rust语言tokio库底层原理解析

1 rust版本及tokio版本说明

rust版本为1.60

[10307750@zte.intra@LIN-9AC90CF34F9 ~]$ cargo --version
cargo 1.60.0 (d1fd9fe 2022-03-01)
[10307750@zte.intra@LIN-9AC90CF34F9 ~]$ rustup --version
rustup 1.26.0 (5af9b9484 2023-04-05)
info: This is the version for the rustup toolchain manager, not the rustc compiler.
info: The currently active `rustc` version is `rustc 1.60.0 (7737e0b5c 2022-04-04)`
[10307750@zte.intra@LIN-9AC90CF34F9 ~]$ rustup toolchain list
stable-x86_64-unknown-linux-gnu
nightly-x86_64-unknown-linux-gnu
1.59-x86_64-unknown-linux-gnu
1.60-x86_64-unknown-linux-gnu (default)
1.64-x86_64-unknown-linux-gnu
1.65-x86_64-unknown-linux-gnu

tokio版本为1.0.0

[package]
name = "rust_tokio"
version = "0.1.0"
edition = "2021"

# See more keys and their definitions at https://doc.rust-lang.org/cargo/reference/manifest.html

[dependencies]
tokio = { version = "1.0.0", features = ["full"] }

1 tokio简介

略

2 tokio::main

当我们要使用tokio库时，需要在主函数上定义tokio::main，如下所示：

2.1 tokio::main使用多线程模式

多线程模式即main函数为主线程，另外还有一些worker工作线程。如下：

use tokio;

#[tokio::main]
async fn main() {
    tokio::time::sleep(tokio::time::Duration::new(1, 0)).await;
    println!("hello world!");
}

这个#[tokio::main]宏定义实际上是#[tokio::main(flavor = "multi_thread", worker_threads = 7)]，如下所示：

use tokio;

#[tokio::main(flavor = "multi_thread", worker_threads = 7)]
async fn main() {
    tokio::time::sleep(tokio::time::Duration::new(1, 0)).await;
    println!("hello world!");
}

flavor="multi_thread"表示当前使用的是多线程模式，worker_threads=7表示产生7个工作线程。#[tokio::main]宏定义如果没有手动指定worker_threads数量，tokio则会自动生成worker_threads数量，该数量主要与当前运行环境的CPU数量有关，其对应关系为1个cpu core对应1个worker_thread工作线程。即worker_thread_nums = CPU core nums

上述代码随后会被展开，展开成如下代码：

fn main() {
    let mut builder = tokio::runtime::Builder::new_multi_thread();
    let runtime = builder.enable_all().build().unwrap();
    runtime.block_on(async {
        tokio::time::sleep(tokio::time::Duration::new(1, 0)).await;
        println!("hello world!");
    });
}

更易理解的写法为如下：

use tokio;

fn main() {
	// 创建一个builder，设置为multi_thread模式，此时的线程数量还为None
    let mut builder = tokio::runtime::Builder::new_multi_thread();
    // 构建tokio的runtime运行时，创建线程池，数量为worker_thread nums = cpu core 
    let runtime = builder.enable_all().build().unwrap();
    // block_on函数是真正执行自己写的代码的部分，为阻塞式运行
    // 只有当block_on中的内容完全执行结束才会继续执行main函数block_on后面的内容
    runtime.block_on(tokio_main());
}

// 自己的main函数逻辑代码
async fn tokio_main() {
    tokio::time::sleep(tokio::time::Duration::new(1, 0)).await;
    println!("hello world!");
}

2.2 tokio::main使用单线程模式

单线程模式的意思则是只有main一个线程，没有worker_thread工作线程，且在后续的使用中，也不会去创建worker_thread工作线程。单线程模式必须手动在#[tokio::main]宏定义中指定current_thread。如下所示：

use tokio;

#[tokio::main(flavor = "current_thread")]
async fn main() {
    tokio::time::sleep(tokio::time::Duration::new(1, 0)).await;
    println!("hello world!");
}

在上述代码中，定义了一个async块，为main()函数，这个async块则会在代码展开的时候，作为runtime.block_on()函数的入参，如下所示：

use tokio;

fn main() {
	// 创建一个builder，设置为current_thread模式
    let mut builder = tokio::runtime::Builder::new_current_thread();
    // 构建tokio的runtime运行时
    let runtime = builder.enable_all().build().unwrap();
    // block_on函数是真正执行自己写的代码的部分，为阻塞式运行
    // 只有当block_on中的内容完全执行结束才会继续执行main函数block_on后面的内容
    runtime.block_on(async {
        tokio::time::sleep(tokio::time::Duration::new(1, 0)).await;
        println!("hello world!");
    });
}

或者写成如下格式更好理解：

use tokio;

fn main() {
	// 创建一个builder，设置为current_thread模式
    let mut builder = tokio::runtime::Builder::new_current_thread();
    // 构建tokio的runtime运行时
    let runtime = builder.enable_all().build().unwrap();
    // block_on函数是真正执行自己写的代码的部分，为阻塞式运行
    // 只有当block_on中的内容完全执行结束才会继续执行main函数block_on后面的内容
    runtime.block_on(tokio_main());
}

// 自己的main函数逻辑代码
async fn tokio_main() {
    tokio::time::sleep(tokio::time::Duration::new(1, 0)).await;
    println!("hello world!");
}

3 builder.build()函数

build函数会调用build_threaded_runtime创建多线程模式

3.1 build_threaded_runtime()函数

调用create_blocking_pool函数
BlockingPool::new()函数则会创建一个BlockPool结构体，这个结构体中有一个Shared结构体

pub(crate) fn new(builder: &Builder, thread_cap: usize) -> BlockingPool {
        let (shutdown_tx, shutdown_rx) = shutdown::channel();
        let keep_alive = builder.keep_alive.unwrap_or(KEEP_ALIVE);

        BlockingPool {
            spawner: Spawner {
                inner: Arc::new(Inner {
                	// 创建shared结构体
                    shared: Mutex::new(Shared {
                        queue: VecDeque::new(),
                        num_th: 0,
                        num_idle: 0,
                        num_notify: 0,
                        shutdown: false,
                        shutdown_tx: Some(shutdown_tx),
                        last_exiting_thread: None,
                        worker_threads: HashMap::new(),
                        worker_thread_index: 0,
                    }),
                    condvar: Condvar::new(),
                    thread_name: builder.thread_name.clone(),
                    stack_size: builder.thread_stack_size,
                    after_start: builder.after_start.clone(),
                    before_stop: builder.before_stop.clone(),
                    thread_cap,
                    keep_alive,
                }),
            },
            shutdown_rx,
        }
    }

Shared结构体如下：

// BlockingPool线程池中共享的一些数据结构
struct Shared {
	// queue队列，BlockingPool线程池中的线程会从这个queue中取task
    queue: VecDeque<Task>,
    // 一共有num_th个线程
    num_th: usize,
    // 有num_idle个线程处于闲置状态，什么事情都没干
    num_idle: u32,
    // 有num_notify个线程被通知有任务可以拿来处理，即有num_notify个线程处于忙碌中。
    num_notify: u32,
    // 线程池shutdown相关的事情。
    shutdown: bool,
    shutdown_tx: Option<shutdown::Sender>,
    /// Prior to shutdown, we clean up JoinHandles by having each timed-out
    /// thread join on the previous timed-out thread. This is not strictly
    /// necessary but helps avoid Valgrind false positives, see
    /// https://github.com/tokio-rs/tokio/commit/646fbae76535e397ef79dbcaacb945d4c829f666
    /// for more information.
    last_exiting_thread: Option<thread::JoinHandle<()>>,
    /// This holds the JoinHandles for all running threads; on shutdown, the thread
    /// calling shutdown handles joining on these.
    // 所有的worker_thread
    worker_threads: HashMap<usize, thread::JoinHandle<()>>,
    /// This is a counter used to iterate worker_threads in a consistent order (for loom's
    /// benefit)
    worker_thread_index: usize,
}

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$$\Gamma (z)={\int }_0^{\infty }{t}^{z-1}{e}^{-t}dt.$$

你可以找到更多关于的信息 LaTeX 数学表达式here.

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• 关于 甘特图 语法，参考 这儿,

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这将产生一个流程图。:

• 关于 Mermaid 语法，参考 这儿,

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• 关于 Flowchart流程图 语法，参考 这儿.

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