第17章 异步编程基础：Async、Await、Future 与 Stream

译文 · 基于 The Rust Programming Language（rustc 1.97.1）

异步编程基础：Async、Await、Future 与 Stream

原文链接: https://doc.rust-lang.org/stable/book/ch17-00-async-await.html

　　我们让计算机执行的许多操作都可能耗时较长。若能在等待这些长时间任务完成时去做别的事，就再好不过了。现代计算机提供了两种同时推进多项工作的技术：并行（parallelism）与并发（concurrency）。然而，程序的逻辑大多仍按线性方式书写。我们希望能描述程序应执行哪些操作，以及函数可以在何处暂停、转而运行程序的其他部分，而不必事先精确规定每一段代码的运行顺序与方式。异步编程（asynchronous programming）正是这样一种抽象：用可能的暂停点与最终结果来表达代码，并把协调细节交给底层去处理。

　　本章在第 16 章用线程实现并行与并发的基础上，介绍另一种写法：Rust 的 Future、Stream，以及用于表达异步操作的 async 与 await 语法，还有实现异步运行时（runtime）的第三方 crate——运行时负责管理与协调异步操作的执行。

　　先看一个例子。假设你正在导出一段家庭庆祝活动的视频，这一过程可能耗时数分钟到数小时。视频导出会尽可能吃满 CPU 与 GPU。若只有一个 CPU 核心，且操作系统在导出完成前从不打断它——也就是说，导出是同步（synchronously）执行的——那么在这项任务运行期间你就无法在电脑上做任何别的事。那会非常令人沮丧。幸好，操作系统会频繁、无形地打断导出，好让你同时完成其他工作。

　　再假设你在下载别人分享的视频：同样可能较慢，但占用的 CPU 时间并不多。此时 CPU 需要等待网络数据到达。数据一开始到达就可以开始读取，但全部到齐可能还要一段时间。即便数据都齐了，若视频很大，完整加载也可能需要一两秒。听起来不长，但对每秒能完成数十亿次运算的现代处理器来说，这已经非常久了。同样，操作系统会无形地打断你的程序，好让 CPU 在等待网络调用完成时去做别的事。

　　视频导出是CPU 密集型（CPU-bound）或计算密集型（compute-bound）操作的例子：受限于 CPU/GPU 的数据处理能力，以及能分给该任务的份额。视频下载则是I/O 密集型（I/O-bound）操作：受限于计算机输入与输出的速度，只能和网络传数据一样快。

　　在这两个例子里，操作系统的无形打断提供了一种并发。不过这种并发只发生在整个程序这一层：操作系统打断一个程序，好让别的程序干活。很多时候，我们对程序的理解比操作系统更细粒度，因此能发现操作系统看不到的并发机会。

　　例如，若我们在做下载管理工具，就应写成启动一次下载不会卡住界面，且用户可以同时开始多次下载。但许多与网络交互的操作系统 API 是阻塞（blocking）的：也就是说，在它们处理的数据完全就绪之前，它们会挡住程序继续前进。

注意：细想之下，大多数函数调用其实都是这样工作的。不过，阻塞一词通常留给与文件、网络或计算机上其他资源交互的调用，因为正是在这些场景下，单个程序会从非阻塞操作中受益。

　　我们可以通过为每个文件派生专用线程来避免阻塞主线程。但那些线程占用的系统资源开销最终会成为问题。更理想的情况是调用本身就不阻塞，而是定义一批希望程序完成的任务，让运行时选择最佳的执行顺序与方式。

　　这正是 Rust 的 async（asynchronous 的缩写）抽象所提供的。本章将围绕以下主题介绍 async：

• 如何使用 Rust 的 async 与 await 语法，并用运行时执行异步函数
• 如何用异步模型解决第 16 章中讨论过的同类挑战
• 多线程与 async 如何提供互补方案，并在许多场景下可以组合使用

　　在实际看到 async 如何工作之前，我们需要先简短区分并行与并发。

并行与并发

　　到目前为止，我们大体把并行与并发当作可互换的概念。现在需要更精确地区分它们，因为开始动手后差异就会显现出来。

　　设想一个团队如何拆分软件项目中的工作。你可以让一个人同时领多项任务，也可以每人一项，或两者混用。

　　当一个人在任一任务完成前就在多项不同任务之间切换推进时，这就是并发。一种实现并发的方式，好比电脑上同时检出了两个项目：对一个项目感到无聊或卡住时，就切到另一个。你只有一个人，无法在同一瞬间同时推进两件事，但可以多任务切换，一次推进一项（见图 17-1）。

　　当团队把一组任务拆开，让每人单独负责一项时，这就是并行。团队中每个人可以在同一瞬间推进工作（见图 17-2）。

　　在这两种工作流里，你都可能需要在不同任务之间协调。也许你以为分给某人的任务与其他人完全无关，实际上却要等另一人先完成。有些工作可以并行，有些其实是串行（serial）的：只能一个接一个进行，如图 17-3。

　　同样，你也可能发现自己的某项任务依赖另一项任务。于是你的并发工作也变成了串行。

　　并行与并发还会彼此交织。若你得知同事卡在等你完成某项任务，你多半会全力投入该项任务以便“解封”对方。此时你们无法再并行工作，你也无法再并发地推进自己的其他任务。

　　软件与硬件中也有同样的基本动态。在只有单个 CPU 核心的机器上，CPU 一次只能执行一个操作，但仍然可以并发工作。借助线程、进程与 async 等工具，计算机可以暂停一项活动、切换到其他活动，最终再回到第一项。在多核机器上，还可以真正并行：一个核心做一件事，另一个核心做完全无关的另一件事，这些操作实际同时发生。

　　在 Rust 中运行 async 代码通常是并发的。取决于硬件、操作系统以及所用的异步运行时（稍后详述），这种并发在底层也可能用到并行。

　　接下来，让我们深入看看 Rust 中的异步编程究竟如何运作。