08-异步编程的底层机制

异步编程的底层机制

原理

Rust 异步运行时基于协作式调度（cooperative scheduling）。async fn 在编译时被转换为实现了 Future trait 的状态机——每个 .await 点对应状态机的一个状态。

Future trait 的 poll(self: Pin<&mut Self>, cx: &mut Context) -> Poll<Self::Output> 方法被 executor 调用。Future 返回 Poll::Pending 表示未就绪，并通过 cx.waker().wake() 注册回调；返回 Poll::Ready(v) 表示完成。

Pin 保证 Future 在内存中不移动（自引用结构体的安全要求）。编译器生成的匿名类型包含所有跨 .await 的局部变量。

Executor（如 tokio）内部维护就绪队列和 IO 事件循环（epoll/io_uring）。tokio::spawn 将 Future 提交到线程池的任务队列中。

与 OS 线程对比：异步 Task 切换无内核参与（用户态切换），单个线程可管理数万个并发连接（C10K/C100K 问题解决）。

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语法

// async fn — 编译器自动生成 Future 状态机
async fn fetch_url(url: &str) -> Result<String, Error> {
    let resp = reqwest::get(url).await?;
    resp.text().await
}
 
// tokio 运行时
#[tokio::main]
async fn main() {
    let result = fetch_url("https://example.com").await.unwrap();
    println!("{}", result);
}
 
// 并发等待
let (a, b) = tokio::join!(task1(), task2());
 
// select — 竞态
tokio::select! {
    result = task_a() => { println!("a: {:?}", result); }
    result = task_b() => { println!("b: {:?}", result); }
    _ = tokio::signal::ctrl_c() => { println!("interrupted"); }
}

Future 状态机展开（概念）

// async fn example(x: i32) -> i32 {
//     let a = do_a(x).await;
//     let b = do_b(a).await;
//     b + 1
// }
// 展开为枚举：
// enum ExampleFuture { State0 { x: i32 }, State1 { a_future: ... }, ... }
// impl Future for ExampleFuture {
//     fn poll(mut self: Pin<&mut Self>, cx: &mut Context) -> Poll<i32> { ... }
// }

异步模型	线程	Future
调度	OS 抢占	用户态协作
上下文切换	~1μs (内核)	~20ns (函数调用)
栈空间	2MB+	编译期确定（小）
并发数	数千	百万级
开销	高	极低

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实践

AI 自检

1. Pin<&mut Self> 为何是 Future trait 的必要约束？自引用问题如何产生？
2. epoll 和 io_uring 的区别？io_uring 如何进一步减少系统调用开销？