async 函數：

    
 
    async fn foo() -> {
 ...
}

async 關鍵字，將函數的原型修改成返回一個 Future trait object 。而後將執行的結果包裝在一個新的 future 中返回，大體至關於：

    
 
    fn foo() -> impl Future<Output = ()> {
 async { ... }
}

更重要的是 async 代碼塊會實現一個匿名的 Future trait object ，包裹一個 Generator 。也就是一個實現了 Future 的 Generator 。 Generator 其實是一個狀態機，配合 .await 當每次 async 代碼塊中任何返回 Poll::Pending 則即調用 generator yeild ，讓出執行權，一旦恢復執行， generator resume 繼續執行剩餘流程。

如下是這個狀態機 Future 的代碼：

    
 
    pub const fn from_generator<T>(gen: T) -> impl Future<Output = T::Return>
where
 T: Generator<ResumeTy, Yield = ()>,
{
 struct GenFuture<T: Generator<ResumeTy, Yield = ()>>(T);
 
 impl<T: Generator<ResumeTy, Yield = ()>> !Unpin for GenFuture<T> {}
 
 impl<T: Generator<ResumeTy, Yield = ()>> Future for GenFuture<T> {
 type Output = T::Return;
 fn poll(self: Pin<&mut Self>, cx: &mut Context<'_>) -> Poll<Self::Output> {
 let gen = unsafe { Pin::map_unchecked_mut(self, |s| &mut s.0) };

 match gen.resume(ResumeTy(NonNull::from(cx).cast::<Context<'static>>())) {
 GeneratorState::Yielded(()) => Poll::Pending, // 當代碼沒法繼續執行，讓出控制權，返回 Pending，等待喚醒
 GeneratorState::Complete(x) => Poll::Ready(x), // 執行完畢
 }
 }
 }
 GenFuture(gen)
}

能夠看到這個特別的 Future 是經過 Generator 來運行的。每一次 gen.resume(） 會順序執行 async block 中代碼直到遇到 yield 。 async block 中的 .await 語句在沒法當即完成時會調用 yield 交出控制權等待下一次 resume 。而當全部代碼執行完，也就是狀態機進入 Complete ， async block 返回 Poll::Ready ，表明 Future 執行完畢。

await

每個 await 自己就像一個執行器，在循環中查詢 Future 的狀態。若是返回 Pending ，則 yield ，不然退出循環，結束當前 Future 。

代碼邏輯大體以下：

    
 
    loop {
 match some_future.poll() {
 Pending => yield,
 Ready(x) => break
 }
}

爲了更好地理解 async/await 的原理，咱們來看一個簡單例子：

    
 
    async fn foo() {
 do_something_1();
 some_future.await;
 do_something_2();
}

使用 async 修飾的異步函數 foo 被改寫爲一個 Generator 狀態機驅動的 Future ，其內部有一個 some_future.await ，中間穿插 do_something_x() 等其餘操做。當執行 foo().await 時，首先完成 do_something_1() ，而後執行 some_future.await ，若 some_future 返回 Pending ，這個 Pending 被轉換爲 yield ，所以頂層 foo() 暫時也返回 Pending ，待下次喚醒後， foo() 調用 resume() 繼續輪詢 some_future ，若 some_future 返回 Ready ，表示 some_future.await 完畢，則 foo() 開始執行 do_something_2() 。

這裏的關鍵點在於，由於狀態機的控制，因此當 foo() 再次被喚醒時，不會重複執行 do_something_1() ，而是會從上次 yield 的的地方繼續執行 some_future.await ，至關於完成了一次任務切換，這也是無棧協程的工做方式。

總結

async/await 經過一個狀態機來控制代碼的流程，配合 Executor 完成協程的切換。在此以後，書寫異步代碼不須要手動寫 Future 及其 poll 方法，特別是異步邏輯的狀態機也是由 async 自動生成，大大簡化程序員的工做。雖然 async/await 出現的時間不長，目前純粹使用 async/await 書寫的代碼還不是主流，但能夠樂觀地期待，從此更多的項目會使用這個新語法。

參考 Futures Explained in 200 Lines of Rust

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總結