如何将异步函数存储在结构中并从结构实例中调用它？

Question

我正在尝试使用新的async/await 语法、std::future::Futures 和最新版本的 Tokio 来实现这一点。我正在使用 Tokio 0.2.0-alpha.4 和 Rust 1.39.0-nightly。

我尝试过的不同方法包括：

• 将Box<dyn>s 用于我想要存储在结构中的类型
• 在结构定义中使用泛型

我无法获得最小的工作版本，所以这是我想要实现的简化版本：

async fn foo(x: u8) -> u8 {
    2 * x
}

// type StorableAsyncFn = Fn(u8) -> dyn Future<Output = u8>;

struct S {
    f: StorableAsyncFn,
}

#[tokio::main]
async fn main() -> Result<(), Box<dyn std::error::Error + Send + Sync>> {
    let s = S { f: foo };

    let out = (s.f)(1).await;

    Ok(())
}

当然，这段代码编译失败，错误如下：

error[E0412]: cannot find type `StorableAsyncFn` in this scope

StorableAsyncFn 此处未定义，这是我要定义的类型。

Answer 1

另一种存储异步函数的方法是使用 trait 对象。如果您希望能够在运行时动态地换出函数，或者存储异步函数的集合，这将非常有用。为此，我们可以存储一个装箱的Fn，它返回一个装箱的Future：

use futures::future::BoxFuture; // Pin<Box<dyn Future<Output = T> + Send>>

struct S {
    foo: Box<dyn Fn(u8) -> BoxFuture<'static, u8>,
}

但是，如果我们尝试初始化S，我们会立即遇到问题：

async fn foo(x: u8) -> u8 {
    x * 2
}

let s = S { foo: Box::new(foo) };

error[E0271]: type mismatch resolving `<fn(u8) -> impl futures::Future {foo} as FnOnce<(u8,)>>::Output == Pin<Box<(dyn futures::Future<Output = u8> + 'static)>>`
  --> src/lib.rs:14:22
   |
5  | async fn foo(x: u8) -> u8 {
   |                        -- the `Output` of this `async fn`'s found opaque type
...
14 |     let s = S { foo: Box::new(foo) };
   |                      ^^^^^^^^^^^^^ expected struct `Pin`, found opaque type
   |
   = note: expected struct `Pin<Box<(dyn futures::Future<Output = u8> + 'static)>>`
           found opaque type `impl futures::Future`

错误信息很清楚。 S 期望拥有 Future，但 async 函数返回 impl Future。我们需要更新函数签名以匹配存储的 trait 对象：

fn foo(x: u8) -> BoxFuture<'static, u8> {
    Box::pin(async { x * 2 })
}

这可行，但在我们要存储的每个函数中，Box::pin 会很痛苦。如果我们想将其公开给用户怎么办？

我们可以通过将函数包装在闭包中来抽象出装箱：

async fn foo(x: u8) -> u8 {
    x * 2
}

let s = S { foo: Box::new(move |x| Box::pin(foo(x))) };
(s.foo)(12).await // => 24

这很好用，但我们可以通过编写自定义 trait 并自动执行转换来让它变得更好：

trait AsyncFn {
    fn call(&self, args: u8) -> BoxFuture<'static, u8>;
}

并为我们要存储的函数类型实现它：

impl<T, F> AsyncFn for T
where
    T: Fn(u8) -> F,
    F: Future<Output = u8> + 'static,
{
    fn call(&self, args: u8) -> BoxFuture<'static, u8> {
        Box::pin(self(args))
    }
}

现在我们可以存储自定义特征的特征对象了！

struct S {
    foo: Box<dyn AsyncFn>,
}


let s = S { foo: Box::new(foo) };
s.foo.call(12).await // => 24

Answer 2

让我们用它作为我们的Minimal, Reproducible Example:

async fn foo(x: u8) -> u8 {
    2 * x
}

struct S {
    foo: (),
}

async fn example() {
    let s = S { foo };
}

它会产生错误：

error[E0308]: mismatched types
  --> src/main.rs:10:17
   |
10 |     let s = S { foo };
   |                 ^^^ expected (), found fn item
   |
   = note: expected type `()`
              found type `fn(u8) -> impl std::future::Future {foo}`

foo 的类型是一个函数指针，它接受 u8 并返回一些实现特征 std::future::Future 的类型。 async fn 实际上只是将-> Foo 转换为-> impl Future<Output = Foo> 的语法糖。

我们将结构体设为泛型，并将特征绑定到匹配的泛型上。在实际代码中，您可能希望对 Output 关联类型施加约束，但本示例不需要它。然后我们可以像调用任何其他可调用成员字段一样调用该函数：

async fn foo(x: u8) -> u8 {
    2 * x
}

struct S<F>
where
    F: std::future::Future,
{
    foo: fn(u8) -> F,
}

impl<F> S<F>
where
    F: std::future::Future,
{
    async fn do_thing(self) {
        (self.foo)(42).await;
    }
}

async fn example() {
    let s = S { foo };
    s.do_thing().await;
}

为了更加灵活，您可以使用另一个泛型来存储闭包，而不是只强制使用函数指针：

struct S<C, F>
where
    C: Fn(u8) -> F,
    F: std::future::Future,
{
    foo: C,
}

impl<C, F> S<C, F>
where
    C: Fn(u8) -> F,
    F: std::future::Future,
{
    async fn do_thing(self) {
        (self.foo)(42).await;
    }
}

另见：

• How do I call a function through a member variable?
• How do I store a closure in a struct in Rust?