【译文】Rust 2024 展望：Async Rust

每年到了这个时候，人们的思绪就会转向……当然是 “Rust”。我想每年都是这样。今年对于 Rust 来说是非常重要的一年，不过我认为发生的很多事情更像是在 “为 2024 年的成功做准备”。让我们来谈谈 2024 年！我将发表一系列博文，介绍我对 Rust 感到兴奋的不同方面，以及我认为我们应该做的事情。为了把事情具体化，我将用提议目标（基本上就是我认为我们今年可以完成的一项具体工作）来构架 2024。在第一篇文章中，我将重点讨论async Rust。

我们在 2023 年做了什么

12 月 28 日，随着 Rust 1.75.0 的发布，我们稳定了 traits 中的 async fn 和 impl trait。这是一件大事。自 2019 年以来，traits 中的 async fn 就一直被 “认为是硬核“，而它们基本上是我们需要做的一切让 async 变得更好的基础。

对我来说，Async Rust 展示了 Rust 的优点和缺点。它实现了 Rust 关于 “高层代码、底层性能 “的承诺。基于经过高度调整的 Tokio 运行时，Rust 中的network service始终具有更紧凑的尾部延迟和更低的内存使用率，这意味着你可以用更少的资源为更多的客户端提供服务。此外，由于 Rust 没有对运行时进行硬编码，因此您可以编写异步 Rust 代码，用于甚至没有底层操作系统的嵌入式环境，或介于两者之间的任何地方。

然而，用与我交谈过的一位亚马逊工程师的话来说，”Async Rust 就是 Rust on hard mode”，这仍然是事实。要真正缩小这一差距，需要在语言、标准库和生态系统方面下功夫。我们不可能在 2024 年实现所有目标，但我认为我们可以取得长足进步。

目标：在第二季度解决send bound问题

去年，我们在traits 中的异步函数方面取得了很大进展，但我们仍然无法覆盖通用traits 的用例，这些traits 既可以与work-stealing执行器一起使用，也可以不与work-stealing执行器一起使用。一个非常具体的例子就是 Service trait from tower。要处理这种用例，我们需要解决 send bound problem。我们对这个问题有很多想法，甚至已经有了返回类型符号（子集）的原型实现，所以我们已经做好了成功的准备。我认为我们应该争取在第二季度末（基本上是夏天）完成这项工作。这反过来又会解锁 tower crate 的 1.0 版本，让我们拥有一个中间件稳定的trait。

目标：在第三季度稳定异步闭包的 MVP

异步的圣杯是，你应该能够轻松地将任何同步函数变成异步函数。2019 MVP 仅支持顶层函数和固有方法。现在，我们将其扩展到了trait 方法。2024 年，我们将迈出下一步，支持异步闭包。这将允许人们定义迭代器 map 等组合方法，并避免目前所需的复杂变通方法。

对于第一个目标，我认为我们应该努力开发 MVP。最近，Ers 和我勾画了一个我们认为非常可行的 MVP。一开始，我们创建了 AsyncFn trait ，其外观与 Fn trait 层次结构如出一辙…

trait AsyncFnOnce<A> {
    type Output;
    
    async fn call_once(self, args: A) -> Self::Output;
}

trait AsyncFnMut<A>: AsyncFnOnce<A> {
    async fn call_mut(&mut self, args: A) -> Self::Output;
}

trait AsyncFn<A>: AsyncFnMut<A> {
    async fn call(self, args: A) -> Self::Output;
}

…和编写 async || <expr> 等异步闭包的能力，以及一个桥梁使任何返回 future 的函数也能实现适当的 AsyncFn traits。Async clsoures 将阻止我们创建组合特质，就像一个真正漂亮的 async iterators 版本。

本 MVP 并不打算作为最终状态，但打算与我们最终采用的任何最终状态兼容。如何将 AsyncFn traits与常规 Fn traits整合起来，仍然是一个非常有趣的问题。尽管如此，我认为我们可以在探索这个问题的同时稳定上述 MVP。

目标：在第四季度为 “maybe async “编写一个 RFC（或者决定不编写！）。

围绕 async 的一个大问题是，我们是否应该支持以某种方式编写 “maybe  async “代码。这个想法经历了很多名字。Yosh 和 Oli 最初发起了一种名为 “关键字泛型”（keyword generics）的东西，后来又改名为 “效果泛型”（effect generics）。我更喜欢 “trait 转换器”（trait transformers）这一框架，我还写过一篇博文，介绍trait 转换器如何让异步闭包变得更加合适。

有人对这是否是一个好的方向持怀疑态度。关于异步闭包，还有其他思考方式（不过 Errs 指出了一个问题，我希望能在以后的文章中讨论）。Boats 写了很多博文表达担忧，而类型团队的成员也表达了对编写泛型效果代码的担忧。我认为这些担忧很有道理！

总的来说，我仍然相信，像trait 转换器这样的东西可以让 Rust 感觉更简单，并帮助我们扩展以适应未来的需求。但我认为我们必须证明自己的观点！我在 2024 年的目标正是如此。我的想法是撰写一份 RFC，提出一个 “maybe  async”的方案，并让 RFC 被接受。为了消除类型团队的顾虑，我认为需要将 “maybe  async “正式建模为 a-mir-formality 的一部分，以便每个人都能理解它将如何工作。

另一种可能的结果是，我们选择放弃这个想法。也许复杂性真的不可行。或者是语言设计感觉不合适。我对此也没有意见，但无论如何，我认为我们都需要在今年确定一个计划。

扩展目标：稳定生成器语法

作为一个扩展目标，如果能支持生成器表达式（基本上是一种编写异步iterators的方法），那将会非常酷。Errs 最近开启了一项 PR，为异步添加nightly支持，而 RFC #3513 则建议为 Rust 2024 保留 gen 关键字。不过，要真正稳定生成器，我们还需要回答一些有趣的问题，即如何为异步iteration trait 进行最佳设计。多亏了 trait 中 async fn 的稳定化，我们现在可以进行这样的交流–而且我们确实一直在进行这样的交流！在过去的一个多月里，我们还就最佳设置进行了许多有趣的来回讨论。我还在消化所有的帖子，希望能在这个月提出一些想法（不保证）。无论如何，我认为我们有可能在 2024 年看到 async genreators 的出现，这将是一件好事，因为这将消除人们与 Pin 直接交互的主要原因。

结论：展望 2024 年

如果我们实现了上述目标，那么到 2024 年底，async Rust 将大有改进。但是，在我们真正完成所需的部分之前，仍有一些大项目需要完成。遗憾的是，我们不可能做到这一切，所以这些项目将不得不等到 2024 年之后，尽管我认为我们会继续实验和讨论它们的设计：

Async drop: 有了异步闭包之后，还有一个地方无法编写异步函数，那就是 Drop trait 。Async drop 有很多有趣的复杂问题（Sabrina 就此写了一篇很棒的博文！），但它也是用户的一大痛点。下面我们就来了解一下！

Dyn async trait：除了send bounds,，trait 中 async fn 的另一个主要限制是使用它们的 trait 尚不支持动态派发。我们绝对应该取消这一限制，但对我来说，它的优先级较低，因为现有的解决方法是使用 proc-macro 创建 DynAsyncTrait 类型。这并不理想，但它并不像send bounds,或缺乏 async closures和async drop那样是一个根本性的限制。(尽管如此，这方面的设计工作已基本完成，因此我们完全有可能在今年将其作为一项即兴工作加以实现）。

Traits for being generic over runtimes: Async Rust 能够支持 Tokio 和 Embassy 等不同的运行时，这是它的优势之一。但事实上，切换运行时或编写generic 运行时的代码非常困难，甚至不可能，这是一个关键的痛点，而运行时往往不能很好地协同工作，这就更糟糕了。我们需要为interop建立trait ，从[异步读写]开始，最终覆盖[任务生成和定时器]。

更好的APIs：当用户试图管理嵌套任务时，会出现许多最糟糕的异步 Rust Bug。现有的应用程序接口（如 FutureUnordered 和 select）有很多粗糙的边缘情况，很容易导致死锁–Tyler 曾就此发表过一篇很好的文章。我希望我们能重新审视为 Rust 程序员提供的异步 API，并建立一个功能强大、易于使用的库，帮助用户远离潜在的死锁源。理想情况下，这种 API 不会针对底层运行时，而是让用户在不同运行时之间切换，并希望能干净利落地支持嵌入式系统（也许功能有限）。我认为我们还不知道如何做到这一点，而且我认为要做到这一点，我们还需要更多的工具（如send bounds，async closure，以及很可能的 trait transformers 或 async drop）。

本文文字及图片出自 What I'd like to see for Async Rust in 2024