エグゼキューターを書いてみよう

Rust のFutureは怠け者です。積極的に完了しない限り、何もしてくれません。 future を完了させるための一つの方法はasync関数内の.awaitです。それは問題は 1 レベル上に押し上げるだけです。トップレベルの非同期関数から返された future を誰が実行しますか？ Futureのエグゼキューターが必要です。

Futureエグゼキューターは、トップレベルのFutureセットを取得し、Futureが進行するたびにpollを呼び出すことにより、それらを完了まで実行します。

通常、エグゼキューターは future を一回pollして開始します。Futureがwake()を呼び出して進行する準備ができたことを示すと、それらはキューに戻され、pollが再度呼び出され、Futureが完了するまで繰り返されます。

このセクションでは、多数のトップレベル future を同時に実行できる、独自のシンプルなエグゼキューターを作成していきます。

この例では、Wakerを構築する簡単な方法を提供するArcWakeトレイトの future クレートに依存しています。

[package]
name = "xyz"
version = "0.1.0"
authors = ["XYZ Author"]
edition = "2018"

[dependencies]
futures-preview = "=0.3.0-alpha.17"

次に、src/main.rsの先頭に次のインポートが必要です。


# #![allow(unused_variables)]
#fn main() {
use {
    futures::{
        future::{FutureExt, BoxFuture},
        task::{ArcWake, waker_ref},
    },
    std::{
        future::Future,
        sync::{Arc, Mutex},
        sync::mpsc::{sync_channel, SyncSender, Receiver},
        task::{Context, Poll},
        time::Duration,
    },
    // The timer we wrote in the previous section:
    timer_future::TimerFuture,
};
#}

エグゼキューターはチャネルを介して実行するタスクを送信することで動作します。エグゼキューターはチャネルからイベントを取得して実行します。タスクがより多くの作業をする準備ができた時に(起こされた時)、タスクをチャネルに戻すことにより、再度ポーリングされるようにスケジュールできます。

この設計では、エグゼキューター自体にタスクチャネルの受信側が必要です。ユーザーは新しい future を作成できるように送信側を取得します。タスク自体は自分自身を再スケジュールする future です。したがって、タスク自体をリキューするために使用できる送信者とペアになった future として保存します。


# #![allow(unused_variables)]
#fn main() {
/// Task executor that receives tasks off of a channel and runs them.
struct Executor {
    ready_queue: Receiver<Arc<Task>>,
}

/// `Spawner` spawns new futures onto the task channel.
#[derive(Clone)]
struct Spawner {
    task_sender: SyncSender<Arc<Task>>,
}

/// A future that can reschedule itself to be polled by an `Executor`.
struct Task {
    /// In-progress future that should be pushed to completion.
    ///
    /// The `Mutex` is not necessary for correctness, since we only have
    /// one thread executing tasks at once. However, Rust isn't smart
    /// enough to know that `future` is only mutated from one thread,
    /// so we need use the `Mutex` to prove thread-safety. A production
    /// executor would not need this, and could use `UnsafeCell` instead.
    future: Mutex<Option<BoxFuture<'static, ()>>>,

    /// Handle to place the task itself back onto the task queue.
    task_sender: SyncSender<Arc<Task>>,
}

fn new_executor_and_spawner() -> (Executor, Spawner) {
    // Maximum number of tasks to allow queueing in the channel at once.
    // This is just to make `sync_channel` happy, and wouldn't be present in
    // a real executor.
    const MAX_QUEUED_TASKS: usize = 10_000;
    let (task_sender, ready_queue) = sync_channel(MAX_QUEUED_TASKS);
    (Executor { ready_queue }, Spawner { task_sender})
}
#}

また、spawner にメソッドを追加して、新しい future を簡単に生成できるようにします。このメソッドは future の型を取得し、それを box 化してFutureObjに入れ、その中にエグゼキューターにエンキューできる新しいArc<Task>を作成します。


# #![allow(unused_variables)]
#fn main() {
impl Spawner {
    fn spawn(&self, future: impl Future<Output = ()> + 'static + Send) {
        let future = future.boxed();
        let task = Arc::new(Task {
            future: Mutex::new(Some(future)),
            task_sender: self.task_sender.clone(),
        });
        self.task_sender.send(task).expect("too many tasks queued");
    }
}
#}

future を poll するにはWakerを作成する必要があります。Waker の章でも説明したようにWakerはwake()が呼び出された時に再度ポーリングされるタスクをスケジュールする責任があります。Wakerはどのタスクが準備完了になったかをエグゼキューターに正確に伝え、準備ができている future だけをポーリングできることを忘れないでください。新しいWakerを作成する簡単な方法はArcWakeトレイトを実装し、waker_refまたは.into_waker()関数を使用してArc<impl ArcWake>をWakerに変更することです。タスクにArcWakeを実装してタスクをWakerに変えて目覚めさせてみましょう。


# #![allow(unused_variables)]
#fn main() {
impl ArcWake for Task {
    fn wake_by_ref(arc_self: &Arc<Self>) {
        // Implement `wake` by sending this task back onto the task channel
        // so that it will be polled again by the executor.
        let cloned = arc_self.clone();
        arc_self.task_sender.send(cloned).expect("too many tasks queued");
    }
}
#}

Arc<Task>からWakerが作成された時にwake()を呼び出すと、Arc のコピーがタスクチャネルに送信されます。次に、エグゼキューターがタスクを取得してポーリングする必要があります。それを実装しましょう。


# #![allow(unused_variables)]
#fn main() {
impl Executor {
    fn run(&self) {
        while let Ok(task) = self.ready_queue.recv() {
            // Take the future, and if it has not yet completed (is still Some),
            // poll it in an attempt to complete it.
            let mut future_slot = task.future.lock().unwrap();
            if let Some(mut future) = future_slot.take() {
                // Create a `LocalWaker` from the task itself
                let waker = waker_ref(&task);
                let context = &mut Context::from_waker(&*waker);
                // `BoxFuture<T>` is a type alias for
                // `Pin<Box<dyn Future<Output = T> + Send + 'static>>`.
                // We can get a `Pin<&mut dyn Future + Send + 'static>`
                // from it by calling the `Pin::as_mut` method.
                if let Poll::Pending = future.as_mut().poll(context) {
                    // We're not done processing the future, so put it
                    // back in its task to be run again in the future.
                    *future_slot = Some(future);
                }
            }
        }
    }
}
#}

おめでとう！future エグゼキューターができました！これを使用して、async / .awaitコードと先ほど書いたTimerFutureなどのカスタム future を実行することができます。

fn main() {
    let (executor, spawner) = new_executor_and_spawner();

    // Spawn a task to print before and after waiting on a timer.
    spawner.spawn(async {
        println!("howdy!");
        // Wait for our timer future to complete after two seconds.
        TimerFuture::new(Duration::new(2, 0)).await;
        println!("done!");
    });

    // Drop the spawner so that our executor knows it is finished and won't
    // receive more incoming tasks to run.
    drop(spawner);

    // Run the executor until the task queue is empty.
    // This will print "howdy!", pause, and then print "done!".
    executor.run();
}

Asynchronous Programming in Rust

エグゼキューターを書いてみよう