Rust语言异步编程详解：从基础概念到Tokio运行时
Rust语言异步编程详解：从基础概念到Tokio运行时
Rust语言以其内存安全和高性能的特点，在系统编程领域备受关注。异步编程作为现代编程的重要特性之一，Rust提供了完善的异步编程支持。本文将从基础概念出发，深入讲解Rust中的异步模型、Tokio运行时的工作原理，并通过具体代码示例帮助读者理解Rust异步编程的核心机制。
通识内容
异步和多线程
异步即在不阻塞其他任务执行的情况下，并发执行多个任务，且可以在仅有几个工作线程或仅有主线程下使用。多线程则是不同的线程执行不同的任务，每个线程各司其职，或有线程间的上下文切换。简单来说：异步多数用在大量IO并发时，而多线程更适合于有大量CPU密集型任务时使用（配合线程池）。
线程用于并行工作，异步用于并行等待
Rust中的异步模型
Rust中天然支持异步编程，使用await和async关键字，将普通函数转变为异步函数，并通过Tokio crate的runtime环境进行轮询、切换和执行，让异步编程写起来与同步代码几乎无差别。
Rust中异步模型的概述
Rust中的异步模型，实际上是使用Future（能产出值的异步计算），通过轮询、挂起、唤醒、执行等操作来实现异步，runtime依赖Tokio。
什么是Tokio
Tokio是一个Rust异步运行时库，底层基于epoll/kqueue这样的跨平台多路IO复用以及event loop，目前正在支持io_uring。其线程会执行task，可以充分利用多核，而Task线程是Rust基于Future抽象出的一种绿色线程，因为不需要预先分配多余的栈内存，可以创建大量的Task，很适合做IO密集型应用。
Tokio runtime的任务流转
关键点：Future中的poll，Reactor，Executor，Waker，Pending，Ready，PIN，!Unpin
- async函数会在await时生成Future，并被主动轮询一次，如果其执行完毕，则状态被标记为Ready并在调用处即返回其值，并结束。
- 若没有执行结束，则被标记为Pending并会被执行器推入任务执行队列，另一方面则会挂载到events上，如epoll的红黑树等待Waker
- 当有Waker Ready时则会激活poll event(即所有被Waker的任务)，轮询(Waker events)并依次执行，执行成功的任务会由Pending转换为Ready，进而执行完毕从任务侧去除。
- 而未能执行完毕的任务则会继续留存于events中，等待下一次的Waker唤醒。
- 直到所有任务全部执行完成。
Executor执行器会管理一批 Future (最外层的 async 函数)，然后通过不停地 poll 推动它们直到完成。 最开始，执行器会先 poll 一次 Future ，后面就不会主动去 poll 了，而是等待 Future 通过调用 wake 函数来通知它可以继续，它才会继续去 poll 。这种 wake 通知然后 poll 的方式会不断重复，直到 Future 完成。
即执行器负责执行最外层async函数，或主动一次推动，或被动Waker唤醒，Poll则是具体的推动某一个Future的执行。
从代码实现角度看Rust中的异步(Tokio)
Rust中的Future定义：
trait Future {
type Output;
fn poll(
// 首先值得注意的地方是，`self`的类型从`&mut self`变成了`Pin<&mut Self>`:
self: Pin<&mut Self>,
// 其次将`wake: fn()` 修改为 `cx: &mut Context<'_>`:
cx: &mut Context<'_>,
) -> Poll<Self::Output>;
}
- Output: 异步函数的返回值类型
- Future推动者
- Pin<&mut Self>，固定其在内存中的内存地址(为避免自引用类型在Future被移动时失效)
- &mut Context<'_>,通过提供一个Waker类型的值，即可唤醒特定的任务执行
- PollSelf::Output 返回值类型。
pin的主要作用即将一个数据值pin在内存的固定位置,标记过unpin的数据，即便使用了Pin依然无法固定内存地址。
pin对应!unpin,在Rust中，开发者熟知的数据类型均默认实现了unpin。Pin是一个struct，而unpin是一个trait
#[tokio::main]的作用是什么
Rust的main函数可以是异步函数吗？
不可以，Rust中的异步是惰性的，被动的，而main函数是需要主动执行的。tokio是一个过程宏，tokio runtime需要在主要功能启动之前就启动，然后使用这个异步运行时来控制整个应用程序的运行。我们来看一些其真面目：
过程宏可以用编译器扩展宏，可以使用如下方式：
cargo install cargo-expand
通常我们在开发环境中使用的都是stable版本，而cargo-expand依赖nightly编译器来扩展宏，所以还需要自己安装nightl编译器。
rustup toolchain install nightly --allow-downgrade
最后我们通过命令行展开真正的main代码块：
cargo +nightly expand
展开后代码如下：
fn main() -> std::io::Result<()> {
...
tokio::runtime::Builder::new_multi_thread().enable_all().build().expect("Failed building the Runtime").block_on(...)
}
#[tokio::main]任务给了我们一种能够定义异步main函数的错觉，而在实际的原理中，它只是获取了异步main函数体，并且补充了必要的样板代码
，让它可以在tokio上运行。
参考文章
[1] https://github.com/sunface/tokio-course/blob/master/src/async.md
[2] https://course.rs/advance/async/future-excuting.html
[3] https://rustmagazine.github.io/rust_magazine_2021/chapter_12/monoio.html
[4] https://tokio.rs/tokio/tutorial
[5] https://course.rs/advance/async/pin-unpin.html
如有勘误，多谢指正。