A Design Space Exploration of Async/Await
Gavin Gray, Shriram Krishnamurthi, Will Crichton
cs.PL
2026-08-21
布朗大学把 JavaScript、C#、Swift、Python（Asyncio/Trio）和 Rust（Tokio/Smol）的 async/await 拆成九个语义轴。同一段伪代码三种调用，七种运行时打印结果无一重合，PLT Redex 操作语义解释每处分叉。
JavaScript、C#、Python、Rust、Swift 都有 async/await，文档还都说「写起来像同步代码」。跨语言搬知识时，这套话会害人：表面同名，底层对「调用立刻干什么、任务何时死、取消怎么走」的回答完全拧着。
布朗大学这篇 OOPSLA 2026 论文把这种写法叫做 straight-line asynchrony（直线式异步），靠编译器把回调和事件循环藏起来，让异步代码读起来像顺序语句。对照对象是七套已定型、且在广泛使用的设计：ECMAScript 2025 的 JavaScript、.NET 10 上的 C14、Swift 6.2 的 structured concurrency、Python 3.14 配 Asyncio 与 Trio 0.33、Rust 1.92 配 Tokio 1.50 与 Smol 2.0。另外扫过 Kotlin、C++20、F#、Haskell、OCaml、Hack、Nim、Dart、Zig，主表只收这七套。
开篇一张表就把问题钉死。同一段「后台写日志」伪代码，三种调用方式，七套运行时打出七种不同的字母串，没有任何两套全对上。
他们只收会改「操作有没有发生、发生顺序」的决策，不收 await 写在前还是后这种纯语法，也不收 runtime 怎么对接操作系统这种纯性能问题。材料是 RFC、语言规范、GitHub 讨论和社区踩坑帖，抽出九个轴，按任务出生、死亡、取消分成三组。
出生两轴。Eagerness 问的是：调用一个 async 函数时立刻干什么。Python 和 Rust 是 lazy，返回协程，什么都不跑，要并发必须显式 spawn 成 task；C和 JavaScript 是 eager，当前线程直接钻进函数体，撞上 await 才变成 task 交还调用方；Swift 的 async let 是 semi-eager，立刻挂到队列，调用方继续往下走，输出因此可不确定。Suspension 问的是：await 会不会保证让出。只有 JavaScript 按规范静态让出；其余都是动态的，已经完成的 task 被 await 时可以不挂起。静态让出能防饥饿，代价是已完成的 await 也要绕一圈 runtime。
死亡四轴。Extent：task 默认可活多久。JS、C#、Tokio、Smol、Asyncio 是 indefinite，可以活到 runtime 结束；Swift 和 Trio 是 dynamic，绑在父作用域。Reference strength：indefinite 下 runtime 握的是强引用还是弱引用。JS、C#、Tokio 强，丢了句柄也会跑完；Asyncio 和 Smol 弱。Smol 靠 Drop 取消，Asyncio 的弱引用在 CPython 仓库里被标成 bug，Guido van Rossum 也说不清当初为什么这么设计。Destruction：到期怎么收。JS 和 Trio 会等到跑完；Swift、Tokio、Smol、Asyncio 先 cancel，再可能等待；C直接 terminated，runtime 退出，跑着的 task 被掐掉。Propagation：没人 await 的异常怎么办。只有 Trio 会在 nursery 结束时重新抛出；其余大多只打日志或吞掉。
取消三轴。Awareness：被取消的 task 能不能反应。Rust 的 Tokio 和 Smol 是 unaware，yield 之后不再 poll，等价于扔掉 continuation；Python 和 Swift 会把取消异常或标志塞回去，finally 还能修不变量。Direction：取消在依赖图上怎么走。Rust 自上而下靠 Drop；Python 自下而上从叶子抛异常；Swift 同时打到整棵子树的取消标志。Persistence：取消是一次性还是粘住。Asyncio 是 transient，catch 掉一次之后后续 await 当没事；Trio 和 Swift 是 persistent，后面每个 await 都可能再抛取消。要做异步清理，后两者靠 shield 之类的临时豁免。
这套选择被写成 λv 上的操作语义，用 delimited continuation（reset/shift，有界的 continuation，用来精确切出 await 点之后那截）加异常处理。每个轴对应规则里不同的着色片段。[Async-App]、[Spawn]、[Await] 和取消规则按语言分叉。模型在 PLT Redex 里实现，附件里还有可运行翻译，以及对真实 runtime 的 differential fuzzer。
主证据是 Figure 1。writetolog 打印 A、睡 2、打印 B。ex1 直接调用不 await，再打 C、睡 3；ex2 在 detach 后睡 1 再打 C；ex3 用 timeout(1) 包一层会 await 的版本。打印串如下：
| 运行时 | ex1 | ex2 | ex3 |
| C# | ACB | AC | ACB |
| JavaScript | ACB | ACB | ACB |
| Swift | CAB | AC | AC |
| Python+Asyncio | C | AC | AC |
| Python+Trio | C | ABC | AC |
| Rust+Tokio | C | AC | ACB |
| Rust+Smol | C | C | AC |
七行互不相同。
局部例子同样硬。一个 eager 下的重复调用，JavaScript 因静态让出打出 ABCAB，C因动态让出打出 AABBC。作用域结束时，Trio 会等到子任务打完 ABC，Swift 先 cancel 所以可能一个字母都不打，Cterminated，可能只打出 A。Trio 的 nursery 里子任务抛异常，父作用域会在出口重抛，A 能印出来、B 印不出来；同样程序在其他系统里 A、B 都会印。
形式模型还说明：相同输出可以来自不同规则。ex2 上 C和 Swift 都打出 AC，C是 runtime 循环 terminated 掉还在跑的 task，Swift 是作用域结束 cancel 未 await 的子任务。换一个上下文，这两套就会散开。
没有吞吐量、延迟或用户实验数字。验证靠可运行翻译、Redex 模型和对真实 runtime 的 differential fuzzer，论文没报 fuzz 发现了多少不一致。
写异步代码、或从 JS 迁到 Rust、从 C迁到 Swift 的人，不能把关键字当同一概念。lazy 下「调用了等于没跑」会直接违反从同步函数带过来的直觉；Tokio 和 Smol 同属 Rust，一个强引用跑完、一个 Drop 就取消，库绑错 runtime，行为会变。
给语言设计者的用处更实在。新功能漏掉这九轴里任何一轴，都会在「看起来像同步」的代码上长出另一种打印串。C++20 协程每个轴都可配，论文干脆不把它放进 Table 1，理由是每个库都在自造一门异步 DSL，连同一门语言内部都难做知识迁移。
这是设计空间论文，不是「该用 Trio」的排名。作者把下一步写成经验问题：semi-eager 比 eager 多多少并发、贵多少；simultaneous 取消能不能少真实 bug。
作者承认缺经验数据，没法回答哪套更符合程序员预期、哪套更少出错。Kotlin 的隐式 suspend、Zig 的 colorblind IO、C++20 的全可配协程只在讨论里点到，没有按九轴完整归类。主比较只覆盖「已定型且广泛使用」的七套，F作为最早的主流 async/await 反而没进主表。
他们刻意不管立即 await f() 的调用，因为在所有设计里它都等价于同步调用。真实代码里这种写法极多，论文展示的分歧是「引入并发的那一类调用」的分歧，不能直接外推到全部 async 代码。
fuzzer 存在，但正文没给发现数量或覆盖率。C和 JavaScript 没有内建取消 running task 的机制，取消三轴对这两门语言基本不适用，表格里用 cancellation token 补，和语言级取消不是同一层东西。