Futures 和 async 语法

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Rust 异步编程的关键元素是 futures 和 Rust 的 async 与 await 关键字。

future 是一个现在可能还没有准备好但将在未来某个时刻准备好的值。（相同的概念也出现在很多语言中，有时被称为 “task” 或者 “promise”。）Rust 提供了 Future trait 作为基础组件，这样不同的异步操作就可以在不同的数据结构上实现。在 Rust 中，我们称实现了 Future trait 的类型为 futures。每一个实现了 Future 的类型会维护自己的进度状态信息和 "ready" 的定义。

async 关键字可以用于代码块和函数，表明它们可以被中断并恢复。在一个 async 块或 async 函数中，可以使用 await 关键字来等待一个 future 准备就绪，这一过程称为 等待一个 future。async 块或 async 函数中每一个等待 future 的地方都可能是一个 async 块或 async 函数中断并随后恢复的点。检查一个 future 并查看其值是否已经准备就绪的过程被称为 轮询（polling）。

其它一些语言也使用 async 和 await 关键字进行异步编程。如果你熟悉这些语言，则可能会注意到它们与 Rust 的处理方式有显著不同，包括语法上的差异。我们将看到，这样做是有充分理由的！

在大多数情况下，编写异步 Rust 代码时，我们使用 async 和 await 关键字。Rust 将其编译为等同于使用 Future trait 的代码，这非常类似于将 for 循环编译为等同于使用 Iterator trait 的代码。不过，由于 Rust 提供了 Future trait，你也可以在需要时为你自己的数据类型实现它。在整个章节中你会看到很多函数的返回值类型都有其自己的 Future 实现。我们会在本章结尾回到这个 trait 的定义，并深入了解它的工作原理，但现在这些细节已经足够让我们继续前进了。

这些内容可能有点抽象。让我们来编写第一个异步程序：一个小型网络爬虫。我们会从命令行传递两个 URL，并发地解析它们，并返回第一个完成解析的结果。这个示例会引入不少的新语法，不过不用担心。我们会逐步解释所有你需要了解的内容。

第一个异步程序

为了保持本章的内容专注于学习 async，而不是处理生态系统的部分组件，我们已经创建了一个 trpl crate（trpl 是 “The Rust Programming Language” 的缩写）。它重导出了你需要的所有类型、traits 和函数，它们主要来自于 futures 和 tokio crates。

  • futures crate 是一个 Rust 异步代码实验的官方仓库，也正是 Future 最初设计的地方。
  • Tokio 是目前 Rust 中应用最广泛的异步运行时（async runtime），特别是（但不仅是！）web 应用。这里还有其他优秀的运行时，它们可能更适合你的需求。我们在 trpl 的底层使用 Tokio 是因为它经过了充分测试且广泛使用。

在一些场景中，trpl 也会重命名或者封装原始 API 以便我们专注于与本章相关的细节。如果你想了解该 crate 的具体功能，我们鼓励你查看其源码。你可以看到每个重导出的内容来自哪个 crate，我们留下了大量注释来解释这个 crate 的用途。

创建一个名为 hello-async 的二进制项目并将 trpl crate 作为一个依赖添加：

$ cargo new hello-async
$ cd hello-async
$ cargo add trpl

现在我们可以利用 trpl 提供的多种组件来编写第一个异步程序。我们构建了一个小的命令行工具来抓取两个网页，拉取各自的 <title> 元素，并打印出第一个完成全部过程的标题。

让我们开始编写一个函数，它获取一个网页 URL 作为参数，请求该 URL 并返回标题元素的文本：

文件名：src/main.rs

extern crate trpl; // required for mdbook test

fn main() {
    // TODO: we'll add this next!
}

use trpl::Html;

async fn page_title(url: &str) -> Option<String> {
    let response = trpl::get(url).await;
    let response_text = response.text().await;
    Html::parse(&response_text)
        .select_first("title")
        .map(|title_element| title_element.inner_html())
}
示例 17-1：定义一个 async 函数来获取一个 HTML 页面的标题元素

在示例 17-1 中，我们定义了一个名为 page_title 的函数，并使用了 async 关键字标记。接着我们使用 trpl::get 函数来获取传入的任意 URL，然后使用 await 关键字来等待响应。接着我们调用其 text 方法来获取响应的文本，这里再一次使用 await 关键字等待。这两个步骤都是异步的。对于 get 来说，我们需要等待服务器发送回其响应的第一部分，这会包含 HTTP 头（headers）、cookies 等。这部分响应可以独立于响应体发送。特别是在响应体非常大时候，接收完整响应可能会花费一些时间。因此我们不得不等待响应 整体 返回，所以 text 方法也是异步。

我们必须显示地等待这两个 futures，因为 Rust 中的 futures 是 惰性（lazy）的：在你使用 await 请求之前它们不会执行任何操作。（事实上，如果你不使用一个 futures，Rust 会显示一个编译警告）这应该会让你想起之前第十三章关于迭代器的讨论。直到你调用迭代器的 next 方法（直接调用或者使用 for 循环或者类似 map 这类在底层使用 next 的方法）之前它们什么也不会做。对于 futures 来说，同样的基本理念也是适用的：除非你显式地请求，否则它们不会执行。惰性使得 Rust 可以避免提前运行异步代码，直到真正需要时才执行。

注意：这不同于上一章节中 thread::spawn 的行为，当时传递给另一个线程的闭包会立即开始运行。这也与许多其他语言处理异步的方式不同！但对于 Rust 而言，这一点非常重要。稍后我们会解释原因。