Rust编程语言之无畏并发

并发

• Concurrent：程序的不同部分之间独立的执行（并发）
• Parallel：程序的不同部分同时运行（并行）
• Rust无畏并发：允许你编写没有细微Bug的代码，并在不引入新Bug的情况下易于重构
• 注意：本文中的”并发“泛指 concurrent 和 parallel

一、使用线程同时运行代码（多线程）

进程与线程

• 在大部分OS里，代码运行在进程（process）中，OS同时管理多个进程。
• 在你的程序里，各独立部分可以同时运行，运行这些独立部分的就是线程（thread）
• 多线程运行：
  • 提升性能表现
  • 增加复杂性：无法保障各线程的执行顺序

多线程可导致的问题

• 竞争状态，线程以不一致的顺序访问数据或资源
• 死锁，两个线程彼此等待对方使用完所持有的资源，线程无法继续
• 只在某些情况下发生的 Bug，很难可靠地复制现象和修复

实现线程的方式

• 通过调用OS的API来创建线程：1:1模型
  • 需要较小的运行时
• 语言自己实现的线程（绿色线程）：M:N模型
  • 需要更大的运行时
• Rust：需要权衡运行时的支持
• Rust标准库仅提供1:1模型的线程

通过 spawn 创建新线程

• 通过 thread::spawn 函数可以创建新线程：
  • 参数：一个闭包（在新线程里运行的代码）

➜ cd rust

~/rust
➜ cargo new thread_demo
     Created binary (application) `thread_demo` package

~/rust
➜ cd thread_demo

thread_demo on  master [?] via 🦀 1.67.1
➜ c # code .

thread_demo on  master [?] via 🦀 1.67.1
➜

• thread::sleep 会导致当前线程暂停执行

use std::thread;
use std::time::Duration;

fn main() {
    thread::spawn(|| {
        for i in 1..10 {
            println!("hi number {} from the spawned thread!", i);
            thread::sleep(Duration::from_millis(1));
        }
    });

    for i in 1..5 {
        println!("hi number {} from the main thread!", i);
        thread::sleep(Duration::from_millis(1));  // 暂停 1 毫秒
    }
}

执行

thread_demo on  master [?] is 📦 0.1.0 via 🦀 1.67.1 
➜ cargo run            
   Compiling thread_demo v0.1.0 (/Users/qiaopengjun/rust/thread_demo)
    Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.65s
     Running `target/debug/thread_demo`
hi number 1 from the main thread!
hi number 1 from the spawned thread!
hi number 2 from the main thread!
hi number 2 from the spawned thread!
hi number 3 from the main thread!
hi number 3 from the spawned thread!
hi number 4 from the spawned thread!
hi number 4 from the main thread!
hi number 5 from the spawned thread!

thread_demo on  master [?] is 📦 0.1.0 via 🦀 1.67.1 
➜ 

通过 join Handle 来等待所有线程的完成

• thread::spawn 函数的返回值类型是 JoinHandle
• JoinHandle 持有值的所有权
  • 调用其 join 方法，可以等待对应的其它线程的完成
• join 方法：调用 handle 的join方法会阻止当前运行线程的执行，直到 handle 所表示的这些线程终结。

use std::thread;
use std::time::Duration;

fn main() {
    let handle = thread::spawn(|| {
        for i in 1..10 {
            println!("hi number {} from the spawned thread!", i);
            thread::sleep(Duration::from_millis(1));
        }
    });

    for i in 1..5 {
        println!("hi number {} from the main thread!", i);
        thread::sleep(Duration::from_millis(1));  // 暂停 1 毫秒
    }

    handle.join().unwrap();
}

执行

thread_demo on  master [?] is 📦 0.1.0 via 🦀 1.67.1 
➜ cargo run
   Compiling thread_demo v0.1.0 (/Users/qiaopengjun/rust/thread_demo)
    Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.75s
     Running `target/debug/thread_demo`
hi number 1 from the main thread!
hi number 1 from the spawned thread!
hi number 2 from the spawned thread!
hi number 2 from the main thread!
hi number 3 from the spawned thread!
hi number 3 from the main thread!
hi number 4 from the spawned thread!
hi number 4 from the main thread!
hi number 5 from the spawned thread!
hi number 6 from the spawned thread!
hi number 7 from the spawned thread!
hi number 8 from the spawned thread!
hi number 9 from the spawned thread!

thread_demo on  master [?] is 📦 0.1.0 via 🦀 1.67.1 

等分线程执行完继续执行主线程

use std::thread;
use std::time::Duration;

fn main() {
    let handle = thread::spawn(|| {
        for i in 1..10 {
            println!("hi number {} from the spawned thread!", i);
            thread::sleep(Duration::from_millis(1));
        }
    });

    handle.join().unwrap();

    for i in 1..5 {
        println!("hi number {} from the main thread!", i);
        thread::sleep(Duration::from_millis(1)); // 暂停 1 毫秒
    }
}

运行

thread_demo on  master [?] is 📦 0.1.0 via 🦀 1.67.1 
➜ cargo run
   Compiling thread_demo v0.1.0 (/Users/qiaopengjun/rust/thread_demo)
    Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.28s
     Running `target/debug/thread_demo`
hi number 1 from the spawned thread!
hi number 2 from the spawned thread!
hi number 3 from the spawned thread!
hi number 4 from the spawned thread!
hi number 5 from the spawned thread!
hi number 6 from the spawned thread!
hi number 7 from the spawned thread!
hi number 8 from the spawned thread!
hi number 9 from the spawned thread!
hi number 1 from the main thread!
hi number 2 from the main thread!
hi number 3 from the main thread!
hi number 4 from the main thread!

thread_demo on  master [?] is 📦 0.1.0 via 🦀 1.67.1 

使用 move 闭包

• move 闭包通常和 thread::spawn 函数一起使用，它允许你使用其它线程的数据
• 创建线程时，把值的所有权从一个线程转移到另一个线程

use std::thread;

fn main() {
  let v = vec![1, 2, 3];
  let handle = thread::spawn(|| { // 报错
    println!("Here's a vector: {:?}", v);
  });

  // drop(v);
  handle.join().unwrap();
}

修改后：

use std::thread;

fn main() {
  let v = vec![1, 2, 3];
  let handle = thread::spawn(move || { 
    println!("Here's a vector: {:?}", v);
  });

  // drop(v);
  handle.join().unwrap();
}

二、使用消息传递来跨线程传递数据

消息传递

• 一种很流行且能保证安全并发的技术就是：消息传递。
  • 线程（或 Actor）通过彼此发送消息（数据）来进行通信
• Go 语言的名言：不要用共享内存来通信，要用通信来共享内存。
• Rust：Channel（标准库提供）

Channel

• Channel 包含： 发送端、接收端
• 调用发送端的方法，发送数据
• 接收端会检查和接收到达的数据
• 如果发送端、接收端中任意一端被丢弃了，那么Channel 就”关闭“了

创建 Channel

• 使用 mpsc::channel函数来创建 Channel
  • mpsc 表示 multiple producer，single consumer（多个生产者、一个消费者）
  • 返回一个 tuple（元组）：里面元素分别是发送端、接收端

use std::sync::mpsc;
use std::thread;

fn main() {
  let (tx, rx) = mpsc::channel();

  thread::spawn(move || {
    let val = String::from("hi");
    tx.send(val).unwrap();
  });

  let received = rx.recv().unwrap();
  println!("Got: {}", received);
}

发送端的 send 方法

• 参数：想要发送的数据
• 返回：Result<T, E>
  • 如果有问题（例如接收端已经被丢弃），就返回一个错误

接收端的方法

• recv 方法：阻止当前线程执行，直到 Channel 中有值被送来
  • 一旦有值收到，就返回 Result<T, E>
  • 当发送端关闭，就会收到一个错误
• try_recv 方法：不会阻塞，
  • 立即返回 Result<T, E>：
  • 有数据达到：返回 Ok，里面包含着数据
  • 否则，返回错误
  • 通常会使用循环调用来检查 try_recv 的结果

Channel 和所有权转移

• 所有权在消息传递中非常重要：能帮你编写安全、并发的代码

use std::sync::mpsc;
use std::thread;

fn main() {
  let (tx, rx) = mpsc::channel();

  thread::spawn(move || {
    let val = String::from("hi");
    tx.send(val).unwrap();
    println!("val is {}", val)  // 报错 借用了移动的值
  });

  let received = rx.recv().unwrap();
  println!("Got: {}", received);
}

发送多个值，看到接收者在等待

use std::sync::mpsc;
use std::thread;

fn main() {
  let (tx, rx) = mpsc::channel();

  thread::spawn(move || {
    let vals = vec![
      String::from("hi"),
      String::from("from"),
      String::from("the"),
      String::from("thread"),
    ];

    for val in vals {
      tx.send(val).unwrap();
      thread::sleep(Duration::from_millis(1));
    }  
  });

  for received in rx {
    println!("Got: {}", received);
  }
}

通过克隆创建多个发送者

use std::sync::mpsc;
use std::thread;
use std::time::Duration;

fn main() {
  let (tx, rx) = mpsc::channel();

  let tx1 = mpsc::Sender::clone(&tx);
  thread::spawn(move || {
    let vals = vec![
      String::from("1: hi"),
      String::from("1: from"),
      String::from("1: the"),
      String::from("1: thread"),
    ];

    for val in vals {
      tx1.send(val).unwrap();
      thread::sleep(Duration::from_millis(1));
    }  
  });
   thread::spawn(move || {
    let vals = vec![
      String::from("hi"),
      String::from("from"),
      String::from("the"),
      String::from("thread"),
    ];

    for val in vals {
      tx.send(val).unwrap();
      thread::sleep(Duration::from_millis(1));
    }  
  });

  for received in rx {
    println!("Got: {}", received);
  }
}

三、共享状态的并发

使用共享来实现并发

• Go 语言的名言：不要用共享内存来通信，要用通信来共享内存。
• Rust支持通过共享状态来实现并发。
• Channel 类似单所有权：一旦将值的所有权转移至 Channel，就无法使用它了
• 共享内存并发类似多所有权：多个线程可以同时访问同一块内存

使用 Mutex 来每次只允许一个线程来访问数据

• Mutex 是 mutual exclusion（互斥锁）的简写
• 在同一时刻，Mutex 只允许一个线程来访问某些数据
• 想要访问数据：
  • 线程必须首先获取互斥锁（lock）
  • lock 数据结构是 mutex 的一部分，它能跟踪谁对数据拥有独占访问权
  • mutex 通常被描述为：通过锁定系统来保护它所持有的数据

Mutex 的两条规则

• 在使用数据之前，必须尝试获取锁（lock）。
• 使用完 mutex 所保护的数据，必须对数据进行解锁，以便其它线程可以获取锁。

Mutex<T> 的 API

• 通过 Mutex::new(数据) 来创建 Mutex<T>
  • Mutex<T>是一个智能指针
• 访问数据前，通过 lock 方法来获取锁
  • 会阻塞当前线程
  • lock 可能会失败
  • 返回的是 MutexGuard（智能指针，实现了 Deref 和 Drop）

use std::sync::Mutex;

fn main() {
  let m = Mutex::new(5);

  {
    let mut num = m.lock().unwrap();
    *num = 6;
  }

  println!("m = {:?}", m);
}

多线程共享 Mutex<T>

use std::sync::Mutex;
use std::thread;

fn main() {
  let counter = Mutex::new(0);
  let mut handles = vec![];

  for _ in 0..10 {
     let handle = thread::spawn(move || {  // 报错 循环 所有权
       let mut num = counter.lock().unwrap();

       *num += 1;
    });
    handles.push(handle);
  }

  for handle in handles {
    handle.join().unwrap();
  }

  println!("Result: {}", *counter.lock().unwrap());
}

多线程的多重所有权

use std::sync::Mutex;
use std::thread;
use std::rc::Rc;

fn main() {
  let counter = Rc::new(Mutex::new(0));
  let mut handles = vec![];

  for _ in 0..10 {
    let counter = Rc::clone(&counter);
    let handle = thread::spawn(move || {  // 报错 rc 只能用于单线程
       let mut num = counter.lock().unwrap();

       *num += 1;
    });
    handles.push(handle);
  }

  for handle in handles {
    handle.join().unwrap();
  }

  println!("Result: {}", *counter.lock().unwrap());
}

使用 Arc<T>来进行原子引用计数

• Arc<T>和Rc<T>类似，它可以用于并发情景
  • A：atomic，原子的
• 为什么所有的基础类型都不是原子的，为什么标准库类型不默认使用 Arc<T>？
  • 需要性能作为代价
• Arc<T>和Rc<T> 的API是相同的

use std::sync::{Mutex, Arc};
use std::thread;

fn main() {
  let counter = Arc::new(Mutex::new(0));
  let mut handles = vec![];

  for _ in 0..10 {
    let counter = Arc::clone(&counter);
    let handle = thread::spawn(move || {  
       let mut num = counter.lock().unwrap();

       *num += 1;
    });
    handles.push(handle);
  }

  for handle in handles {
    handle.join().unwrap();
  }

  println!("Result: {}", *counter.lock().unwrap());
}

RefCell<T>/Rc<T> vs Muter<T>/Arc<T>

• Mutex<T>提供了内部可变性，和 Cell 家族一样
• 我们使用 RefCell<T>来改变 Rc<T>里面的内容
• 我们使用 Mutex<T> 来改变 Arc<T> 里面的内容
• 注意：Mutex<T> 有死锁风险

四、通过 Send 和 Sync Trait 来扩展并发

Send 和 Sync trait

• Rust 语言的并发特性较少，目前讲的并发特性都来自标准库（而不是语言本身）
• 无需局限于标准库的并发，可以自己实现并发
• 但在Rust语言中有两个并发概念：
  • std::marker::Sync 和 std::marker::Send 这两个trait

Send：允许线程间转移所有权

• 实现 Send trait 的类型可在线程间转移所有权
• Rust中几乎所有的类型都实现了 Send
  • 但 Rc<T> 没有实现 Send，它只用于单线程情景
• 任何完全由Send 类型组成的类型也被标记为 Send
• 除了原始指针之外，几乎所有的基础类型都是 Send

Sync：允许从多线程访问

• 实现Sync的类型可以安全的被多个线程引用
• 也就是说：如果T是Sync，那么 &T 就是 Send
  • 引用可以被安全的送往另一个线程
• 基础类型都是 Sync
• 完全由 Sync 类型组成的类型也是 Sync
  • 但，Rc<T>不是 Sync 的
  • RefCell<T> 和 Cell<T>家族也不是 Sync的
  • 而，Mutex<T>是Sync的

手动来实现 Send 和 Sync 是不安全的

未完待续...