Rust 异步编程 async/await

在现代编程中，异步编程变得越来越重要，因为它允许程序在等待 I/O 操作（如文件读写、网络通信等）时不被阻塞，从而提高性能和响应性。

异步编程是一种在 Rust 中处理非阻塞操作的方式，允许程序在执行长时间的 I/O 操作时不被阻塞，而是在等待的同时可以执行其他任务。

Rust 提供了多种工具和库来实现异步编程，包括 async 和 await 关键字、futures 和异步运行时（如 tokio、async-std 等），以及其他辅助工具。

  • Future：Future 是 Rust 中表示异步操作的抽象。它是一个可能还没有完成的计算，将来某个时刻会返回一个值或一个错误。

  • async/await：async 关键字用于定义一个异步函数，它返回一个 Future。await 关键字用于暂停当前 Future 的执行，直到它完成。

实例

以下实例展示了如何使用 async 和 await 关键字编写一个异步函数，以及如何在异步函数中执行异步任务并等待其完成。

实例

// 引入所需的依赖库
use tokio;

// 异步函数，模拟异步任务
async fn async_task() -> u32 {
    // 模拟异步操作，等待 1 秒钟
    tokio::time::delay_for(std::time::Duration::from_secs(1)).await;
    // 返回结果
    42
}

// 异步任务执行函数
async fn execute_async_task() {
    // 调用异步任务，并等待其完成
    let result = async_task().await;
    // 输出结果
    println!("Async task result: {}", result);
}

// 主函数
#[tokio::main]
async fn main() {
    println!("Start executing async task...");
    // 调用异步任务执行函数，并等待其完成
    execute_async_task().await;
    println!("Async task completed!");
}

以上代码中，我们首先定义了一个异步函数 async_task()，该函数模拟了一个异步操作，使用 tokio::time::delay_for() 方法来等待 1 秒钟，然后返回结果 42。接着定义了一个异步任务执行函数 execute_async_task()，在其中调用了异步函数，并使用 await 关键字等待异步任务的完成。最后在 main 函数中使用 tokio::main 宏来运行异步任务执行函数，并等待其完成。

运行该程序，可以看到程序输出了开始执行异步任务的提示，然后等待了 1 秒钟后输出了异步任务的结果，并最终输出了异步任务完成的提示:

Start executing async task...
Async task result: 42
Async task completed!

这个例子演示了 Rust 中使用 async 和 await 关键字编写异步函数，以及如何在异步函数中执行异步任务并等待其完成。

以下实例使用 tokio 库执行异步 HTTP 请求，并输出响应结果：

实例 2

// 引入所需的依赖库
use std::error::Error;
use tokio::runtime::Runtime;
use reqwest::get;

// 异步函数，用于执行 HTTP GET 请求并返回响应结果
async fn fetch_url(url: &str) -> Result<String, Box<dyn Error>> {
    // 使用 reqwest 发起异步 HTTP GET 请求
    let response = get(url).await?;
    let body = response.text().await?;
    Ok(body)
}

// 异步任务执行函数
async fn execute_async_task() -> Result<(), Box<dyn Error>> {
    // 发起异步 HTTP 请求
    let url = "https://jsonplaceholder.typicode.com/posts/1";
    let result = fetch_url(url).await?;
    // 输出响应结果
    println!("Response: {}", result);
    Ok(())
}

// 主函数
fn main() {
    // 创建异步运行时
    let rt = Runtime::new().unwrap();
    // 在异步运行时中执行异步任务
    let result = rt.block_on(execute_async_task());
    // 处理异步任务执行结果
    match result {
        Ok(_) => println!("Async task executed successfully!"),
        Err(e) => eprintln!("Error: {}", e),
    }
}

以上代码中，我们首先引入了 tokio 和 reqwest 库，分别用于执行异步任务和进行 HTTP 请求。然后定义了一个异步函数 fetch_url，用于执行异步的 HTTP GET 请求，并返回响应结果。

接着定义了一个异步任务执行函数 execute_async_task，该函数在其中发起了异步 HTTP 请求，并输出响应结果。

最后，在 main 函数中创建了一个 tokio 异步运行时，并在其中执行了异步任务，处理了异步任务的执行结果。

运行该程序，可以看到输出了异步 HTTP 请求的响应结果，实例中请求了 JSONPlaceholder 的一个帖子数据，并打印了其内容。

异步编程说明

async 关键字

async 关键字用于定义异步函数，即返回 Future 或 impl Future 类型的函数。异步函数执行时会返回一个未完成的 Future 对象，它表示一个尚未完成的计算或操作。

异步函数可以包含 await 表达式，用于等待其他异步操作的完成。

实例

async fn hello() -> String {
    "Hello, world!".to_string()
}

await 关键字

await 关键字用于等待异步操作的完成，并获取其结果。

await 表达式只能在异步函数或异步块中使用，它会暂停当前的异步函数执行，等待被等待的 Future 完成，然后继续执行后续的代码。

实例

async fn print_hello() {
    let result = hello().await;
    println!("{}", result);
}

异步函数返回值

异步函数的返回值类型通常是 impl Future<Output = T>，其中 T 是异步操作的结果类型。由于异步函数的返回值是一个 Future，因此可以使用 .await 来等待异步操作的完成，并获取其结果。

实例

async fn add(a: i32, b: i32) -> i32 {
    a + b
}

异步块

除了定义异步函数外，Rust 还提供了异步块的语法，可以在同步代码中使用异步操作。异步块由 async { } 构成，其中可以包含异步函数调用和 await 表达式。

实例

async {
    let result1 = hello().await;
    let result2 = add(1, 2).await;
    println!("Result: {}, {}", result1, result2);
};

异步任务执行

在 Rust 中，异步任务通常需要在执行上下文中运行，可以使用 tokio::main、async-std 的 task::block_on 或 futures::executor::block_on 等函数来执行异步任务。这些函数会接受一个异步函数或异步块，并在当前线程或执行环境中执行它。

实例

use async_std::task;

fn main() {
    task::block_on(print_hello());
}

错误处理

await 后面跟一个 ? 操作符可以传播错误。如果 await 的 Future 完成时返回了一个错误，那么这个错误会被传播到调用者。

实例

async fn my_async_function() -> Result<(), MyError> {
    some_async_operation().await?;
    // 如果 some_async_operation 出错，错误会被传播
}

异步 trait 方法

Rust 允许为 trait 定义异步方法。这使得你可以为不同类型的对象定义异步操作。

实例

trait MyAsyncTrait {
    async fn async_method(&self) -> Result<(), MyError>;
}

impl MyAsyncTrait for MyType {
    async fn async_method(&self) -> Result<(), MyError> {
        // 异步逻辑
    }
}

异步上下文

在 Rust 中，异步代码通常在异步运行时（如 Tokio 或 async-std）中执行。这些运行时提供了调度和执行异步任务的机制。

实例

#[tokio::main]
async fn main() {
    some_async_operation().await;
}

以上代码中，#[tokio::main] 属性宏将 main 函数包装在一个异步运行时中。

异步宏

Rust 提供了一些异步宏，如 tokio::spawn，用于在异步运行时中启动新的异步任务。

实例

#[tokio::main]
async fn main() {
    let handle = tokio::spawn(async {
        // 异步逻辑
    });
    handle.await.unwrap();
}

异步 I/O

Rust 的标准库提供了异步 I/O 操作，如 tokio::fs::File 和 async_std::fs::File。

实例

use tokio::fs::File;
use tokio::io::{self, AsyncReadExt};

#[tokio::main]
async fn main() -> io::Result<()> {
    let mut file = File::open("file.txt").await?;
    let mut contents = String::new();
    file.read_to_string(&mut contents).await?;
    println!("Contents: {}", contents);
    Ok(())
}

异步通道

Rust 的一些异步运行时提供了异步通道（如 tokio::sync::mpsc），允许在异步任务之间传递消息。

实例

use tokio::sync::mpsc;
use tokio::spawn;

#[tokio::main]
async fn main() {
    let (tx, mut rx) = mpsc::channel(32);

    let child = spawn(async move {
        let response = "Hello, world!".to_string();
        tx.send(response).await.unwrap();
    });

    let response = rx.recv().await.unwrap();
    println!("Received: {}", response);

    child.await.unwrap();
}

总结

Rust 的异步编程模型 async/await 提供了一种简洁、高效的方式来处理异步操作。

它允许开发者以一种更自然和直观的方式来处理异步操作，同时保持了 Rust 的安全性和性能。

通过 async/await，Rust 为异步编程提供了一流的语言支持，使得编写高效且可读性强的异步程序变得更加容易。