【译】Async/Await（五）—— Executors and Wakers

原文标题：Async/Await

原文链接：https://os.phil-opp.com/async-await/#multitasking

公众号： Rust 碎碎念

翻译 by： Praying

Executors and Wakers

使用 async/await，可以让我们以一种全完异步的方式来与 future 进行更为自然地协作。然而，正如我们之前所了解到的，future 在被轮询之前什么事也不会做。这意味着我们必须在某个时间点上调用poll，否则异步的代码永远都不会执行。

对于单个的 future，我们总是通过使用一个循环手动地等待每个 future。但这种方式十分地低效，且对于一个创建大量 future 的程序来讲也不适用。针对这个问题的最常见的解决方式是定义一个全局的executor

Executors（执行器）

executor 的作用在于能够产生 future 作为独立的任务，通常是通过某种spawn方法。接着 executor 负责轮询所有的 future 直到它们完成。集中管理所有的 future 的巨大优势在于，只要当一个 future 返回Poll::Pending时，executor 就可以切换到另一个 future。因此，异步操作可以并行执行并且 CPU 始终保存繁忙。

许多 executor 的实现充分利用 CPU 多核心的优势，它们创建了一个线程池^[1]，该线程池能够在工作足够多的情况下充分利用所有的核心，并且使用类似work stealing^[2]的方式在核心之间进行负载均衡。还有针对嵌入式系统优化了低延迟和内存负载的特殊的 executor 实现。

为了避免重复轮询 future 的负担，executor 通常会充分利用由 Rust 的 future 支持的 waker API。

Waker

Waker API 背后的设计理念是，一个特定的Waker^[3]类型，包装在Context类型中，被传递到poll的每一次执行。这个Waker类型由 executor 创建，并且可以被异步任务用来通知自己的完成。因此，executor 不需要在一个 future 返回Poll::Pending之前对其调用poll，直到它被对应的 waker 调用。

这可以通过一个小例子来阐述：

async fn write_file() {
    async_write_file("foo.txt", "Hello").await;
}

这个函数异步地把一个字符串“Hello”写入到文件foo.txt中。因为硬盘写入需要一点儿时间，所以 future 上的第一次poll调用很大可能返回Poll::Pending。尽管如此，硬盘驱动将把传递给poll调用的Waker存储起来，并在当文件被完全写入磁盘后使用它来提醒 executor，通过这种方式，executor 在收到 waker 提醒之前不需要浪费时间一次又一次地去轮询这个 future。

当我们在后面的章节实现自己的支持 waker 的 executor 时，我们就会看到Waker类型更详细的工作原理。

协作式多任务？

在本文（系列）开头，我们讨论了抢占式和协作式多任务。抢占式多任务依赖于操作系统在运行中的任务间进行强制切换，协作式多任务则需要任务通过一个yield操作自愿放弃对 CPU 的控制权。协作式多任务的巨大优势在于，任务可以自己保存自身状态，从而产生更为高效的上下文切换，并使得在任务间共享相同的调用栈成为可能。

虽然看上去可能不太明显，但是 future 和 async/await 是一种协作式多任务模式的实现：

每个被添加到 executor 的 future 是一个协作式任务。
不同于显式的yield操作，future 通过返回Poll::Pending（或者是结束时的Poll::Ready）来放弃对 CPU 核心的控制权。
- 没有什么可以强制让 future 放弃 CPU，future 可以永远不从poll里面返回，例如，无限循环。
- 因为每个 future 都能阻塞 executor 中其他 future 的执行，所以我们需要确信它们不是恶意的。
Futures 内部存储了需要在下次poll调用继续执行所需的所有状态。通过 async/await，编译器会自动探测所有需要的变量并将其存储在生成的状态机内部。
- 只保存继续执行需要的最小状态
- 因为poll方法在返回时放弃了调用栈，所以同一个栈可以被用于轮询其他的 future。

我们可以看到，future 和 async/await 完美契合协作式多任务模式，它们只是用了一些不同的技术。接下来，我们将会交替使用“任务（task）”和“future”。

参考资料

[1]

线程池: https://en.wikipedia.org/wiki/Thread_pool

[2]

work stealing: https://en.wikipedia.org/wiki/Work_stealing

[3]

Waker: https://doc.rust-lang.org/nightly/core/task/struct.Waker.html

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