Rust 中 async/.await 的原理是什么？

推荐答案

在 Rust 中，async/.await 是一种用于编写异步代码的语法糖。async 关键字用于定义一个异步函数或块，而 .await 用于在异步函数中暂停执行，直到某个异步操作完成。

原理概述

1. 异步函数：当你在函数前加上 async 关键字时，Rust 会将这个函数转换为一个状态机。这个状态机可以在执行过程中暂停和恢复。

2. Future Trait：Rust 中的异步操作是通过 Future trait 来实现的。Future 表示一个可能尚未完成的计算，它有一个 poll 方法，用于检查计算是否完成。

3. .await：当你在异步函数中使用 .await 时，Rust 会生成代码来调用 Future 的 poll 方法。如果 Future 尚未完成，.await 会暂停当前函数的执行，并将控制权返回给调用者。当 Future 完成时，函数会从暂停的地方继续执行。

4. 执行器（Executor）：异步代码需要一个执行器来驱动 Future 的执行。执行器会不断地调用 Future 的 poll 方法，直到 Future 完成。

本题详细解读

异步函数与状态机

当你定义一个 async 函数时，Rust 编译器会将其转换为一个状态机。这个状态机包含了函数的所有可能执行路径，并且可以在执行过程中暂停和恢复。每个 .await 点都会生成一个状态，表示函数在该点的暂停状态。

async fn example() {
    let result = some_async_function().await;
    println!("{}", result);
}

在这个例子中，example 函数会被转换为一个状态机，其中包含两个状态：一个是在 some_async_function().await 之前的初始状态，另一个是在 .await 之后的暂停状态。

Future Trait

Future trait 是 Rust 异步编程的核心。它定义了一个 poll 方法，用于检查异步操作是否完成。poll 方法返回一个 Poll 枚举，表示异步操作的状态：

• Poll::Pending：表示异步操作尚未完成。
• Poll::Ready(T)：表示异步操作已完成，并返回结果 T。

pub trait Future {
    type Output;
    fn poll(self: Pin<&mut Self>, cx: &mut Context<'_>) -> Poll<Self::Output>;
}

.await 的工作原理

当你在异步函数中使用 .await 时，Rust 会生成代码来调用 Future 的 poll 方法。如果 Future 返回 Poll::Pending，.await 会暂停当前函数的执行，并将控制权返回给调用者。当 Future 完成时，函数会从暂停的地方继续执行。

async fn example() {
    let result = some_async_function().await;
    println!("{}", result);
}

在这个例子中，some_async_function().await 会调用 some_async_function 返回的 Future 的 poll 方法。如果 Future 尚未完成，.await 会暂停 example 函数的执行。

执行器（Executor）

异步代码需要一个执行器来驱动 Future 的执行。执行器会不断地调用 Future 的 poll 方法，直到 Future 完成。常见的执行器包括 tokio 和 async-std。

#[tokio::main]
async fn main() {
    example().await;
}

在这个例子中，tokio::main 宏会生成一个执行器，并驱动 example 函数的执行。

总结

Rust 中的 async/.await 通过将异步函数转换为状态机，并使用 Future trait 和 .await 语法来实现异步编程。执行器负责驱动 Future 的执行，使得异步代码能够在 Rust 中高效运行。