【译】理解Rust中的Futures（二） (3)

Self: Sized是一个约束，允许map只能被Sized的 trait 实现者调用。你不必考虑这个问题，但是确实有些类型不是Sized。例如，[i32]是一个不确定大小的数组。因为我们不知道它多长。如果我们想要为它实现我们的Future trait，那么我们就不能对它调用map。

大多数组合子都遵循这个模式，因此接下来的文章我们就不需要分析的这么仔细了。

下面是一个map的完整实现，它的Map类型以及它对Future的实现

mod future {
    trait Future {
        // ...

        fn map<U, F>(self, f: F) -> Map<Self, F>
        where
            F: FnOnce(Self::Output) -> U,
            Self: Sized,
        {
            Map {
                future: self,
                f: Some(f),
            }
        }
    }

    // ...

    pub struct Map<Fut, F> {
        future: Fut,
        f: Option<F>,
    }

    impl<Fut, F, T> Future for Map<Fut, F>
    where
        Fut: Future,
        F: FnOnce(Fut::Output) -> T,
    {
        type Output = T;

        fn poll(&mut self, cx: &Context) -> Poll<T> {
            match self.future.poll(cx) {
                Poll::Ready(val) => {
                    let f = self.f.take().unwrap();
                    Poll::Ready(f(val))
                }
                Poll::Pending => Poll::Pending,
            }
        }
    }
}

fn main() {
    let my_future = future::ready(1).map(|val| val + 1);
    println!("Output: {}", block_on(my_future));
}

Playground 链接[7]

从高层次来讲，当我们调用一个 future 上的map时，我们构造了一个Map类型，该类型持有当前 future 的引用以及我们传入的闭包。Map对象自身也是一个 Future。当它被轮询时，它依次轮询底层的 future。当底层的 future 就绪后，它获取那个 future 的Output的值并且把它传入闭包，对Poll::Ready中的闭包返回的值进行包装（wrapping）并且把新值向上传递。

如果你阅读了最新的博客，你对在这里看到的东西应该感到很熟悉，但是在我们继续之前，我会快速地讲解作为一个复习。

pub struct Map<Fut, F>是一个关于 future——Fut和函数F的泛型。

f: Option<F>是一个包装了闭包了Option类型。这里是个小技巧，以保证闭包只被调用一次。当你获取一个Option的值，它会用None替换内部的值并且返回里面包含的值。如果在返回一个Poll::Ready之后被轮询，这个函数会 panic。在实际中，future 的 executor 不会允许这种情况发生。

type Output = T;定义了 map future 的输出和我们的闭包的返回值是将会是相同的。

Poll::Read(f(val))返回带有闭包返回结果的就绪（ready）状态。

Poll::Pending => Poll::Pending 如果底层的 future 返回 pending，继续传递。

future::ready(1).map(|val| val + 1); 这对就绪（ready）future 的输出进行了 map，并对其加 1。它返回了一个 map future，其中带有对原先的 future 的一个引用。map future 在运行期间轮询原先的 future 是否就绪（ready）。这和我们的AddOneFuture做的是相同的事情。

这真的很酷，主要有以下几个原因。首先，你不必对每一个你想要进行的计算都实现一个新的 future，它们可以被包装（wrap）进组合子。事实上，除非你正在实现你自己的异步操作，否则你可能从来都不需要自己去实现Future trait。

Then

现在我们有了map，我们可以把任何我们想要的计算链接起来，对么？答案是对的，但是对此还有一个相当大的警告。

想象一下，当你有一些函数，这些函数返回你想要链接起来的 future。对于这个例子，我们可以想象，它们是下面的 api 调用，这些调用返回包装（wrap）在 future 中的结果，get_user和get_files_for_user。

// does not compile
fn main() {
    let files_future = get_user(1).map(|user| get_files_for_user(user));
    println!("User Files: {}", block_on(files_future));
}

这段代码无法编译，但是你可以想象你在这里构建的类型，看起来应该像这样：Future<Output = Future<Output= FileList>>。这在使用Result和Option类型的时候也是一个常见问题。使用map函数经常会导致嵌套的输出和对这些嵌套的繁琐处理。在这种情况下，你不得不去跟踪到底嵌套了多少层并且对每一个嵌套的 future 都调用block_on。

幸运地是，Result，Option有一个被称为and_then的解决方案。Option的and_then通过对T应用一个函数来映射（map）Some(T) -> Some(U)，并且返回闭包所返回的Option。对于 future，它是通过一个称为then的函数来实现的，该函数看起来很像映射（map），但是这个闭包应该它自己的 future。在一些语言中，这被称为flatmap。这里值得注意的是，传递给then的闭包返回的值必须是实现了Future，否则你将会得到一个编译器错误。

这里是我们的对于then，Then结构体和它的对Future trait 的实现。其中的大部分内容和我们在 map 中做的很像。

mod future {
    trait Future {
        // ...
        fn then<Fut, F>(self, f: F) -> Then<Self, F>
        where
            F: FnOnce(Self::Output) -> Fut,
            Fut: Future,
            Self: Sized,
        {
            Then {
                future: self,
                f: Some(f),
            }
        }
    }

    // ...

    pub struct Then<Fut, F> {
        future: Fut,
        f: Option<F>,
    }

    impl<Fut, NextFut, F> Future for Then<Fut, F>
    where
        Fut: Future,
        NextFut: Future,
        F: FnOnce(Fut::Output) -> NextFut,
    {
        type Output = NextFut::Output;

        fn poll(&mut self, cx: &Context) -> Poll<Self::Output> {
            match self.future.poll(cx) {
                Poll::Ready(val) => {
                    let f = self.f.take().unwrap();
                    f(val).poll(cx)
                }
                Poll::Pending => Poll::Pending,
            }
        }
    }
}

fn main() {
    let my_future = future::ready(1)
        .map(|val| val + 1)
        .then(|val| future::ready(val + 1));
    println!("Output: {}", block_on(my_future));
}

Playground 链接[8]

这里面没见过的代码可能是f(val).poll(cx)。它调用了带有先前 future 的闭包并且直接返回给你poll的值。

聪明的你可能会意识到，我们的Then::poll函数可能会 panic。如果第一个 future 返回就绪（ready）但是第二个 future 返回Poll::Pending，接着let f = self.f.take().unwrap();这行代码就会在下次被轮询（poll）的时候 panic 并退出程序。在future-preview中，这种情况会通过一个称为Chain[9]的类型来处理。Chain 通过 unsafe 代码块来实现，并且使用了新类型——Pin。这些内容超出了本文的范围。目前来讲，我们可以假定任何通过then闭包返回的 future 都绝不会返回Poll::Pending。总体来讲，这不是个安全的假设。

Result 组合子

在 futures-rs 库的 0.1 版本中，Future trait 和Result类型紧密关联。Future trait 的定义如下：

// does not compile
trait Future {
    type Item;
    type Error;

    fn poll(self) -> Poll<Self::Item, Self::Error>;
}

Poll类型里定义了成功状态、失败状态和未就绪状态。这意味着像map这种函数只有当 Poll 是就绪并且不是错误的情况下才能执行。尽管这会产生一些困扰，但是它在链接组合子并且根据成功或失败状态做决定的时候，会产生一些非常好的人体工程学（ergonomics ）。

这与std::future的实现方式有所不同。现在 future 要么是就绪或者是未就绪，对于成功或失败语义是不可知的。它们可以包含任何值，包括一个Result。为了得到便利的组合子，比如像map_err能够让你只改变一个嵌套的 Result 中的错误类型，或者想and_then这样，允许你只改变嵌套 Result 中的值类型，我们需要实现一个新的 trait。下面是TryFuture的定义：

mod future {
    //...
    pub trait TryFuture {
        type Ok;
        type Error;

        fn try_poll(self, cx: &mut Context) -> Poll<Result<Self::Ok, Self::Error>>;
    }

    impl<F, T, E> TryFuture for F
    where
        F: Future<Output = Result<T, E>>,
    {
        type Ok = T;
        type Error = E;

        fn try_poll(&mut self, cx: &Context) -> Poll<F::Output> {
            self.poll(cx)
        }
    }
}

Playground 链接[10]

TryFuture是一个 trait，我们可以为任意的类型<F, T, E>实现这个 trait，其中F实现了Future trait，它的Output类型是Result<T,E>。它只有一个实现者。那个实现者定义了一个try_poll函数，该函数与Future trait 上的poll有相同的签名，它只是简单地调用了poll方法。

这意味着任何一个拥有 Result 的Output类型的 future 也能够访问它的成功/错误（success/error）状态。这也使得我们能够定义一些非常方便的组合子来处理这些内部 Result 类型，而不必在一个map或and_then组合子内显示地匹配Ok和Err类型。下面是一些能够阐述这个概念的实现。

AndThen

让我们回顾之前想象到的 API 函数。假定它们现在处于会发生网络分区和服务器中断的现实世界中，不会总是能返回一个值。这些 API 方法实际上会返回一个嵌有 result 的 future 以表明它已经完成，并且是要么是成功完成，要么是带有错误的完成。我们需要去处理这些结果，下面是我们可能是根据现有工具处理它的方式。

// does not compile
fn main() {
    let files_future = get_user(1).then(|result| {
        match result {
            Ok(user) => get_files_for_user(user),
            Err(err) => future::ready(Err(err)),
        }
    });

    match block_on(files_future) {
        Ok(files) => println!("User Files: {}", files),
        Err(err) => println!("There was an error: {}", err),:w
    };
}

情况还不算太坏，但是假定你想要链接更多的 future，事情很快就会变得一团糟。幸运的是，我们可以定义一个组合子——and_then，该组合子将会把类型Future<Output = Result<T, E>>映射到Future<Output = Result<U, E>>，其中我们把T变为了U。

下面是我们定义它的方式：

mod future {
    pub trait TryFuture {
        // ...

        fn and_then<Fut, F>(self, f: F) -> AndThen<Self, F>
        where
            F: FnOnce(Self::Ok) -> Fut,
            Fut: Future,
            Self: Sized,
        {
            AndThen {
                future: self,
                f: Some(f),
            }
        }
    }

    // ...
    pub struct AndThen<Fut, F> {
        future: Fut,
        f: Option<F>,
    }

    impl<Fut, NextFut, F> Future for AndThen<Fut, F>
    where
        Fut: TryFuture,
        NextFut: TryFuture<Error = Fut::Error>,
        F: FnOnce(Fut::Ok) -> NextFut,
    {
        type Output = Result<NextFut::Ok, Fut::Error>;

        fn poll(&mut self, cx: &Context) -> Poll<Self::Output> {
            match self.future.try_poll(cx) {
                Poll::Ready(Ok(val)) => {
                    let f = self.f.take().unwrap();
                    f(val).try_poll(cx)
                }
                Poll::Ready(Err(err)) => Poll::Ready(Err(err)),
                Poll::Pending => Poll::Pending,
            }
        }
    }
}

fn main() {
    let my_future = future::ready(1)
        .map(|val| val + 1)
        .then(|val| future::ready(val + 1))
        .map(Ok::<i32, ()>)
        .and_then(|val| future::ready(Ok(val + 1)));

    println!("Output: {:?}", block_on(my_future));
}

Playground 链接[11]

你对此应该较为熟悉。事实上，这和then组合子的实现基本一致。只有一些关键的区别需要注意：

函数定义在 TryFuture trait 中