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Rust編程語言入門之無畏并發

2023-04-20 07:20:21 後端開發

無畏并發

并發

  • Concurrent：程式的不同部分之間獨立的執行（并發）
  • Parallel：程式的不同部分同時運行（并行）
  • Rust無畏并發：允許你撰寫沒有細微Bug的代碼，并在不引入新Bug的情況下易于重構
  • 注意：本文中的”并發“泛指 concurrent 和 parallel

一、使用執行緒同時運行代碼（多執行緒）

行程與執行緒

  • 在大部分OS里，代碼運行在行程（process）中，OS同時管理多個行程，
  • 在你的程式里，各獨立部分可以同時運行，運行這些獨立部分的就是執行緒（thread）
  • 多執行緒運行：
    • 提升性能表現
    • 增加復雜性：無法保障各執行緒的執行順序

多執行緒可導致的問題

  • 競爭狀態，執行緒以不一致的順序訪問資料或資源
  • 死鎖，兩個執行緒彼此等待對方使用完所持有的資源，執行緒無法繼續
  • 只在某些情況下發生的 Bug，很難可靠地復制現象和修復

實作執行緒的方式

  • 通過呼叫OS的API來創建執行緒：1:1模型
    • 需要較小的運行時
  • 語言自己實作的執行緒（綠色執行緒）：M:N模型
    • 需要更大的運行時
  • Rust：需要權衡運行時的支持
  • Rust標準庫僅提供1:1模型的執行緒

通過 spawn 創建新執行緒

  • 通過 thread::spawn 函式可以創建新執行緒：
    • 引數：一個閉包（在新執行緒里運行的代碼）
? 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 會導致當前執行緒暫停執行
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));  // 暫停 1 毫秒
    }
}

執行

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 
?

通過 join Handle 來等待所有執行緒的完成

  • thread::spawn 函式的回傳值型別是 JoinHandle
  • JoinHandle 持有值的所有權
    • 呼叫其 join 方法，可以等待對應的其它執行緒的完成
  • join 方法：呼叫 handle 的join方法會阻止當前運行執行緒的執行，直到 handle 所表示的這些執行緒終結，
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));  // 暫停 1 毫秒
    }

    handle.join().unwrap();
}

執行

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

等分執行緒執行完繼續執行主執行緒

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)); // 暫停 1 毫秒
    }
}

運行

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 閉包

  • move 閉包通常和 thread::spawn 函式一起使用，它允許你使用其它執行緒的資料
  • 創建執行緒時，把值的所有權從一個執行緒轉移到另一個執行緒
use std::thread;

fn main() {
  let v = vec![1, 2, 3];
  let handle = thread::spawn(|| { // 報錯
    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、使用訊息傳遞來跨執行緒傳遞資料

訊息傳遞

  • 一種很流行且能保證安全并發的技術就是：訊息傳遞，
    • 執行緒（或 Actor）通過彼此發送訊息（資料）來進行通信
  • Go 語言的名言：不要用共享記憶體來通信，要用通信來共享記憶體，
  • Rust：Channel（標準庫提供）

Channel

  • Channel 包含： 發送端、接收端
  • 呼叫發送端的方法，發送資料
  • 接收端會檢查和接收到達的資料
  • 如果發送端、接收端中任意一端被丟棄了，那么Channel 就”關閉“了

創建 Channel

  • 使用 mpsc::channel函式來創建 Channel
    • mpsc 表示 multiple producer，single consumer（多個生產者、一個消費者）
    • 回傳一個 tuple（元組）：里面元素分別是發送端、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);
}

發送端的 send 方法

  • 引數：想要發送的資料
  • 回傳：Result<T, E>
    • 如果有問題（例如接收端已經被丟棄），就回傳一個錯誤

接收端的方法

  • recv 方法：阻止當前執行緒執行，直到 Channel 中有值被送來
    • 一旦有值收到，就回傳 Result<T, E>
    • 當發送端關閉，就會收到一個錯誤
  • try_recv 方法：不會阻塞，
    • 立即回傳 Result<T, E>：
      • 有資料達到：回傳 Ok，里面包含著資料
      • 否則，回傳錯誤
    • 通常會使用回圈呼叫來檢查 try_recv 的結果

Channel 和所有權轉移

  • 所有權在訊息傳遞中非常重要：能幫你撰寫安全、并發的代碼
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)  // 報錯 借用了移動的值
  });
  
  let received = rx.recv().unwrap();
  println!("Got: {}", received);
}

發送多個值，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);
  }
}

通過克隆創建多個發送者

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、共享狀態的并發

使用共享來實作并發

  • Go 語言的名言：不要用共享記憶體來通信，要用通信來共享記憶體，
  • Rust支持通過共享狀態來實作并發，
  • Channel 類似單所有權：一旦將值的所有權轉移至 Channel，就無法使用它了
  • 共享記憶體并發類似多所有權：多個執行緒可以同時訪問同一塊記憶體

使用 Mutex 來每次只允許一個執行緒來訪問資料

  • Mutex 是 mutual exclusion（互斥鎖）的簡寫
  • 在同一時刻，Mutex 只允許一個執行緒來訪問某些資料
  • 想要訪問資料：
    • 執行緒必須首先獲取互斥鎖（lock）
      • lock 資料結構是 mutex 的一部分，它能跟蹤誰對資料擁有獨占訪問權
    • mutex 通常被描述為：通過鎖定系統來保護它所持有的資料

Mutex 的兩條規則

  • 在使用資料之前，必須嘗試獲取鎖（lock），
  • 使用完 mutex 所保護的資料，必須對資料進行解鎖，以便其它執行緒可以獲取鎖，

Mutex<T> 的 API

  • 通過 Mutex::new(資料) 來創建 Mutex<T>
    • Mutex<T>是一個智能指標
  • 訪問資料前，通過 lock 方法來獲取鎖
    • 會阻塞當前執行緒
    • lock 可能會失敗
    • 回傳的是 MutexGuard（智能指標，實作了 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);
}

多執行緒共享 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 || {  // 報錯 回圈 所有權
       let mut num = counter.lock().unwrap();
       
       *num += 1;
    });
    handles.push(handle);
  }
  
  for handle in handles {
    handle.join().unwrap();
  }
  
  println!("Result: {}", *counter.lock().unwrap());
}

多執行緒的多重所有權

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 || {  // 報錯 rc 只能用于單執行緒
       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>來進行原子參考計數

  • Arc<T>和Rc<T>類似，它可以用于并發情景
    • A：atomic，原子的
  • 為什么所有的基礎型別都不是原子的，為什么標準庫型別不默認使用 Arc<T>？
    • 需要性能作為代價
  • 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>提供了內部可變性，和 Cell 家族一樣
  • 我們使用 RefCell<T>來改變 Rc<T>里面的內容
  • 我們使用 Mutex<T> 來改變 Arc<T> 里面的內容
  • 注意：Mutex<T> 有死鎖風險

四、通過 Send 和 Sync Trait 來擴展并發

Send 和 Sync trait

  • Rust 語言的并發特性較少，目前講的并發特性都來自標準庫（而不是語言本身）
  • 無需局限于標準庫的并發，可以自己實作并發
  • 但在Rust語言中有兩個并發概念：
    • std::marker::Sync 和 std::marker::Send 這兩個trait

Send：允許執行緒間轉移所有權

  • 實作 Send trait 的型別可在執行緒間轉移所有權
  • Rust中幾乎所有的型別都實作了 Send
    • 但 Rc<T> 沒有實作 Send，它只用于單執行緒情景
  • 任何完全由Send 型別組成的型別也被標記為 Send
  • 除了原始指標之外，幾乎所有的基礎型別都是 Send

Sync：允許從多執行緒訪問

  • 實作Sync的型別可以安全的被多個執行緒參考
  • 也就是說：如果T是Sync，那么 &T 就是 Send
    • 參考可以被安全的送往另一個執行緒
  • 基礎型別都是 Sync
  • 完全由 Sync 型別組成的型別也是 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

手動來實作 Send 和 Sync 是不安全的

本文來自博客園，作者：QIAOPENGJUN，轉載請注明原文鏈接：https://www.cnblogs.com/QiaoPengjun/p/17332132.html

轉載請註明出處，本文鏈接：https://www.uj5u.com/houduan/550524.html

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    uj5u.com 2023-04-20 07:23:45 more
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    什么是JVM？ JVM，全稱Java Virtual Machine（Java虛擬機），是通過在實際的計算機上仿真模擬各種計算機功能來實作的。由一套位元組碼指令集、一組暫存器、一個堆疊、一個垃圾回收堆和一個存盤方法域等組成。JVM屏蔽了與作業系統平臺相關的資訊，使得Java程式只需要生成在Java虛擬機 ......

    uj5u.com 2023-04-20 07:23:31 more
  • 使用Java接入小程式訂閱訊息！

    更新完微信服務號的模板訊息之后，我又趕緊把微信小程式的訂閱訊息給實作了！之前我一直以為微信小程式也是要企業才能申請，沒想到小程式個人就能申請。 訊息推送平臺🔥推送下發【郵件】【短信】【微信服務號】【微信小程式】【企業微信】【釘釘】等訊息型別。 https://gitee.com/zhongfuch ......

    uj5u.com 2023-04-20 07:22:59 more
  • java -- 緩沖流、轉換流、序列化流

    緩沖流 緩沖流, 也叫高效流, 按照資料型別分類： 位元組緩沖流：BufferedInputStream，BufferedOutputStream 字符緩沖流：BufferedReader，BufferedWriter 緩沖流的基本原理，是在創建流物件時，會創建一個內置的默認大小的緩沖區陣列，通過緩沖 ......

    uj5u.com 2023-04-20 07:22:49 more
  • Java-SpringBoot-Range請求頭設定實作視頻分段傳輸

    老實說，人太懶了，現在基本都不喜歡寫筆記了，但是網上有關Range請求頭的文章都太水了 下面是抄的一段StackOverflow的代碼...自己大修改過的，寫的注釋挺全的，應該直接看得懂，就不解釋了 寫的不好...只是希望能給視頻網站開發的新手一點點幫助吧. 業務場景：視頻分段傳輸、視頻多段傳輸（理 ......

    uj5u.com 2023-04-20 07:22:42 more
  • Windows 10開發教程_編程入門自學教程_菜鳥教程-免費教程分享

    教程簡介 Windows 10開發入門教程 - 從簡單的步驟了解Windows 10開發，從基本到高級概念，包括簡介，UWP，第一個應用程式，商店，XAML控制元件，資料系結，XAML性能，自適應設計，自適應UI，自適應代碼，檔案管理，SQLite資料庫，應用程式到應用程式通信，應用程式本地化，應用程式 ......

    uj5u.com 2023-04-20 07:22:35 more

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