Rust 异步机制 #
在现代计算机系统中，随着多任务处理和并发编程的普及，程序需要处理的任务越来越复杂，任务之间的依赖关系也变得越来越松散。传统的同步机制，即任务按照严格的顺序执行，前一个任务完成后才能开始后一个任务，已经无法满足高效处理多个并发任务的需求。因此，异步机制应运而生，它允许任务在不阻塞其他任务的情况下执行，从而提高了系统的整体性能和响应速度。
在C语言中，实现异步机制的方式虽然灵活多样，但也存在一些固有的缺点。
- 编程困难：异步编程需要在代码中处理多个任务之间的协作和同步，这增加了编程的复杂性。开发者需要仔细考虑异步任务之间的依赖关系、执行顺序以及错误处理，可能导致代码难以理解和维护。
- 调试困难：异步编程的执行流程是非线性的，这增加了调试的难度。由于异步任务可能在不同时间点触发和执行，调试时需要跟踪多个任务的状态和交互，使得调试过程更加繁琐和耗时。
- 代码可读性下降：异步编程通常涉及回调函数、事件监听等结构，这些结构可能导致代码的可读性下降。回调函数的嵌套使用（即“回调地狱”）可能使代码结构变得混乱，难以阅读和理解。
- 代码可维护性下降：异步编程中的任务依赖关系和同步机制可能随着代码的发展而变得更加复杂，这增加了代码维护的难度。当需要修改或添加新的异步任务时，开发者需要仔细考虑对现有代码的影响，并确保新任务与现有任务之间的正确同步和协作。
而相对高阶的语言提供了对异步的原生支持，如C++和Rust，在语言层面对异步编程提供了支持，不依赖操作系统以及标准库，有着良好的移植性和兼容性。本章我们将详细介绍Rust语言对异步的支持。
Future #
Future，即未来值，是Rust异步编程中的一个核心概念。它代表了一个可能在将来某个时间点完成的操作或计算。Future并不是立即返回结果，而是返回一个可以在将来某个时刻获取结果的句柄。这个句柄可以被轮询（poll），以检查操作是否已经完成，并获取其结果。
Future在Rust中是一个trait，它定义了一个poll方法。这个方法尝试将Future解析为一个最终值。如果值尚未准备好，poll方法不会阻塞，而是会安排在当前任务能够进一步取得进展时再次轮询。Future的实现原理主要包括以下几个方面：
- 状态管理： Future内部维护了一个状态，表示当前操作是否已经完成。这个状态可能是“Pending”（待处理）、“Ready”（已就绪）或其他自定义状态。
- 轮询机制：
poll方法是Future的核心。当执行器（executor）轮询一个Future时，它会调用这个方法。如果Future已经就绪，poll会返回Poll::Ready(T)，其中T是Future的输出类型。如果Future尚未就绪，poll会返回Poll::Pending，并可能注册一个waker，以便在Future就绪时通知执行器。 - Waker：Waker是一个用于唤醒任务的结构体。当Future就绪时，它会使用Waker来通知执行器，以便执行器可以重新轮询这个Future并获取其结果。
- Context是传递给
poll方法的一个参数，它包含了Waker的引用。Future可以使用这个Context来注册waker。
async/await #
在Rust语言中，async和await关键字是异步编程的核心组成部分，它们为开发者提供了一种简洁而强大的方式来编写异步代码。
- async：
async关键字用于标记一个函数或方法为异步的。这意味着该函数或方法内部将使用await关键字来等待异步操作的完成，而不会阻塞当前线程的执行。异步函数在编译时会被转换为一个返回impl Future类型的函数。这个Future对象代表了异步操作的结果，并且可以在将来某个时刻变得可用。 - await：
await关键字用于在异步函数内部等待一个Future完成。它会暂停当前异步函数的执行，直到Future就绪并返回结果，然后继续执行后续的代码。使用await关键字可以使得异步代码看起来更像是同步代码，从而提高了代码的可读性和可维护性。
在Rust中，当使用async关键字定义一个异步函数时，编译器会将其转换为一个类似于生成器的结构，并返回一个Future对象。这个生成器对象可以挂起当前函数的执行，并记录等待的异步操作的状态。当异步操作完成并返回结果时，生成器会从其上次挂起的位置恢复执行，并返回结果给调用者。异步函数返回的Future对象实现了Future trait。Future trait定义了一组标准方法，用于管理异步操作的状态，并提供对异步操作结果的访问。
异步运行时 #
异步运行时（Async Runtime）在Rust异步编程中扮演着至关重要的角色，它负责调度和执行异步任务，并管理相关的资源。
异步运行时的核心原理是事件驱动和任务调度。它通过监听和响应事件来触发异步任务的执行，并使用任务队列来管理待处理的异步任务。当有新任务到来时，异步运行时会将其添加到任务队列中，并尝试从队列中取出任务来执行。如果当前没有可用的任务，异步运行时可能会进入休眠状态，直到有新的事件触发它再次醒来并继续执行任务。
值得注意的是，Rust语言及其核心库仅对Future和async/await有相关的支持，而对异步运行时没有标准的实现，给予了开发者强大的可定制性。