Rust 异步中的 Waker

Rust语言圣经中关于 Waker 的描述是很不完整的，导致新手不可能从中看懂 Waker 在实际应用中真正的工作方式。本文旨在对这部分内容做一个补充，帮助新手了解 "Rust 异步生态是如何基于 Rust 编译器提供的能力建立的" 。

如果你读了圣经，还不清楚 Rust 中 async/.await 的工作原理，不知道编译器在其中做了什么，不知道执行器是用来 poll Future 的，可以去读读Rust 异步编程基础这篇。但这篇中没有提到 Waker 的作用。

还有我特别推荐一个开源仓库hexagonal-sun/trale: Tiny Rust Async Linux Executor，是一个难得的兼具简单易懂和符合实际情况两种特性的 Rust 异步执行器的实现。你对 Rust 异步底层有什么问题，都可以去看看，不费太大功夫，很可能能解答你的问题！

Waker 基础概念

因为 Rust 异步中和 Waker 相关相似的概念比较多，容易混淆，所以先罗列梳理一下

有一个 Trait 叫 Wake，它有一个方法叫 wake

rust 复制代码

impl Wake for TaskId {
    fn wake(self: Arc<TaskId>) {
        EXEC.with(|exec| {
            let mut exec = exec.borrow_mut();
            if let Some(task) = exec.waiting.try_remove(self.0.load(Ordering::Relaxed)) {
                exec.run_q.push(task);
            }
        });
    }
}

有一个结构体叫 Waker，Waker 有一个 from 方法，可以利用 Impl Wake 的对象生成 Waker。Waker 还有一个 wake 方法，wake 方法内部其实在调用用于生成 Waker 的 Impl Wake 对象的 wake 方法。

rust 复制代码

let waker = Waker::from(task.id.clone());

waker.wake();

有一个结构体叫 Context，Context 有一个 from_waker 方法，从 Waker 的引用中生成 Context。Context 有一个 waker() 方法，用于获取用于生成 Context 的 Waker 的引用。

rust 复制代码

let waker = Waker::from(task.id.clone());

let mut cx = Context::from_waker(&waker);

cx.waker();

是不是真挺绕的。

异步库、执行器和 Waker

回顾一下关于 async/.await、Future 和执行器的知识。Future 是标准库定义的一个 trait，有一个 poll 方法。async 指定的代码块会被编译器编译成一个 Future，代码块执行的逻辑被编译器处理后（形成一个状态机）放到 poll 方法里。.await 只能在 async 中使用，通过 .await 调用其他 async 块或 Future，编译器把 .await 转化为对 Future 的 poll，所以编译器生成的 Future poll 中，外层 Future 的 poll 内部会 poll 内层的 Future，直至最内一层的 Future。最外层的 async 或者 Future 会被放入执行器，执行器负责不断 poll Future，直至其返回完成的状态。

重点： poll 方法有一个参数 Context，执行器在 poll 最外层 Future 时会传入一个 Context。这个 Context 是编写执行器代码的人通过上面的 from_waker 之类的方法构造的 。最外层的 Future 的 poll 方法内部有编译器生成的 poll 内层 Future 的代码，poll 内层 Future 时，会把这个 Context 传下去，传到最底层的 Future。最底层的 Future 是编写执行器的人手工实现的（不是编译器通过 async/.await 生成的），其 poll 方法内部会利用 Context 找到 Waker。这个最底层 Future 一般用于调用阻塞或者异步的系统 IO，比如 send/recv，如果 IO 不能立即响应，此 Future 会让执行器等待 IO 响应（通过 OS 提供的功能比如 epoll，io_uring），并将 Waker 注册给执行器，再向外层返回 Pending，通过返回值，执行器得知 Future 没有完成。执行器在没有 Future 可 poll 的时候就等待 OS（epoll, io_uring）的反馈，得到阻塞或异步的 IO 可以继续推进的响应后，就找到此 IO 对应的 Waker（由刚刚的底层 Future 注册），调用 Waker.wake() 将外层 Future 重新放回执行器的待 poll 队列中。**这里的 Waker.wake 也是编写执行器的人负责实现的。**到此，执行器才能异步地调度上层用户随意实现的 Future。
引用自 hexagonal-sun/trale: Tiny Rust Async Linux Executor

圣经只告诉我们 Waker.wake() 告知执行器 Future 可以继续执行，没有告诉我们这是如何做到的。实际上，只有底层 Future，Waker，Executor 三者利用 OS 协同工作，才能做到上文中的：1. 底层 Future 告知 Executor 等待特定事件，并将 Waker 与事件绑定注册给 Executor；2. Executor 知道从哪里等待 IO 事件的更新，从哪里获取 Future 注册的 Waker；3. Waker.wake() 能将 Future 重新交给 Executor。之所以他们能完成这么复杂的协同，是因为底层 Future，Waker，Executor都是同一伙人编写的，（目前为止）并非协商好特定接口就能做到的。

这就引出一个额外的问题，我们使用的上层异步库，比如LinkBond in rtnetlink - Rust，这种顶层 async 或 Future 也是编 Executor 那帮人实现的吗？并非如此，第三方的人也可以自行实现上层异步库，不过你必须要选择一个 Executor 作为你的执行器，并用该 Executor 提供的底层异步 IO Future。反过来，如果你用了一个 Executor 的底层异步 IO Future，你就不能用其他 Executor 作为你的执行器了！

有一篇博客 Portable and interoperable async Rust证实了上述理论：

讨论

在最初使用 Rust 异步库时，我以为随意挑选一个执行器即可，但想不明白在这种情况下 Waker 是怎么工作的，异步库实现的 Future 怎么知道如何将 Waker 注册给执行器，在它甚至不知道用哪个执行器的情况下？在我了解到实际情况后，感叹道，原来 Rust 中一个执行器就代表一个异步生态，而执行器就是异步生态的核心。编写执行器需要负责的内容要比想象的多。 当时觉得是不是这种上层库和执行器的绑定太不灵活了，怪不得Portable and interoperable async Rust这篇博客呼吁搞一个统一的执行器让上下层分离。但转念一想，比如 C++ 的 Boost.asio 也是一个异步库，干脆同时实现了上层接口和底层执行器，根本没想把执行器这个概念单拎出来，所以 Rust 虽然可能做的还不够，但做的也不少了。