005 Rust 非同步程式設計，Pin 介紹

linghuyichong發表於2020-06-19
Rust非同步程式設計

為了對Future呼叫poll，需要使用到Pin的特殊型別。本節就介紹一下Pin型別。

非同步背後的一些原理

例子1

  • 原始碼
//檔案src/main.rs
use futures::executor;

async fn async_function1() {
    println!("async function1 ++++ !");
}

async fn async_function2() {
    println!("async function2 ++++ !");
}

async fn async_main() {
    let f1 = async_function1();
    let f2 = async_function2();

    //重點關注這裡---------
    let f = async move {
        f1.await;
        f2.await; 
    };
    //---------------------
    f.await;
}

fn main() {
    executor::block_on(async_main());
}
  • 配置，在Cargo.toml中新增
    [dependencies]
futures = "0.3.4
    我們主要考慮async_main()函式中的async塊（async函式也是一樣，透過async都是轉化為Future），實際背後會做如下工作：
    （1）為async塊生成一個類似於如下的結構體：
struct AsyncFuture {
    fut_one: FutFunction1,
    fut_two: FutFunction2,
    state: State,
}

//state的定義可能如下
enum State {
    AwaitingFutFunction1,
    AwaitingFutFunction2,
    Done,
}

（2）為其生成對應的poll函式：

impl Future for AsyncFuture {
    type Output = ();

    fn poll(mut self: Pin<&mut Self>, cx: &mut Context<'_>) -> Poll<()> {
        loop {
            match self.state {
                State::AwaitingFutFunction1 => match self.fut_one.poll(..) {
                    Poll::Ready(()) => self.state = State::AwaitingFutFunction2,
                    Poll::Pending => return Poll::Pending,
                }
                State::AwaitingFutFunction2 => match self.fut_two.poll(..) {
                    Poll::Ready(()) => self.state = State::Done,
                    Poll::Pending => return Poll::Pending,
                }
                State::Done => return Poll::Ready(()),
            }
        }
    }
}

好，到這裡，我們只是模擬編譯器給async程式碼塊進行了展開，那麼和我們要講的Pin有什麼關係呢？

例子2

我們再考慮如下例子：

async fn async_put_data_to_buf(mut buf: &[u8]) {
    //to do
    ...
}

async fn async_main () {
    //重點關注這裡---------
    let f = async {
        let mut x = [0; 128];
        let read_into_buf_fut = async_put_data_to_buf(&mut x);
        read_into_buf_fut.await;
    };
    //---------------------

    f.await;
}

對於上面async_main中的async塊，編譯器為其生成的結構如下：

struct ReadIntoBuf<'a> {
    buf: &'a mut [u8], // points to `x` below
}

struct AsyncFuture {
    x: [u8; 128], 
    read_into_buf_fut: ReadIntoBuf<'what_lifetime?>,
}

在AsyncFuture中，read_into_buf_fut.buf指向x，相當於是一個自引用（一個欄位引用另一個欄位）。但是如果AsyncFuture發生移動，x肯定也會發生移動，如果read_into_buf_fut.buf還是指向原來的值的話，則會變成無效。
而Pin就是為了解決此問題的。

Pin介紹

Pin型別包著指標型別，保證指標背後的值將不被移動。例如 Pin<&mut T>，Pin<&T>， Pin<Box> 都保證 T 不會移動。

拿上面的例子來說，如果使用Pin<>就是將x對應的那塊記憶體固定，這樣即使AsyncFuture發生移動，但是x不會移動，那麼read_into_buf_fut.buf不會變成懸垂引用。

大多數型別都沒有移動的問題，這些型別實現了 Unpin trait。Unpin 型別指標可以自由從 Pin 中放入或取出。例如，u8 就是 Unpin的。

如果需要Future和Unpin一起使用，則需要使用Pin<Box>或者pin_utils::pin_mut!，例子如下：

use pin_utils::pin_mut; // `pin_utils` is a handy crate available on crates.io

// A function which takes a `Future` that implements `Unpin`.
fn execute_unpin_future(x: impl Future<Output = ()> + Unpin) { /* ... */ }

let fut = async { /* ... */ };
execute_unpin_future(fut); // Error: `fut` does not implement `Unpin` trait

// Pinning with `Box`:
let fut = async { /* ... */ };
let fut = Box::pin(fut);
execute_unpin_future(fut); // OK

// Pinning with `pin_mut!`:
let fut = async { /* ... */ };
pin_mut!(fut);
execute_unpin_future(fut); // OK
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