Rust - 用异步替代线程实现并发

关键概念对比

功能	多线程方式	异步方式
创建并发单元	thread::spawn()	trpl::spawn_task()
延时等待	thread::sleep() (阻塞线程)	trpl::sleep().await (非阻塞)
等待结束	join() (阻塞线程)	.await (让出控制权)
并发单位	操作系统线程 (重量级)	Future (轻量级状态机)

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三种异步模式详解

1️⃣ 基础任务生成（示例17-6）

# extern crate trpl; // required for mdbook test 
# use std::time::Duration; 
fn main() { 
    trpl::run(async { 
        trpl::spawn_task(async { 
            for i in 1..10 { 
                println!("hi number {i} from the first task!"); 
                trpl::sleep(Duration::from_millis(500)).await; 
            } 
        }); 
        
        for i in 1..5 { 
            println!("hi number {i} from the second task!"); 
            trpl::sleep(Duration::from_millis(500)).await; 
        } 
   }); 
}

特点：

• 主任务结束时自动终止子任务
• 类似守护线程（daemon thread）
• 输出顺序随机（取决于运行时调度）

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2️⃣ 使用任务句柄等待

# extern crate trpl; // required for mdbook test 
# 
# use std::time::Duration; 
# 
# fn main() { 
#    trpl::run(async { 
        let handle = trpl::spawn_task(async { 
            for i in 1..10 { 
                println!("hi number {i} from the first task!");
                trpl::sleep(Duration::from_millis(500)).await; 
            } 
        }); 
        
        for i in 1..5 { 
            println!("hi number {i} from the second task!");
            trpl::sleep(Duration::from_millis(500)).await; 
        } 
        handle.await.unwrap(); 
#    }); 
#}

核心改进：

• 通过 handle.await 确保子任务完整执行
• 类似线程的 join()，但非阻塞
• 输出顺序依然随机

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3️⃣ 使用join组合Future（示例17-8）

# extern crate trpl; // required for mdbook test 
# 
# use std::time::Duration; 
# 
# fn main() { 
#     trpl::run(async { 
           let fut1 = async { 
               for i in 1..10 { 
                   println!("hi number {i} from the first task!"); 
                   trpl::sleep(Duration::from_millis(500)).await; 
               } 
           }; 
           
           let fut2 = async { 
               for i in 1..5 { 
                   println!("hi number {i} from the second task!"); 
                   trpl::sleep(Duration::from_millis(500)).await; 
               } 
           };
           trpl::join(fut1, fut2).await; 
#     }); 
#}

革命性变化：

• 不需要生成任务，直接操作 Future 对象
• 运行时公平轮询（round-robin）
• 输出顺序固定（交替执行）

hi number 1 from the first task!  // fut1
hi number 1 from the second task! // fut2
hi number 2 from the first task!  // fut1
...

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为什么顺序固定？关键机制

1. 公平调度器：
   • trpl::join 内部以固定频率轮询每个 Future
   • 每次只推进少量执行（到下一个 .await 点）
2. 协作式让步：

   // 每次遇到 .await 都会让出控制权
   trpl::sleep(...).await; // ↑ 让出点
   

3. 执行流程：
   • 轮询 fut1 → 执行到第一个 sleep().await → 暂停
   • 轮询 fut2 → 执行到第一个 sleep().await → 暂停
   • 重复直到两者完成

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与线程的本质区别

特性	线程模型	异步模型
内存开销	MB级（线程栈）	KB级（状态机）
切换代价	高（内核切换）	极低（用户态切换）
调度单位	整个线程	单个 .await 分段
控制粒度	粗（操作系统控制）	细（程序员可控）

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实践建议

1. 何时用异步：

   • I/O密集型任务（网络请求/文件操作）
   • 高并发服务（如Web服务器）
   • 需要数千以上"并发单元"的场景

2. 何时用线程：

   • CPU密集型计算
   • 阻塞型操作（如复杂计算）
   • 需要利用多核并行（非并发）

3. 混合使用：

   // CPU密集型任务放在专用线程
   tokio::task::spawn_blocking(|| heavy_computation());
   

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真实世界映射

示例中的伪API	实际生产级对应
trpl::run	#[tokio::main]
trpl::sleep	tokio::time::sleep()
trpl::join	tokio::join!宏
spawn_task	tokio::spawn()