5. 状态机揭秘 🟢

你将学到：

• 编译器如何将 async fn 转换为 enum 状态机
• 并排对比：源代码 vs 生成的状态
• 为什么 async fn 中的大栈分配会撑大 future 大小
• Drop 优化：值一旦不再需要就立即 drop

编译器实际生成的内容

当你编写 async fn 时，编译器将你看似顺序的代码转换为基于 enum 的状态机。理解这个转换是理解 Rust 异步性能特征和许多怪癖的关键。

并排对比：async fn vs 状态机

#![allow(unused)]
fn main() {
// 你写的：
async fn fetch_two_pages() -> String {
    let page1 = http_get("https://example.com/a").await;
    let page2 = http_get("https://example.com/b").await;
    format!("{page1}\n{page2}")
}
}

编译器生成概念上类似这样的内容：

#![allow(unused)]
fn main() {
enum FetchTwoPagesStateMachine {
    // State 0：准备调用 http_get 获取 page1
    Start,

    // State 1：等待 page1，持有 future
    WaitingPage1 {
        fut1: HttpGetFuture,
    },

    // State 2：已获取 page1，等待 page2
    WaitingPage2 {
        page1: String,
        fut2: HttpGetFuture,
    },

    // 终止状态
    Complete,
}

impl Future for FetchTwoPagesStateMachine {
    type Output = String;

    fn poll(mut self: Pin<&mut Self>, cx: &mut Context<'_>) -> Poll<String> {
        loop {
            match self.as_mut().get_mut() {
                Self::Start => {
                    let fut1 = http_get("https://example.com/a");
                    *self.as_mut().get_mut() = Self::WaitingPage1 { fut1 };
                }
                Self::WaitingPage1 { fut1 } => {
                    let page1 = match Pin::new(fut1).poll(cx) {
                        Poll::Ready(v) => v,
                        Poll::Pending => return Poll::Pending,
                    };
                    let fut2 = http_get("https://example.com/b");
                    *self.as_mut().get_mut() = Self::WaitingPage2 { page1, fut2 };
                }
                Self::WaitingPage2 { page1, fut2 } => {
                    let page2 = match Pin::new(fut2).poll(cx) {
                        Poll::Ready(v) => v,
                        Poll::Pending => return Poll::Pending,
                    };
                    let result = format!("{page1}\n{page2}");
                    *self.as_mut().get_mut() = Self::Complete;
                    return Poll::Ready(result);
                }
                Self::Complete => panic!("polled after completion"),
            }
        }
    }
}
}

注意：这个反糖化是概念性的。真实的编译器输出使用 unsafe pin 投影——这里显示的 get_mut() 调用需要 Unpin，但 async 状态机是 !Unpin。目标是说明状态转换，而不是生成可编译代码。

stateDiagram-v2
    [*] --> Start
    Start --> WaitingPage1: 创建 http_get future #1
    WaitingPage1 --> WaitingPage1: poll() → Pending
    WaitingPage1 --> WaitingPage2: poll() → Ready(page1)
    WaitingPage2 --> WaitingPage2: poll() → Pending
    WaitingPage2 --> Complete: poll() → Ready(page2)
    Complete --> [*]: 返回 format!("{page1}\\n{page2}")

状态内容：

• WaitingPage1 —— 存储 fut1: HttpGetFuture（page2 还未分配）
• WaitingPage2 —— 存储 page1: String、fut2: HttpGetFuture（fut1 已被 drop）

为什么这对性能很重要

零成本：状态机是栈分配的 enum。每个 future 没有堆分配、没有垃圾回收器、没有 boxing——除非你显式使用 Box::pin()。

大小：enum 的大小是所有变体的最大值。每个 .await 点创建一个新的变体。这意味着：

#![allow(unused)]
fn main() {
async fn small() {
    let a: u8 = 0;
    yield_now().await;
    let b: u8 = 0;
    yield_now().await;
}
// 大小 ≈ max(size_of(u8), size_of(u8)) + 判别式 + future 大小
//      ≈ 很小！

async fn big() {
    let buf: [u8; 1_000_000] = [0; 1_000_000]; // 栈上 1MB！
    some_io().await;
    process(&buf);
}
// 大小 ≈ 1MB + 内部 future 大小
// ⚠️ 不要在 async 函数中栈分配巨大的缓冲区！
// 使用 Vec<u8> 或 Box<[u8]> 代替。
}

Drop 优化：当状态机转换时，它会 drop 不再需要的值。在上面的例子中，当我们从 WaitingPage1 转换到 WaitingPage2 时，fut1 被 drop——编译器自动插入 drop。

实用规则：async fn 中的大栈分配会撑大 future 的大小。如果你在异步代码中看到栈溢出，检查是否有大数组或深度嵌套的 futures。如果需要，使用 Box::pin() 在堆上分配子 futures。

练习：预测状态机

#![allow(unused)]
fn main() {
async fn pipeline(url: &str) -> Result<usize, Error> {
    let response = fetch(url).await?;
    let body = response.text().await?;
    let parsed = parse(body).await?;
    Ok(parsed.len())
}
}

关键要点——状态机揭秘

• async fn 编译为每个 .await 点一个变体的 enum
• Future 的大小 = 所有变体大小的最大值——大栈值会撑大它
• 编译器在状态转换时自动插入 drop
• 当 future 大小成为问题时使用 Box::pin() 或堆分配

另见： 第 4 章 — Pin 和 Unpin 了解为什么生成的 enum 需要 pinning，第 6 章 — 手动构建 Futures 亲手构建这些状态机