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由于并发编程在现代社会非常重要因此每个主流语言都对自己的并发模型进行过权衡取舍和精心设计Rust 语言也不例外。下面的列表可以帮助大家理解不同并发模型的取舍: 由于并发编程在现代社会非常重要因此每个主流语言都对自己的并发模型进行过权衡取舍和精心设计Rust 语言也不例外。下面的列表可以帮助大家理解不同并发模型的取舍:
- **OS 线程**, 它最简单,也无需改变任何编程模型(业务/代码逻辑),因此非常适合作为语言的原生并发模型,我们在[多线程章节](https://course.rs/advance/concurrency-with-threads/concurrency-parallelism.html)也提到过Rust 就选择了原生支持线程级的并发编程。但是,这种模型也有缺点,例如线程间的同步将变得更加困难,线程间的上下文切换损耗较大。使用线程池在一定程度上可以提升性能,但是对于 IO 密集的场景来说,线程池还是不够。 - **OS 线程** 它最简单,也无需改变任何编程模型(业务/代码逻辑),因此非常适合作为语言的原生并发模型,我们在[多线程章节](https://course.rs/advance/concurrency-with-threads/concurrency-parallelism.html)也提到过Rust 就选择了原生支持线程级的并发编程。但是,这种模型也有缺点,例如线程间的同步将变得更加困难,线程间的上下文切换损耗较大。使用线程池在一定程度上可以提升性能,但是对于 IO 密集的场景来说,线程池还是不够。
- **事件驱动(Event driven)**, 这个名词你可能比较陌生,如果说事件驱动常常跟回调( Callback )一起使用,相信大家就恍然大悟了。这种模型性能相当的好,但最大的问题就是存在回调地狱的风险:非线性的控制流和结果处理导致了数据流向和错误传播变得难以掌控,还会导致代码可维护性和可读性的大幅降低,大名鼎鼎的 `JavaScript` 曾经就存在回调地狱。 - **事件驱动(Event driven)** 这个名词你可能比较陌生,如果说事件驱动常常跟回调( Callback )一起使用,相信大家就恍然大悟了。这种模型性能相当的好,但最大的问题就是存在回调地狱的风险:非线性的控制流和结果处理导致了数据流向和错误传播变得难以掌控,还会导致代码可维护性和可读性的大幅降低,大名鼎鼎的 `JavaScript` 曾经就存在回调地狱。
- **协程(Coroutines)** 可能是目前最火的并发模型,`Go` 语言的协程设计就非常优秀,这也是 `Go` 语言能够迅速火遍全球的杀手锏之一。协程跟线程类似,无需改变编程模型,同时,它也跟 `async` 类似,可以支持大量的任务并发运行。但协程抽象层次过高,导致用户无法接触到底层的细节,这对于系统编程语言和自定义异步运行时是难以接受的 - **协程(Coroutines)** 可能是目前最火的并发模型,`Go` 语言的协程设计就非常优秀,这也是 `Go` 语言能够迅速火遍全球的杀手锏之一。协程跟线程类似,无需改变编程模型,同时,它也跟 `async` 类似,可以支持大量的任务并发运行。但协程抽象层次过高,导致用户无法接触到底层的细节,这对于系统编程语言和自定义异步运行时是难以接受的
- **actor 模型**是 erlang 的杀手锏之一,它将所有并发计算分割成一个一个单元,这些单元被称为 `actor` , 单元之间通过消息传递的方式进行通信和数据传递,跟分布式系统的设计理念非常相像。由于 `actor` 模型跟现实很贴近,因此它相对来说更容易实现,但是一旦遇到流控制、失败重试等场景时,就会变得不太好用 - **actor 模型**是 erlang 的杀手锏之一,它将所有并发计算分割成一个一个单元,这些单元被称为 `actor` 单元之间通过消息传递的方式进行通信和数据传递,跟分布式系统的设计理念非常相像。由于 `actor` 模型跟现实很贴近,因此它相对来说更容易实现,但是一旦遇到流控制、失败重试等场景时,就会变得不太好用
- **async/await** 该模型性能高,还能支持底层编程,同时又像线程和协程那样无需过多的改变编程模型,但有得必有失,`async` 模型的问题就是内部实现机制过于复杂,对于用户来说,理解和使用起来也没有线程和协程简单,好在前者的复杂性开发者们已经帮我们封装好,而理解和使用起来不够简单,正是本章试图解决的问题。 - **async/await** 该模型性能高,还能支持底层编程,同时又像线程和协程那样无需过多的改变编程模型,但有得必有失,`async` 模型的问题就是内部实现机制过于复杂,对于用户来说,理解和使用起来也没有线程和协程简单,好在前者的复杂性开发者们已经帮我们封装好,而理解和使用起来不够简单,正是本章试图解决的问题。
总之Rust 经过权衡取舍后,最终选择了同时提供多线程编程和 async 编程: 总之Rust 经过权衡取舍后,最终选择了同时提供多线程编程和 async 编程:
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目前已经有诸多语言都通过 `async` 的方式提供了异步编程,例如 `JavaScript` ,但 `Rust` 在实现上有所区别: 目前已经有诸多语言都通过 `async` 的方式提供了异步编程,例如 `JavaScript` ,但 `Rust` 在实现上有所区别:
- **Future 在 Rust 中是惰性的**,只有在被轮询(`poll`)时才会运行, 因此丢弃一个 `future` 会阻止它未来再被运行, 你可以将`Future`理解为一个在未来某个时间点被调度执行的任务。 - **Future 在 Rust 中是惰性的**,只有在被轮询(`poll`)时才会运行, 因此丢弃一个 `future` 会阻止它未来再被运行你可以将`Future`理解为一个在未来某个时间点被调度执行的任务。
- **Async 在 Rust 中使用开销是零** 意味着只有你能看到的代码(自己的代码)才有性能损耗,你看不到的(`async` 内部实现)都没有性能损耗,例如,你可以无需分配任何堆内存、也无需任何动态分发来使用 `async` 这对于热点路径的性能有非常大的好处正是得益于此Rust 的异步编程性能才会这么高。 - **Async 在 Rust 中使用开销是零** 意味着只有你能看到的代码(自己的代码)才有性能损耗,你看不到的(`async` 内部实现)都没有性能损耗,例如,你可以无需分配任何堆内存、也无需任何动态分发来使用 `async` 这对于热点路径的性能有非常大的好处正是得益于此Rust 的异步编程性能才会这么高。
- **Rust 没有内置异步调用所必需的运行时**但是无需担心Rust 社区生态中已经提供了非常优异的运行时实现,例如大明星 [`tokio`](https://tokio.rs) - **Rust 没有内置异步调用所必需的运行时**但是无需担心Rust 社区生态中已经提供了非常优异的运行时实现,例如大明星 [`tokio`](https://tokio.rs)
- **运行时同时支持单线程和多线程**,这两者拥有各自的优缺点,稍后会讲 - **运行时同时支持单线程和多线程**,这两者拥有各自的优缺点,稍后会讲
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而高并发更适合 `IO` 密集型任务,例如 web 服务器、数据库连接等等网络服务,因为这些任务绝大部分时间都处于等待状态,如果使用多线程,那线程大量时间会处于无所事事的状态,再加上线程上下文切换的高昂代价,让多线程做 `IO` 密集任务变成了一件非常奢侈的事。而使用`async`,既可以有效的降低 `CPU` 和内存的负担,又可以让大量的任务并发的运行,一个任务一旦处于`IO`或者其他等待(阻塞)状态,就会被立刻切走并执行另一个任务,而这里的任务切换的性能开销要远远低于使用多线程时的线程上下文切换。 而高并发更适合 `IO` 密集型任务,例如 web 服务器、数据库连接等等网络服务,因为这些任务绝大部分时间都处于等待状态,如果使用多线程,那线程大量时间会处于无所事事的状态,再加上线程上下文切换的高昂代价,让多线程做 `IO` 密集任务变成了一件非常奢侈的事。而使用`async`,既可以有效的降低 `CPU` 和内存的负担,又可以让大量的任务并发的运行,一个任务一旦处于`IO`或者其他等待(阻塞)状态,就会被立刻切走并执行另一个任务,而这里的任务切换的性能开销要远远低于使用多线程时的线程上下文切换。
事实上, `async` 底层也是基于线程实现,但是它基于线程封装了一个运行时,可以将多个任务映射到少量线程上,然后将线程切换变成了任务切换,后者仅仅是内存中的访问,因此要高效的多。 事实上 `async` 底层也是基于线程实现,但是它基于线程封装了一个运行时,可以将多个任务映射到少量线程上,然后将线程切换变成了任务切换,后者仅仅是内存中的访问,因此要高效的多。
不过`async`也有其缺点,原因是编译器会为`async`函数生成状态机,然后将整个运行时打包进来,这会造成我们编译出的二进制可执行文件体积显著增大。 不过`async`也有其缺点,原因是编译器会为`async`函数生成状态机,然后将整个运行时打包进来,这会造成我们编译出的二进制可执行文件体积显著增大。

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