Rust：Future、async 异步代码机制示例与分析

0. 异步、并发、并行、进程、协程概念梳理

Rust 的异步机制不是多线程或多进程，而是基于协程（或称为轻量级线程、微线程）的模型，这些协程可以在单个线程内并发执行。这种模型允许在单个线程中通过非阻塞的方式处理多个任务，从而实现高效的并发。

关于"并发"和"并行"的区别，这是两个经常被提及但含义不同的概念：

并发（Concurrency）：指的是同时处理多个任务的能力，这些任务可能在同一时间点开始、执行或结束，但不一定同时在物理硬件上执行。在单线程环境中，通过切换任务（例如，通过协程或事件循环）可以实现并发。
并行（Parallelism）：指的是同时执行多个任务，通常是在不同的处理单元（如CPU核心）上同时进行。这确实需要多线程或多进程环境，或者利用GPU、TPU等其他并行处理硬件。

Rust的异步机制非常适合处理高并发的I/O密集型任务，因为它可以有效地利用单个线程来处理多个任务，避免线程切换的开销，并通过非阻塞I/O减少等待时间。然而，它并不直接提供并行计算能力，即在多个物理处理单元上同时执行任务的能力。

对于需要并行计算能力的场景（例如，CPU密集型任务，如科学计算、大数据分析或图形渲染），Rust程序员通常会使用其他方法，如：

使用多线程 ：通过Rust的标准库中的thread模块或其他并发原语（如crossbeam、rayon等第三方库）来创建和管理多个线程。
利用并行计算库 ：例如，使用OpenMP绑定的rust-omp库，或者使用专门为并行计算设计的语言和框架。
GPU加速 ：对于某些特定类型的计算密集型任务，可以利用GPU的并行处理能力，这通常需要使用专门的库（如cuda-sys用于CUDA编程）。

因此，虽然Rust的异步机制非常适合处理高并发的I/O密集型任务，但它本身并不直接支持并行计算。对于需要并行处理能力的场景，Rust程序员需要结合其他技术或库来实现。

1. Future

在Rust中，使用Future trait通常与.await语法结合，使得异步代码的编写和理解更加直观。以下是一个简单的例子，展示了如何定义一个实现Future trait的结构体，并使用.await来等待它的完成。

首先，请注意，直接实现Future trait是比较低级的操作，通常你会使用像async函数这样的高级抽象来间接创建Future。不过，为了教学目的，下面是一个简单的Future实现示例：

rust 复制代码

use std::future::Future;
use std::pin::Pin;
use std::task::{Context, Poll};

// 定义一个简单的Future结构体
struct SimpleFuture {
    value: Option<i32>,
}

// 为SimpleFuture实现Future trait
impl Future for SimpleFuture {
    type Output = i32;

    fn poll(mut self: Pin<&mut Self>, cx: &mut Context<'_>) -> Poll<Self::Output> {
        // 在这个例子中，我们简单地假设Future已经完成，并返回一个固定的值
        if let Some(value) = self.value.take() {
            Poll::Ready(value) // 表示Future已经完成，并返回结果
        } else {
            Poll::Pending // 表示Future还未完成
        }
    }
}

// 创建一个异步函数，它使用我们定义的SimpleFuture
async fn async_main() {
    // 创建一个新的SimpleFuture实例，这里我们初始化value为Some(42)，意味着这个Future已经完成
    let future = SimpleFuture { value: Some(42) };

    // 使用.await语法等待Future完成，并获取结果
    let result = future.await;
    println!("Future result: {}", result);
}

fn main() {
    // 在实际的Rust程序中，你需要一个运行时来执行异步代码，如tokio或async-std。
    // 这里为了简化，我们仅展示了Future的定义和使用，没有涉及具体的运行时。
    // 下面的代码块是伪代码，表示如何在一个异步运行时中执行async_main函数。
    // 假设的异步运行时执行函数
    // run_async(async_main()).unwrap();
}

// 注意：要运行上面的异步代码，你需要集成一个异步运行时（如tokio或async-std），
// 并且使用适当的函数来启动异步任务。上面的`main`函数仅作为示意，并非实际可运行的代码。

2. async

在上面的代码中，SimpleFuture结构体实现了一个最简单的Future。然而，在实际应用中，你几乎总是会使用async函数和.await语法来编写异步代码，而不是直接实现Future trait。async函数会自动生成一个实现Future trait的类型，你无需手动实现它。

例如，下面是一个使用async函数的更实用的例子：

rust 复制代码

use std::time::Duration;

#[tokio::main] // 使用tokio运行时
async fn main() {
    let result = do_something_async().await;
    println!("Async operation result: {}", result);
}

async fn do_something_async() -> i32 {
    // 模拟一个耗时的异步操作，比如网络请求或数据库查询
    tokio::time::sleep(Duration::from_secs(1)).await; // 等待1秒
    42 // 返回某个结果
}

在这个例子中，do_something_async是一个async函数，它返回一个Future，该Future在1秒后解析为值42。我们使用tokio运行时来执行这个异步代码。注意，为了运行此代码，你需要在你的Cargo.toml中添加tokio作为依赖项。

3. 如何在异步代码执行期间做其他工作

在Rust的异步编程中，如果你想在do_something_async执行期间做其他事情，你可以使用tokio::spawn来并发地运行多个异步任务。这样，你可以在等待一个任务完成的同时执行其他任务。下面是一个示例代码，展示了如何在do_something_async执行期间执行另一个异步任务：

rust 复制代码

use std::time::Duration;
use tokio::task;

#[tokio::main]
async fn main() {
    // 使用tokio::spawn并发运行do_something_async
    let handle = task::spawn(do_something_async());
    
    // 在此期间，你可以执行其他任务
    println!("Doing something else while waiting for the async operation...");
    tokio::time::sleep(Duration::from_secs(2)).await; // 模拟其他耗时操作，比如等待2秒
    println!("Other task completed.");
    
    // 现在等待之前的异步操作完成并获取结果
    let result = handle.await.unwrap(); // handle.await 返回 Result<T, JoinError>，我们需要unwrap来获取结果
    println!("Async operation result: {}", result);
}

async fn do_something_async() -> i32 {
    // 模拟一个耗时的异步操作
    tokio::time::sleep(Duration::from_secs(3)).await; // 假设这个操作需要3秒
    42 // 返回结果
}

在这个例子中，do_something_async函数被tokio::spawn调用，从而在一个单独的异步任务中执行。主任务在do_something_async执行的同时，进行了一些其他操作（在这个例子中，是等待了2秒钟）。之后，主任务通过handle.await等待do_something_async的完成，并获取其结果。

请注意，tokio::spawn返回的是一个JoinHandle，它代表了一个独立的异步任务。通过在这个JoinHandle上调用.await，你可以等待该任务完成，并获取其返回值（如果存在的话）。在这个例子中，do_something_async返回一个i32类型的值，所以我们通过handle.await.unwrap()来获取这个值。如果异步任务在执行过程中发生了panic，那么handle.await会返回一个Err(JoinError::Panic(...))。

4. tokio::spawn

那么上面例子中，tokio::spawn 是通过启动新线程实现的异步机制吗？

在Tokio中，tokio::spawn并不会直接启动新的线程。相反，它会在Tokio的运行时中异步地调度和执行任务。Tokio的运行时是一个基于异步I/O和多任务调度的系统，它通常使用少量的线程（通常与系统的CPU核心数相匹配）来高效地处理大量的并发任务。

当你调用tokio::spawn时，你提交的任务会被放入Tokio的任务队列中，等待被运行时中的某个工作线程执行。这些工作线程是Tokio运行时在初始化时创建的，并且会被复用来执行多个任务。因此，tokio::spawn本身不会为每个任务创建新的线程，而是利用现有的线程池来并发执行多个任务。

这种基于异步I/O和事件驱动的并发模型，使得Tokio能够在少量线程上高效地处理大量并发连接和任务，从而实现高吞吐量和低延迟的I/O操作。

5. 同一线程内的多个异步任务

给个具体例子：

rust 复制代码

use tokio::join; // 用于同时等待多个异步任务完成

#[tokio::main] // 使用Tokio运行时
async fn main() {
    // 定义两个异步任务
    let task1 = async {
        // 模拟异步操作，比如网络请求或文件读取
        tokio::time::sleep(tokio::time::Duration::from_secs(2)).await;
        println!("Task 1 completed");
        1 // 返回任务结果
    };

    let task2 = async {
        // 另一个模拟的异步操作
        tokio::time::sleep(tokio::time::Duration::from_secs(1)).await;
        println!("Task 2 completed");
        2 // 返回任务结果
    };

    // 使用join!宏来等待两个任务同时完成
    let (result1, result2) = join!(task1, task2);

    // 输出结果
    println!("Result of task 1: {}", result1);
    println!("Result of task 2: {}", result2);
}

在上面的例子中，我们定义了两个异步任务task1和task2，每个任务都会等待一段时间（模拟异步I/O操作）然后打印一条消息并返回一个结果。通过使用join!宏，我们可以同时等待这两个任务完成，并且获取它们的结果。

当你运行这个程序时，你会看到task2比task1更早完成，因为它等待的时间更短。这展示了如何在单个线程中通过Tokio运行时并发执行多个异步操作。

请注意，虽然这些异步任务在逻辑上是并发的，但它们实际上是在单个线程上通过协程切换来执行的。Tokio运行时负责调度这些任务，使它们能够高效地共享线程资源。