在异步 Rust 中，Future 如何确保只调用最新的 Waker？

Question

这个问题的目的是为了了解Rust中Futures应该如何工作。我没有一个具体不起作用的代码片段，而是对于如何编写Futures以满足其约定存在问题。

假设你正在编写一个Future。poll()的约定允许调用者每次传入一个不同的Waker，而Future只会调用最新的那个。

假设这个Future隐藏了后台由工作线程完成的实际工作。如果工作线程在创建Future时所传递的工作尚未完成，那么Future应该返回Pending并且克隆和存储Waker。然后，Future在一段时间内什么都不做，并且是工作线程调用Waker。这将导致再次对Future进行轮询。

假设当Future再次被轮询时，它判断工作线程到目前为止所做的还不够，所以它再次返回Pending，并且在这第二次调用中也克隆和存储新的Waker。

由于实际调用唤醒器的是工作线程，因此poll()实现必须在后台线程中更新唤醒器。然而，我不清楚poll()实现如何以无竞争的方式进行更新——但现在问题变得棘手了，因为细节取决于poll()合同中的细节，我认为这些细节甚至没有被准确地指定。

可能发生的一件事是，在poll()运行时，就在它想要将新的唤醒器交给后台工作者之前，工作者决定该调用唤醒器。现在它调用旧的唤醒器，即使poll()已经收到了新的唤醒器，这可能违反合同（我认为这并没有指定）。因此，人们可能认为，在poll()完成之前，工作者可以调用旧的唤醒器，但这仅在工作者允许在poll()运行时调用任一唤醒器时才有效，这也没有提到，并且只需要在poll()返回后调用新的唤醒器。

最后，即使这个假设依赖于另一个未指定的事情：在多线程上下文中，“在 poll() 返回之后”的确切含义，通常必须诉诸于特别定义的术语，例如 happens-after，以定义一个事件发生在另一个事件之后。

考虑到所有这些，poll() 实现如何履行其仅调用最新的 Waker 的契约？是否有一份文件详细说明了似乎缺失于 poll() 文档中的所有细节？

- Martin Geisse

---

我认为你可以实际做的最好的方法是：将唤醒器存储在互斥锁中。在poll函数中，将互斥锁作为第一操作进行锁定。 - PitaJ

Answer 1

关于以无竞争的方式更新唤醒器，我的建议是使用futures::task::AtomicWaker，它可以原子地存储和唤醒唤醒器。

需要注意的是，唤醒唤醒器并不意味着未来还有更多的工作要做，唤醒器可以间歇性地被唤醒（例如，如果另一个未来准备好继续执行）。

考虑一个简单的未来，它具有一个AtomicWaker和一个“待完成工作”的标志，该标志在未来和工作线程之间共享。如果在轮询时未设置“待完成工作”标志，则未来将简单地返回Poll::Pending。

为了正确性，我们只需要两件事：

1. 工作线程必须在唤醒唤醒器之前设置“待完成工作”标志。
2. 未来必须在检查“待完成工作”标志之前注册新的唤醒器。

这意味着无论工作线程和poll方法以哪种顺序执行操作，行为都将是正确的：

1. 如果没有调用poll方法，那么工作线程将设置标志并唤醒唤醒者，唤醒者将轮询未来并发现有需要完成的任务。

2. 如果调用了poll方法，并且在注册新的唤醒者之前唤醒了旧的唤醒者，那么未来将发现有需要完成的任务，并且可以忽略旧的唤醒者。（这可能导致不必要地唤醒旧的唤醒者，但这没问题。）

3. 如果调用了poll方法，并且在注册新的唤醒者之后唤醒了旧的唤醒者，那么未来可能会或可能不会发现有需要完成的任务。如果发现了，就可以像第2点一样忽略唤醒者；如果没有发现，则唤醒者将确保再次轮询未来，就像第1点一样。

在这三种情况下，当工作线程标记未来已准备好继续工作并唤醒唤醒者时，未来将被轮询，直到完成更多的工作，即使这可能需要多次轮询。

- Frxstrem

---

我认为两个答案实际上描述的是同一个解决方案，但这个更明确地指出了它们，既在引用AtomicWaker上，又在注册新Waker后如何检查标志（因为在实践中，可能是poll()而不是后台工作者来进行操作，然后poll()可以执行必要的结果步骤，而自己不需要唤醒）。 - Martin Geisse

Answer 2

我同意文档应该更清楚地说明需要什么。然而，实际上，你只需要确保新的唤醒器被调用，而不一定是旧的唤醒器没有被调用。也就是说，唤醒两个唤醒器或者只唤醒最近的一个都可以，因此你不需要有任何特定的线程事件时间关系。

为什么我们可以得出这个结论？因为以下两个事实：

1. 没有规定在未唤醒时轮询未来是不允许的。（例如，每当将轮询未来的责任移交给新的/不同的执行器任务时，必须发生这种情况，因为唤醒器需要提供给未来。）因此，没有未来可以知道它是被虚假轮询还是有用轮询。
2. Future是不透明的。它们应该在“未来可以取得进展时调用唤醒器”，但从外部无法判断它们是否实际上取得了进展。因此，未来的执行器无法知道给定的唤醒和轮询是有用的还是虚假的。

将这两个事实结合起来，我们可以得出这样的结论：错误地调用Waker::wake()的唯一后果就是浪费了一点CPU时间。

因此，在您的工作线程情况下，重要的是，如果后台线程被交付一个新的唤醒器，并且它相信结果已经准备好了，那么它应该立即调用该唤醒器（而不是假设轮询会发生，因为它调用了先前的唤醒器）。它可能在变为就绪状态的同时也唤醒了先前过时的唤醒器，但这并不重要。

- Kevin Reid

---

这确实有所帮助，但我认为对于仍然拥有旧Waker并调用它的工作者来说可能不适用。尽管如此还是有帮助的。 - Martin Geisse

@MartinGeisse 正如我在最后一段所说，工作者有责任在听到新唤醒器的消息后立即调用它。 - Kevin Reid

啊，我完全误解了。现在我明白了。非常感谢！ - Martin Geisse