作者：謝敬偉，江湖人稱“刀哥”搂鲫，20年IT老兵傍药，數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)專家，電信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)師魂仍，目前任Netwarps開(kāi)發(fā)總監(jiān)拐辽。刀哥在操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)編程擦酌、高并發(fā)薛训、高吞吐、高可用性等領(lǐng)域有多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)仑氛，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)及編程等方面的新技術(shù)有濃厚的興趣乙埃。

Rust作為一門(mén)新興語(yǔ)言，主打系統(tǒng)編程锯岖。提供了多種編寫(xiě)代碼的模式介袜。2019年底正式推出了 async/await語(yǔ)法，標(biāo)志著Rust也進(jìn)入了協(xié)程時(shí)代出吹。下面讓我們來(lái)看一看遇伞。Rust協(xié)程和Go協(xié)程究竟有什么不同。

有棧協(xié)程 vs. 無(wú)棧協(xié)程

協(xié)程的需求來(lái)自于C10K問(wèn)題捶牢，這里不做更多探討鸠珠。早期解決此類問(wèn)題的辦法是依賴于操作系統(tǒng)提供的I/O復(fù)用操作巍耗，也就是 epoll/IOCP 多路復(fù)用加線程池技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。本質(zhì)上這類程序會(huì)維護(hù)一個(gè)復(fù)雜的狀態(tài)機(jī)渐排，采用異步的方式編碼炬太，消息機(jī)制或者是回調(diào)函數(shù)。很多用 C/C++ 實(shí)現(xiàn)的框架都是這個(gè)套路驯耻，缺點(diǎn)在于這樣的代碼一般比較復(fù)雜亲族，特別是異步編碼加狀態(tài)機(jī)的模式對(duì)于程序員是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。但是從另外一個(gè)角度看可缚，符合人類邏輯思維的操作方式卻恰恰是同步的霎迫。

考慮一個(gè)web server的場(chǎng)景：每次一個(gè)連接一般是請(qǐng)求下載一些數(shù)據(jù)，如果可以用一個(gè)線程來(lái)處理每一次新連接帘靡，那么這個(gè)內(nèi)部的代碼邏輯就可以用同步的方式一路寫(xiě)下來(lái)：首先接收數(shù)據(jù)知给，然后完成HTTP request解析。根據(jù)HTTP頭部的信息訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)描姚，然后將取得的結(jié)果封裝在HTTP response中炼鞠，返回給用戶，最后關(guān)閉連接轰胁。如果是這樣谒主，你會(huì)發(fā)現(xiàn)這里并不需要狀態(tài)機(jī)，也沒(méi)有什么回調(diào)函數(shù)赃阀，很可能也不需要定時(shí)器霎肯，整個(gè)的過(guò)程就是一個(gè)流水賬，而這正是人類最容易理解的思維方式榛斯。然而观游，我們不能簡(jiǎn)單地用多線程來(lái)解決C10K問(wèn)題，因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)的線程資源是很有限的驮俗，而且是昂貴的懂缕。操作系統(tǒng)會(huì)限制可以打開(kāi)的線程數(shù)，同時(shí)線程之間的切換開(kāi)銷也是比較大的王凑。

Go 有棧協(xié)程

Go語(yǔ)言的出現(xiàn)提供了一種新的思路搪柑。Go語(yǔ)言的協(xié)程則相當(dāng)于提供了一種很低成本的類似于多線程的執(zhí)行體。在Go語(yǔ)言中索烹，協(xié)程的實(shí)現(xiàn)與操作系統(tǒng)多線程非常相似工碾。操作系統(tǒng)一般使用搶占的方式來(lái)調(diào)度系統(tǒng)中的多線程，而Go語(yǔ)言中百姓，依托于操作系統(tǒng)的多線程渊额，在運(yùn)行時(shí)刻庫(kù)中實(shí)現(xiàn)了一個(gè)協(xié)作式的調(diào)度器。這里的調(diào)度真正實(shí)現(xiàn)了上下文的切換，簡(jiǎn)單地說(shuō)旬迹，Go系統(tǒng)調(diào)用執(zhí)行時(shí)火惊，調(diào)度器可能會(huì)保存當(dāng)前執(zhí)行協(xié)程的上下文到堆棧中。然后將當(dāng)前協(xié)程設(shè)置為睡眠奔垦，轉(zhuǎn)而執(zhí)行其他的協(xié)程屹耐。這里需要注意，所謂的Go系統(tǒng)調(diào)用并不是真正的操作系統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)用宴倍，而是Go運(yùn)行時(shí)刻庫(kù)提供的對(duì)底層操作系統(tǒng)調(diào)用的一個(gè)封裝张症。舉例說(shuō)明：Socket recv仓技。我們知道這是一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用鸵贬，Go的運(yùn)行時(shí)刻庫(kù)也提供了幾乎一模一樣的調(diào)用方式，但這只是建立在 epoll 之上的模擬層脖捻，底層的socket是工作在非阻塞的方式阔逼，而模擬層提供給我們了看上去是阻塞模式的socket。讀寫(xiě)這個(gè)模擬的socket會(huì)進(jìn)入調(diào)度器地沮，最終導(dǎo)致協(xié)程切換嗜浮。目前Go調(diào)度器實(shí)現(xiàn)在用戶空間，本質(zhì)上是一種協(xié)作式的調(diào)度器摩疑。這也是為什么如果寫(xiě)了一個(gè)死循環(huán)在協(xié)程里危融，則協(xié)程永遠(yuǎn)沒(méi)有機(jī)會(huì)被換出，一個(gè)Processor相當(dāng)于就被浪費(fèi)掉了雷袋。

有棧的協(xié)程和操作系統(tǒng)多線程是很相似的吉殃。考慮以下偽代碼：

func routine() int
{
    var a = 5
    sleep(1000)
    a += 1
    return a
}

sleep調(diào)用時(shí)楷怒，會(huì)發(fā)生上下文的切換蛋勺，當(dāng)前的執(zhí)行體被掛起，直到約定的時(shí)間再被喚醒鸠删。局部變量a 在切換時(shí)會(huì)被保存在棧中抱完，切換回來(lái)后從棧中恢復(fù)，從而得以繼續(xù)運(yùn)行刃泡。所謂有棧就是指執(zhí)行體本身的棧巧娱。每次創(chuàng)建一個(gè)協(xié)程，需要為它分配椇嫣空間家卖。究竟分配多大的棧的空間是一個(gè)技術(shù)活。分的多了庙楚，浪費(fèi)上荡，分的少了，可能會(huì)溢出。Go在這里實(shí)現(xiàn)了一個(gè)協(xié)程棧擴(kuò)容的機(jī)制酪捡，相對(duì)比較優(yōu)雅的解決了這個(gè)問(wèn)題叁征。另外一個(gè)問(wèn)題，關(guān)于上下文切換逛薇，這一般是跟平臺(tái)或者CPU相關(guān)的代碼捺疼，因?yàn)橐婕暗郊拇嫫鞑僮鳌Ｍ瑫r(shí)上下文切換也是有一點(diǎn)代價(jià)的永罚，因?yàn)楫吘剐枰~外執(zhí)行一些指令（個(gè)人覺(jué)得這一點(diǎn)可以忽略掉啤呼，無(wú)棧的協(xié)程實(shí)現(xiàn)難道不是也需要一些額外的指令來(lái)完成程序邏輯的跳轉(zhuǎn)？）呢袱。

有棧協(xié)程看起來(lái)還是比較直觀官扣，特別是對(duì)于開(kāi)發(fā)人員比較友好。如果對(duì)比一下Rust實(shí)現(xiàn)的無(wú)棧協(xié)程羞福，就會(huì)知道因?yàn)橐脒@個(gè)棧惕蹄，保存上下文，從而解決了很多很麻煩的問(wèn)題治专。

關(guān)于Go卖陵，講一點(diǎn)題外話。

Go有一個(gè)比較龐大的運(yùn)行時(shí)刻庫(kù)张峰。從上文我們了解到泪蔫，因?yàn)?code>Go調(diào)度器的需要，運(yùn)行時(shí)刻庫(kù)把所有的系統(tǒng)調(diào)用都做了封裝喘批，這些所謂系統(tǒng)調(diào)用都被引入了調(diào)度器的調(diào)度點(diǎn)撩荣，也就是說(shuō)，執(zhí)行這類系統(tǒng)調(diào)用會(huì)進(jìn)行協(xié)程的上下文切換谤祖。所以換一句話說(shuō)婿滓。Go的系統(tǒng)調(diào)用，其實(shí)都是被包裝過(guò)的粥喜，能夠感知協(xié)程的系統(tǒng)調(diào)用凸主。所以從這個(gè)角度也可以理解為什么Go的運(yùn)行時(shí)刻庫(kù)是比較龐大的。另外额湘，cgo的執(zhí)行也是類似的過(guò)程卿吐。因?yàn)檎{(diào)用的C代碼非常有可能通過(guò)C庫(kù)來(lái)執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用，這樣會(huì)使線程進(jìn)入阻塞锋华，從而影響Go的調(diào)度器的行為嗡官。所以我們看到cgo總會(huì)執(zhí)行entersyscall和exitsyscall，就是這個(gè)原因毯焕。

Rust 協(xié)程

綠色線程 GreenThread

早期的Rust支持一個(gè)所謂的綠色線程衍腥，其實(shí)就是有棧協(xié)程的實(shí)現(xiàn)磺樱，與Go協(xié)程實(shí)現(xiàn)很相似。在0.7之后婆咸，綠色線程就被刪除了竹捉。其中一個(gè)原因是，如果引入這樣的機(jī)制尚骄，那么運(yùn)行時(shí)刻庫(kù)也必須如Go語(yǔ)言一樣能夠支持有棧協(xié)程块差，也就是之前討論Go題外話提到的內(nèi)容。Go沒(méi)有Native thread的概念倔丈，語(yǔ)言層面只支持協(xié)程憨闰，選擇封裝全部的系統(tǒng)調(diào)用很合理。然而需五，如果Rust也打算這么做鹉动，那么Native thread和協(xié)程運(yùn)行庫(kù)API統(tǒng)一的問(wèn)題將很難解決。

無(wú)棧協(xié)程

無(wú)棧協(xié)程顧名思義就是不使用棧和上下文切換來(lái)執(zhí)行異步代碼邏輯的機(jī)制警儒。這里異步代碼雖然是異步的训裆，但執(zhí)行起來(lái)看起來(lái)是一個(gè)同步的過(guò)程眶根。從這一點(diǎn)上來(lái)看Rust協(xié)程與Go協(xié)程也沒(méi)什么兩樣蜀铲。舉例說(shuō)明：

async fn routine() 
{
    let mut a = 5;
    sleep(1000).await;
    a = a + 1;
    a
}

幾乎是一樣的流程。Sleep會(huì)導(dǎo)致睡眠属百，當(dāng)時(shí)間已到记劝，重新返回執(zhí)行，局部變量a 內(nèi)容應(yīng)該還是5族扰。Go協(xié)程是有棧的厌丑，所以這個(gè)局部變量保存在棧中，而Rust是怎么實(shí)現(xiàn)的呢渔呵？答案就是 Generator 生成的狀態(tài)機(jī)怒竿。Generator 和閉包類似，能夠捕獲變量a扩氢，放入一個(gè)匿名的結(jié)構(gòu)中耕驰，在代碼中看起來(lái)是局部變量的數(shù)據(jù) a，會(huì)被放入結(jié)構(gòu)录豺，保存在全局（線程）棧中朦肘。另外值得一提的是，Generator 生成了一個(gè)狀態(tài)機(jī)以保證代碼正確的流程双饥。從sleep.await 返回之后會(huì)執(zhí)行 a=a+1 這行代碼媒抠。async routine() 會(huì)根據(jù)內(nèi)部的 .await 調(diào)用生成這樣的狀態(tài)機(jī)，驅(qū)動(dòng)代碼按照既定的流程去執(zhí)行咏花。

按照一般的說(shuō)法趴生。無(wú)棧協(xié)程有很多好處。首先不用分配棧。因?yàn)榫烤菇o協(xié)程分配多大的棧是個(gè)大問(wèn)題苍匆。特別是在32位的系統(tǒng)下舍咖，地址空間是有限的。每個(gè)協(xié)程都需要專門(mén)的棧锉桑，很明顯會(huì)影響到可以創(chuàng)建的協(xié)程總數(shù)排霉。其次，沒(méi)有上下文切換民轴，貌似性能也許會(huì)好一些攻柠？當(dāng)然，更大的好處是并不需要與CPU體系相關(guān)代碼后裸，也就有了更好的跨平臺(tái)的能力瑰钮。當(dāng)然，無(wú)棧問(wèn)題也不少微驶。例如浪谴，Rust著名的PIN問(wèn)題。另外因苹，個(gè)人覺(jué)得Rust的無(wú)棧協(xié)程主要問(wèn)題是不那么直觀苟耻，理解起來(lái)會(huì)稍微吃力一些。

協(xié)程解決的問(wèn)題

Rust語(yǔ)言真正實(shí)現(xiàn) async/await 語(yǔ)法只是去年底的事情扶檐。在那之前凶杖，有一些其他臨時(shí)使用宏的替代做法。所以現(xiàn)在去看一些開(kāi)源的軟件項(xiàng)目款筑，真正采用 await 寫(xiě)代碼還是很少的智蝠，主要是 poll 的方式，這樣的代碼需要自己維護(hù)各種狀態(tài)奈梳。一個(gè)經(jīng)典的例子就是Sink發(fā)送的三件套：poll_ready/start_send/poll_flush杈湾，首先需要檢查是否緩沖區(qū)有待發(fā)送的數(shù)據(jù)，若是攘须，則優(yōu)先處理這一部分?jǐn)?shù)據(jù)漆撞。然后檢查底層是否就緒，否則無(wú)法發(fā)送阻课，這時(shí)候需要把當(dāng)前發(fā)送的東西轉(zhuǎn)存下來(lái)叫挟，也就是前面提到的發(fā)送緩沖區(qū)。如果用C語(yǔ)言寫(xiě)過(guò)epoll 相關(guān)的代碼限煞，那么會(huì)發(fā)現(xiàn)和這里也沒(méi)有什么大的區(qū)別抹恳。因?yàn)檫@就是異步編程大致的模式。而事實(shí)上署驻，如果可以用await來(lái)寫(xiě)代碼奋献，直接調(diào)用SinkExt的send().await方法量承，一切煩惱都消失了肘交。SinkExt::send 內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了包含發(fā)送緩沖的Sink的三件套，而await 用一種簡(jiǎn)潔的方式將這一切優(yōu)雅地呈現(xiàn)出來(lái)。這種利用.await 寫(xiě)出來(lái)的代碼浴栽，看似是用同步的方式在做異步的編程咬像，比較簡(jiǎn)潔城舞，易于理解槽华。

總之，個(gè)人覺(jué)得Rust異步編程的未來(lái)是 await杭攻。早期手動(dòng)來(lái)寫(xiě)各種poll方法祟敛，實(shí)在是太繁瑣了。語(yǔ)言實(shí)則是一種工具兆解，被發(fā)明出來(lái)是用來(lái)幫助程序員的馆铁，而不是造成更多的負(fù)擔(dān)。我相信這也是Rust .await 最大的意義锅睛。

下一篇文章埠巨，我們來(lái)研究下 async/await 究竟做了什么。

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