谁在运行你的 Rust Future？动手实践入门异步 Rust

# 谁来驱动你的 Rust 未来？异步 Rust 实战入门 来源：https://aibodh.com/posts/async-rust-chapter-1-hands-on-intro-to-async-rust/ 关于 AI 辅助 “AIBodh” 中的 “Bodh” 意为 “理解”。自对话式 AI 首次出现以来，我反复使用它的主要目的是学习、提问、犯错、再提问，直到某个概念终于讲通。这让我形成了一个至今仍坚信的观点：用得恰当，AI 能真正帮助人们学习。所以我用它来教学，但不是作为捷径。每篇文章仍然需要我花 20 到 25 个小时。AI 帮我度过写作中真正困难的部分：找到一个例子，让概念成为显而易见的答案；找到一种类比，让人豁然开朗；找到一种视觉化方式，让抽象变得具体；以及删减术语和冗余。我会验证代码能否运行，保持自己的 voice，删掉任何无助于你理解的内容。判断和修正都由我负责。如果任何部分感觉不对，请通过 Discord（https://discord.com/invite/cD9qEsSjUH）告诉我，我会改进。 异步 Rust 通常从两个方向之一开始教学。异步书籍和运行时文档展示内部机制：`Future`、`poll` 和 `Pin` 如何工作，你甚至可以手动构建一个微型执行器。Tokio 的指南则走另一条路：你搭建一个真实服务，它就能跑起来。两者都非常有用。但很难找到两者之间的桥梁——连接 “理解异步如何工作” 与 “真正用它交付代码” 的那部分。这个系列就是那座桥梁。 **你亲手构建引擎**——future、waker、executor——直到你理解每一块，然后**驾驶真正的引擎**——Tokio——并认出那些相同的部件，因为你亲手构建过它们。 --- **情侣疗法（此处为节标题，保持原文）** 本系列假设两件事：第一，你之前用 JavaScript 写过 `async` 和 `await` 代码。第二，你熟悉 Rust 的基础知识：struct、enum、关联函数和闭包（这些在《Bevy 和 Rust 急性子程序员指南》的免费章节中都有涵盖，链接：https://aibodh.com/books/the-impatient-programmers-guide-to-bevy-and-rust/#chapters）。 *关于本系列的快速说明：我计划在此处保留至少 5 到 8 个免费章节供阅读，其余章节收入付费电子书。免费章节可能不按编号顺序排列，因此有些章节会跳序出现。* 如果你写过任何现代 JavaScript，你已经做过无数次了： 伪代码，请勿直接使用。 ```javascript async function getUser() { /* ... */ } const user = await getUser(); // 然后它……就运行了 ``` 你写 `async function`，加上 `await`，它就跑起来了。你从未想过**是什么**在驱动它，因为总有东西在驱动。`node` 进程自带了一个内置的**事件循环**：一个隐藏的引擎，它拾起你的 Promise，推动每一个直到完成。 Node 的事件循环是一个永不停止的周期。每转一次，它抓取一个可以前进的 Promise，运行到需要等待，然后把它放到一边，拿起下一个。Node 为你保持这个循环运转。 在 JavaScript 中，你从未问过是谁保持这个循环运行。但 Rust 呢？ **到底是谁在运行你的异步代码？** 用 Rust 自己的术语来说：**是谁在运行你的 future？** Rust 有意识地反其道而行之。它**根本不提供任何事件循环**。语言内部没有任何东西等着运行你的异步代码。如果你需要一个，自己引入。或者，按照我们即将学习的方式——**自己构建一个**。 --- **第二份工作（节标题）** 这听起来像缺少特性。但到本系列结束时，你会觉得恰恰相反。但在问“谁运行它”之前，我们先精确地定义一下 `async` 到底是什么。 普通函数是你每天写的那种。你调用它，它立即执行，下一行代码时返回值已经躺在变量里： ```rust fn add(a: i32, b: i32) -> i32 { a + b } let sum = add(2, 3); ``` **异步函数**则不同。你调用它，它返回一个占位符而不是结果。不是值，而是一个**代表**尚未准备好的值的东西，上面贴着“稍后完成”的标签。每个异步语言都有这个占位符，只是名字不同： - JavaScript 称之为 **`Promise`**。 - Rust 称之为 **`Future`**。 不同的词，完全相同的概念：**一个代表尚未完成工作的值**。 **等等，JavaScript 不也有 `Future` 吗？** 不是作为类型。你仍然会听到这两个词，但它们不能互换：存在一个“写”侧——工作完成后把值写入，和一个“读”侧——你持有的句柄并用 await 等待。在 JavaScript 中，你 await 的 Promise 就是读侧，而 Rust 给它自己的名字：`Future`。resolve 是写侧；你 await 的 Promise 是读侧。 ```javascript const promise = new Promise((resolve) => { setTimeout(() => resolve("the data"), 1000); }); const data = await promise; ``` Rust 把你持有的句柄命名为 `Future`，因为在 Rust 中，由你来读取它——通过轮询（poll）。所以每当你在本系列读到 `Future`，把它想象成一个需要你自己去读取的 `Promise`。 调用异步函数在 Node 中返回 Promise，在 Rust 中返回 Future。在 Node 中，一个隐藏的内置事件循环自动驱动 Promise 到完成。在 Rust 中，Future 是惰性的，不会自己执行任何操作：在你轮询它之前，没有代码运行，因为语言本身不提供事件循环。 在 Node 中，你调用异步函数的那一刻，占位符就是**活的**。隐藏的事件循环会抓住它并驱动到完成，无论你是否在观察。`await` 只是你等待值准备好的那一刻。工作总会发生。 在 Rust 中，调用 `async fn` **什么都不做**： ```rust async fn get_user() -> User { /* ... */ } let f = get_user(); ``` `get_user()` 给了你一个 `Future`，然后停止。函数体尚未执行。它是**惰性的**：只是待在那里，沉睡，停在一个变量里。它将永远什么都不做，直到有东西**轮询**它——这个技术术语是指轻拍它的肩膀并问“你能前进一点吗？” 由于 Rust 不提供事件循环，那个负责拍肩膀的东西必须是一个运行时（如你引入的 Tokio），或者——按照我们将要学习的方式——你自己编写的代码。 --- **我的 Future（节标题）** 你手里拿着这个 future。你能**真正用它做什么**来让工作完成并取出值？ ## 轮询 一个 `Future` 只给你一个方法。你可以 `poll` 它。轮询就是你向 future 问一个唯一的问题：“你现在能前进一点吗？” future 会尽可能运行，然后给出两种回答之一：如果完成了，返回 `Ready(value)`；如果不得不停下等待某件事，返回 `Pending`。 “尽可能运行”这个短语是整个概念的核心，让我们用一个有实际任务的 future 来具体化它：结账购物车。`async fn` 先从数据库加载购物车，然后调用支付提供商的 API 来扣款，最后返回一个确认订单。数据库和支付 API 都不会立即响应，所以 future 不得不在两次调用处停下等待。 现在让我们轮询它，观察每次轮询如何推动 future 前进： - **轮询 #1**: future 启动，发出数据库查询以加载购物车。数据库尚未回复，所以无法继续。它就在那里休眠，回答 `Pending`。 - **轮询 #2**: 一旦数据库回复，它从暂停处精确恢复，拿到购物车，继续运行直到调用支付 API。扣款仍在进行中，所以再次休眠，回答 `Pending`。 - **轮询 #3**: 一旦支付完成，它最后一次恢复，一直运行到函数末尾，构建确认订单，回答 `Ready(order)`。 所以“尽可能运行”的意思是：从你上次暂停的地方继续，向前运行直到要么完成，要么遇到下一个需要等待的东西。早期的轮询都在等待处结束，因此返回 `Pending`。最后一次轮询没有东西可等，所以它运行到函数末尾，返回 `Ready`。 大多数轮询会撞墙并说“还没好”。最终，有一次轮询会跑到尽头并说“完成了”。异步就是这样一个循环：撞墙、等待、再试一次，直到最后一次轮询终于成功。 这里是从 Node 过来的人容易困惑的部分：`poll` 不仅仅是**检查** future，它就是**运行** future 的东西。调用 `async fn` 并不会运行函数体中的任何代码。**第一次** `poll` 才启动它，之后的每次 poll 把它往前推一段。 所以规则很直白：没有 poll，就没有进展。一个从未被轮询过的 future 永远不会运行一行代码。没有任何东西在后台运行它。唯一推动它前进的就是你再次调用 `poll`。 “酷，那我只需要调用 `poll` 就行了，听起来很简单。” 好吧，让我们看看函数签名。 完整的 poll 签名： ```rust fn poll(self: Pin<&mut Self>, cx: &mut Context) -> Poll<Self::Output> ``` 一行简短代码，包含三个陌生部分。我们逐一拆解。 ### Future 本身 `self: Pin<&mut Self>` 一开始我让你把 future 想象成一个 `Promise`——尚未完成工作的表示。那么，这个表示具体是什么？它是一块**数据**。当你写一个 `async fn` 时，编译器把你的代码转换成一个值，这个值持有它需要记住的一切，以便后续继续执行。future **就是**那个值：以数据形式存在的异步代码。 随着 future 一轮一轮地运行，这块数据不断前进。所以一个 future 只是一个小的 `struct`，它持有的每个字段都是它的状态——需要在两次轮询之间记住的东西。 下面的图是一种理解 future 的方式。把它当作一个心理模型来建立直觉，而不是真实 future 在内存中的精确字节级布局： 一个结账 future 的心理模型，作为 struct 持有其状态：一个步骤（在“扣款”处暂停）、一个已加载的购物车，以及一个指向该购物车（同一个 struct 中的兄弟字段）的 item。这是一个用来建立直觉的图，而非精确的内存布局。 我们的结账 future，在任务中途暂停，持有诸如它在哪停下的（位于“扣款”处）、它已经从数据库加载的 `cart`，以及仍然指向 `cart` 内部的 `item`。每次 `poll` 都会捡起这个状态并向前运行，因为我们需要更新这些字段，所以通过第一个参数请求可写访问（`&mut`）。 但有一个问题：`item` 指向 future 自身内部——指向它旁边的 `cart` 字段。一个值指向自己的内部。你大概从未写过这样的 struct，这并非偶然：普通 Rust 会安静地引导你远离自引用。 因此你从未关心过值在内存中的位置。把它移入函数、推入 `Vec`、交给调用者——一切都能工作。但如果这个 future 被移动到内存中的新位置，`cart` 跟着去了新地方，而 `item` 仍然指向旧位置。它现在指向空的空间——一个悬垂指针。 **为什么 `future` 会自己移动到新内存位置？** 它不会自己移动。是你的代码移动它，就像 Rust 中任何值被移动一样： 1. **调用 `async fn` 本身**: `checkout()` 把 future 返回给你。那个返回本身就是一次移动。 2. **传递它**: future 是一个值，因此把它交给任何函数都是按值传递——这是一次移动。 3. **存储它**: 把它推入 `Vec`，或者放在 struct 字段中。也都是移动。 我知道这变得棘手了。这些概念确实难以掌握，它们值得比我现在给出的更详细的解释。我将在后面的章节中再回来详细说明：为什么 future 最终会指向自身，编译器如何布局它，以及值为什么会在内存中移动。现在，只需要记住这一点：`self: Pin<&mut Self>` 中的 `Pin` 保证 future 在被轮询期间不会在内存中移动。目前你只需知道这些。 --- **无返回值（节标题）** ### Waker `cx: &mut Context` 想象我们的结账 future，正在等待支付提供商。你最初发起的轮询启动了工作，你得到了 `Pending`。那么，你什么时候再次轮询？立即再试没有意义：提供商尚未回复，future 只会再给你一个 `Pending`。 你实际上有两个选择： - 第一，在一个紧密循环中不断轮询，直到它终于说 `Ready`。它能工作，但在提供商仍在处理时，每秒数千次地追问“好了吗？好了吗？”会烧掉整个 CPU 核心。 - 第二，去睡觉，让某件事在答案到达的那一刻唤醒你。这才是真实运行时的做法，这引出了一个问题：谁告诉你时机到了？ 这就是 `Waker` 的全部工作。future 知道它在等待什么：它发起了数据库调用，它持有了 socket——意味着它持有回复会到达的实际网络连接。你的轮询器不知道；对它来说，future 是一个黑盒子，只有一个 `poll` 按钮，因此它无法知道什么时候值得再次轮询。 所以 `poll` 把 `Waker` 交给 future（藏在 `Context` 内）。`Waker` 是一个回调，意思是“当我能继续前进时唤醒我”。future 把它注册到它所阻塞的东西上——计时器或回复会到达的网络连接——然后返回 `Pending`。一旦那个东西准备好，它就会触发 waker。waker 唤醒轮询器，轮询器再次轮询 future。 在 cx 内部有一个 Waker，画成一个铃铛。轮询器把铃铛交给 future，future 把它留在它等待的东西（支付提供商）那里，然后返回 Pending，轮询器进入睡眠。当提供商准备好时，它摇响铃铛，唤醒轮询器再次轮询 future。 ### 输出 每次 `poll` 的结局恰好是两种答案之一：`Ready(value)`，其中 value 是 future 的 `Output`——它最终产生的任何东西（一个 `Order`、一个 `u32`、一个 `String`）；或者 `Pending`，表示还没完成。`Ready` 结束循环；`Pending` 让你回到睡眠，直到下一次唤醒。 poll 返回 future 的 Output 的 Poll 枚举：要么是 Ready 携带 Output 值，要么是 Pending 表示尚未完成。Ready 结束循环；Pending 回到睡眠直到下一次唤醒。 --- ## 构建一个单向通道 我们已经认识了 async 的三个运动部件：`Future`、驱动它的 `poll`，以及指示何时再次轮询的 `Waker`。现在让我们把它们应用到一个实际问题中。想象一个 web 服务器后端……