Tokio任务系统解析

Tokio的任务系统是其异步运行时的核心，它负责调度和执行异步任务。让我们深入分析其设计和实现。

1. 核心组件

1.1 任务表示

pub(crate) struct Task<S: 'static> {
  raw: RawTask,
  _p: PhantomData<S>,
}

RawTask：实际的任务数据，包含任务状态、调度器等。
PhantomData<S>：关联调度器类型，用于类型安全

pub(crate) struct Header {
    state: State,                   // 任务状态
    queue_next: UnsafeCell<...>,    // 任务队列指针
    vtable: &'static Vtable,        // 虚函数表
    owner_id: UnsafeCell<...>,      // 任务所有者ID
    // ...
}

2. 任务生命周期

2.1 创建任务

fn new_task<T, S>(task: T, scheduler: S, id: Id) -> (Task<S>, Notified<S>, JoinHandle<T::Output>)
where
    T: Future + 'static,
    S: Schedule,
{
    let raw = RawTask::new::<T, S>(task, scheduler, id, spawned_at);
    // 创建三种句柄
    let task = Task { raw, _p: PhantomData };
    let notified = Notified(Task { raw, _p: PhantomData });
    let join = JoinHandle::new(raw);
    (task, notified, join)
}

RawTask实现了Copy，故这里可以这样做，同时我们需要知道RawTask的初始引用计数状态。

pub(super) fn new() -> State {
  State {
    val: AtomicUsize::new(INTIAL_STATE),
  }
}

初始状态设置为：

const INITIAL_STATE: usize = (REF_ONE * 3) | JOIN_INTEREST | NOTIFIED;

这意味着：

初始引用计数是REF_ONE * 3
同时设置了 JOIN_INTEREST 和 NOTIFIED 标志位

一个任务创建会返回三个句柄：

Task：用于取消或释放任务
Notified：表示任务已准备好执行
JoinHandle：用于等待任务完成并获取结果

3. 核心机制

3.1 任务调度

// 在调度器中的执行循环
loop {
    let task = self.next_task();  // 获取下一个就绪任务
    task.run();                  // 执行任务
}

3.2 唤醒机制

// Waker 实现
struct Waker {
    header: NonNull<Header>,
    // ...
}

impl std::task::Wake for Waker {
    fn wake(self) {
        self.wake_by_ref();
    }
    
    fn wake_by_ref(&self) {
        // 将任务标记为就绪并重新调度
        unsafe { (self.header.as_ref().vtable.schedule)(self.header) };
    }
}

4. 内存管理

4.1 任务分配

impl<T: Future, S: Schedule> RawTask<T, S> {
    fn new(future: T, scheduler: S, id: Id) -> NonNull<Header> {
        // 1. 计算内存布局
        // 2. 分配内存
        // 3. 初始化 Header 和 Future
        // 4. 返回指向 Header 的指针
    }
}

4.2 内存布局

+-------------------+
|      Header       |  // 包含任务元数据和虚函数表
+-------------------+
|   Scheduler (S)   |  // 调度器实例
+-------------------+
|   Future (T)      |  // 实际的 Future
+-------------------+
|   Output Slot     |  // 存储 Future 的输出
+-------------------+
|   Traces          |  // 调试和跟踪信息
+-------------------+

5. 并发控制

5.1 状态管理

struct State {
    // 使用原子操作管理状态
    // - 运行中标志
    // - 完成标志
    // - 取消标志
    // - 引用计数
    value: AtomicUsize,
}

具体来说：

高位的比特位用于引用计数(REF_COUNT_MASK)
低位的比特位用于任务状态(STATE_MASK)

5.2 锁优化

// 使用无锁算法优化热点路径
fn transition_to_running(&self) -> TransitionToRunning {
    // 使用原子操作更新状态
    // 避免使用互斥锁
}

7. 设计模式

7.1 类型擦除

// 使用虚函数表实现类型擦除
struct Vtable {
    poll: unsafe fn(NonNull<Header>),
    dealloc: unsafe fn(NonNull<Header>),
    // ...
}

7.2 零成本抽象

// 使用泛型和编译期多态
impl<T, S> Task<T, S> {
    // 零成本抽象
}

1. 核心组件

1.1 任务表示

1.2 任务头(Header)

2. 任务生命周期

2.1 创建任务

3. 核心机制

3.1 任务调度

3.2 唤醒机制

4. 内存管理

4.1 任务分配

4.2 内存布局

5. 并发控制

5.1 状态管理

5.2 锁优化

7. 设计模式

7.1 类型擦除

7.2 零成本抽象