Futures在Rust中用于異步編程，類似JavaScript的promise的原理，兩者都是async/await語句的基礎(chǔ)，用戶可用它們用串行編程的方式實(shí)現(xiàn)異步的功能。
Futures在標(biāo)準(zhǔn)的std和嵌入式的nostd環(huán)境都有支持，使用方式一致，在std環(huán)境中，比較出名的有Tokio實(shí)現(xiàn)了異步的平臺，在嵌入式領(lǐng)域中，embassy也提供了高效的異步平臺。
到底什么是 Future？
簡單的說，Future用于表示一些異步計(jì)算的值，也就是說無法在當(dāng)前得出最終的結(jié)果，但由于串行的程序中，又需要該計(jì)算的結(jié)果用于后續(xù)的操作。舉個(gè)例子，在嵌入式中，通常處理串口接收和處理數(shù)據(jù)時(shí)，采用串行編程的方式如下：
void loop() {
char ch;
if (ch == serial.read())
switch ch {
case 'A': do_someting(); break;
case 'B': do_someting_else(); break;
...
default: break;
}
}
do_someting();
}在這個(gè)簡單的例程中，可以很容易看出處理的邏輯，但是CPU的執(zhí)行效率卻很低，CPU或進(jìn)程會阻塞在串口的讀接口中。也許更加有經(jīng)驗(yàn)的程序員會用中斷或操作系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。但是需要加倍小心多線程或中斷引發(fā)的其他風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)代碼的可閱讀性會降低，需要去了解操作系統(tǒng)和信號量等全局變量。如果使用Rust中Future來替代該程序，則可簡單如下：
async fn loop() {
let ch = serial.read().await;
match ch {
'A' => {
do_someting();
}
'B' => {
do_someting_else();
}
_ => {
do_some();
}
}
do_someting();
}在異步的Rust代碼中，同樣保持了串行的編程模式，但CPU或線程不會在read()停留等待可讀數(shù)據(jù)，而是在后臺數(shù)據(jù)來臨時(shí)自動(dòng)喚醒。這樣提高了運(yùn)行效率。
Future的實(shí)現(xiàn)原理
在大多數(shù)需要等待結(jié)束的任務(wù)中，系統(tǒng)后臺需要一個(gè)執(zhí)行器，通過喚醒Future的事件來重新激活await語句，簡單得說，需要執(zhí)行器對該任務(wù)實(shí)現(xiàn)任務(wù)和激活機(jī)制的抽象，該抽象無需反復(fù)去查詢事件信號，而任務(wù)是被動(dòng)讓激活信號重新喚醒。Future的簡單模型如下：
se std::cell::RefCell;
thread_local!(static NOTIFY: RefCell = RefCell::new(true));
struct Context<'a> {
waker: &'a Waker,
}
impl<'a> Context<'a> {
fn from_waker(waker: &'a Waker) -> Self {
Context { waker }
}
fn waker(&self) -> &'a Waker {
&self.waker
}
}
struct Waker;
impl Waker {
fn wake(&self) {
NOTIFY.with(|f| *f.borrow_mut() = true)
}
}
enum Poll {
Ready(T),
Pending,
}
trait Future {
type Output;
fn poll(&mut self, cx: &Context) -> Poll;
}
#[derive(Default)]
struct MyFuture {
count: u32,
}
impl Future for MyFuture {
type Output = i32;
fn poll(&mut self, ctx: &Context) -> Poll {
match self.count {
3 => Poll::Ready(3),
_ => {
self.count += 1;
ctx.waker().wake();
Poll::Pending
}
}
}
}
fn run(mut f: F) -> F::Output
where
F: Future,
{
NOTIFY.with(|n| loop {
if *n.borrow() {
*n.borrow_mut() = false;
let ctx = Context::from_waker(&Waker);
if let Poll::Ready(val) = f.poll(&ctx) {
return val;
}
}
})
}
fn main() {
let my_future = MyFuture::default();
/// 將輸出：Output: 3
println!("Output: {}", run(my_future));
}如上所示，run函數(shù)帶有一個(gè)Future屬性，可理解為調(diào)度器。在NOTIFY的信號中重新激活任務(wù)，然后返回執(zhí)行結(jié)果，給Poll::Ready帶出。通常NOTIFY的loop閉包至少會執(zhí)行一次，第一次是首次進(jìn)入poll任務(wù)，如果poll任務(wù)后沒有結(jié)束，將會在Waker信號被激活時(shí)重新喚起執(zhí)行poll的任務(wù)。如果沒有喚醒事件，則調(diào)度器不會主動(dòng)去執(zhí)行Poll。Context用來傳遞任務(wù)的上下文，可用來保存當(dāng)前任務(wù)的事件信號等。Poll則是一個(gè)簡單的枚舉，Ready代表任務(wù)可以結(jié)束后的結(jié)果，將帶回結(jié)果返回值，Pending則代表當(dāng)前任務(wù)并未結(jié)束，則繼續(xù)睡眠。Futuretrait 則是任務(wù)的抽象，任何只要實(shí)現(xiàn)Future``trait，都可使用在異步編程中，即使用async/awit。在該例中根據(jù)原理實(shí)現(xiàn)了一個(gè)最簡單的Future的調(diào)度器，以及一個(gè)實(shí)現(xiàn)了Future的結(jié)構(gòu)體對象MyFuture。也許看起來要實(shí)現(xiàn)異步需要這么多代碼，似乎有點(diǎn)復(fù)雜！別擔(dān)心，這些Rust都已經(jīng)為您提供了，你需要寫的也就是main函數(shù)的內(nèi)容，甚至更加簡單。下面展示embassy使用異步的方式處理串口數(shù)據(jù)。
#[embassy_executor::main]
async fn main(_spawner: Spawner) {
let p = embassy_nrf::init(Default::default());
let mut config = uarte::Config::default();
config.parity = uarte::Parity::EXCLUDED;
config.baudrate = uarte::Baudrate::BAUD115200;
let mut uart = uarte::Uarte::new(p.UARTE0, Irqs, p.P0_08, p.P0_06, config);
info!("uarte initialized!");
// Message must be in SRAM
let mut buf = [0; 8];
buf.copy_from_slice(b"Hello!\r\n");
unwrap!(uart.write(&buf).await);
info!("wrote hello in uart!");
loop {
info!("reading...");
unwrap!(uart.read(&mut buf).await);
info!("writing...");
unwrap!(uart.write(&buf).await);
}
}最后
在Rust中使用Future是零成本抽象的，即不會生成多余的狀態(tài)邏輯代碼，同時(shí)CPU的運(yùn)行也不會造成負(fù)荷，同時(shí)代碼的可閱讀性依舊很強(qiáng)。如果有興趣可以深入閱讀以下書籍：
- Asynchronous Programming in Rust：https://rust-lang.github.io/async-book/02_execution/02_future.html
- Async programming in Rust with async-std：https://book.async.rs/concepts/futures
- Async Rust：https://www.oreilly.com/library/view/async-rust/9781098149086/