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实用知识
多线程
我们今天来讲讲Rust中的多线程。
我直接来看看代码：
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));
}
}
运行结果，如下：
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 spawned thread!
hi number 3 from the main thread!
hi number 4 from the main thread!
hi number 4 from the spawned thread!
我们先来看看，线程定义的方法：
thread::spawn(|| {
for i in 1..10 {
println!("hi number {} from the spawned thread!", i);
thread::sleep(Duration::from_millis(1));
}
});
在Rust中，创建新线程，用thread::spawn函数（这个函数来看std），这个函数传递一个闭包，闭包里包含线程运行代码：
{
for i in 1..10 {
println!("hi number {} from the spawned thread!", i);
thread::sleep(Duration::from_millis(1));
}
}
这里特别说明一下，在Rust，线程模型跟操作系统的线程模型，是1：1的关系。
我们再来看看运行结果。
我们发现主线程，main thread打印的信息是从1到4，是完整的。
而自定义的线程spawned thread，也是只打印到4，也许你们的电脑可能打印到5（并没有打印1到10）。
结果不尽相同。
但这里说明一个问题，主线程结束后自定义的线程spawned thread，也立马关闭了。
那如何可以做到让自定义的线程spawned thread打印从1到10的结果呢？
用JoinHandle。
JoinHandle是thread::spawn函数的返回类型，它是有个方法join，可以让主线程等待子线程完成所有工作。
请看代码：
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));
}
handle.join().unwrap();
}
这个时候 ，我们看到我们的运行结果是：
hi number 1 from the main thread!
hi number 2 from the main thread!
hi number 1 from the spawned thread!
hi number 3 from the main thread!
hi number 2 from the spawned thread!
hi number 4 from the main 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!
可能你们的电脑打印的顺序不一样，但自定义的线程 spawned thread，所有循环都可执行完，主线程才会结束。
如果我们把相关的代码 handle.join().unwrap();
调整一下顺序，如下：
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();//调整顺序到这里
for i in 1..5 {
println!("hi number {} from the main thread!", i);
thread::sleep(Duration::from_millis(1));
}
}
打印结果又变成这样的：
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!
我们看到主线程会等待子线程 spawned thread运行完后，再运行自己的代码。
好的，我们知道线程的基本用法后，我们来写一个简单的程序，如下 ：
use std::thread;
fn main() {
let v = vec![1, 2, 3];
let handle = thread::spawn(|| {
println!("Here's a vector: {:?}", v);
});
handle.join().unwrap();//这代码表示主线程main，在这里等待子线程thread::spawn执行完成 后再结束
}
编译代码，编译器女王会抛出一个错误信息给你：
error[E0373]: closure may outlive the current function, but it borrows `v`,
which is owned by the current function
--> src/main.rs:6:32
|
6 | let handle = thread::spawn(|| {
| ^^ may outlive borrowed value `v`
7 | println!("Here's a vector: {:?}", v);
| - `v` is borrowed here
|
help: to force the closure to take ownership of `v` (and any other referenced
variables), use the `move` keyword
|
6 | let handle = thread::spawn(move || {
|
我们从错误信息可以看到，在子线程中的代码：
println!("Here's a vector: {:?}", v);
会从主线程main中借用v的引用，但是，这里的v在主线程对数据拥有所有权，并且有可能在主线程的中把它销毁掉。这时，子线程在后台运行时，会发现v已经不存在。这就会发生灾难性后果。
rust的编译器是不允许这样的情况出现。
那怎么解决？
用move。
代码如下 ：
use std::thread;
fn main() {
let v = vec![1, 2, 3];
let handle = thread::spawn(move || {
println!("Here's a vector: {:?}", v);
});
handle.join().unwrap();
}
这时，我们再运行一下，会得出正确的结果：
Here's a vector: [1, 2, 3]
这里的move关键词，让Rust编译器女王知道，子线程中的闭包函数拥有对v中数据的所有权，所以就不会再出现灾难性的后果。
好，现在我们再来试验一下，增加一段有趣的代码：
use std::thread;
fn main() {
let v = vec![1, 2, 3];
let handle = thread::spawn(move || {
println!("Here's a vector: {:?}", v);
});
println!("Now vector: {:?}", v);//增加一段代码，访问v
handle.join().unwrap();
}
我们编译一下代码，编译器又会报告出一个错误：
error[E0382]: borrow of moved value: `v`
--> srcmain.rs:29:35
|
23 | let v = vec![1, 2, 3];
| - move occurs because `v` has type `std::vec::Vec<i32>`, which does not implement the `Copy` trait
24 |
25 | let handle = thread::spawn(move || {
| ------- value moved into closure here
26 | println!("Here's a vector: {:?}", v);
| - variable moved due to use in closure
...
29 | println!("Now vector: {:?}", v);
| ^ value borrowed here after move
这个错误信息已经很详细，它的主要意思 就是，v绑定的数据所有权已经move给了线程代码中的闭包，你现在再借用，已经失效。因为v已经失去了数据所有权。
好，我们现在再来看看多个线程中如何通信。
我们了解到在golang的口号中，有一句这样的话：
Do not communicate by sharing memory; instead, share memory by communicating.
什么意思呢？
就是说：线程间通信不要用共享内存的方式来通信，而是要用通信的方式来共享内存。
简单来说，就要用actor的模式来处理线程的通信与共享数据的逻辑。
所以，在Rust中的个关键词channel，用来定义线程间通信的管道。
我们可以把它想象成，自来水的管道，而数据就是自来水。
那管道有上端和下端。
上端一般用来发送数据。
下端一般用来接收数据。
我们先来看看简单的代码：
use std::sync::mpsc;
fn main() {
let (tx, rx) = mpsc::channel();
}
这段代码中，我们用元组来同时定义管道的上端tx,和下端rx。
mpsc代表什么意思 呢？
multiple producer, single consumer
也就是多个生产者，单个消费者。
知道多线程模型的同学应该很清楚。
我们把这个多个生产者，单个消费者的模型，可以想象成三通水管，像这样：
这里，多个生产者线程负责往管道中发送数据。
而只有一个消费者线程负责接收数据。
我们来看看完整代码：
use std::thread;
use std::sync::mpsc;
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);
}
thread::spawn创建的子线程负责往管道发送数据，而主线程负责接收数据。
打印结果为：
Got: hi
上面有段代码：
tx.send(val).unwrap();
这里有个方法：unwrap()。
这个方法，代表什么意思呢？
在Rust，它的含义是：如果一切正常，给我返回一个返回值;如果有错误或异常，停止执行程序。
我们再来看看，加一段有趣的代码：
use std::thread;
use std::sync::mpsc;
fn main() {
let (tx, rx) = mpsc::channel();
thread::spawn(move || {
let val = String::from("hi");
tx.send(val).unwrap();
println!("val is {}", val);//增加一行打印val值的代码
});
let received = rx.recv().unwrap();
println!("Got: {}", received);
}
结果如何？
报错：
error[E0382]: use of moved value: `val`
--> src/main.rs:10:31
|
9 | tx.send(val).unwrap();
| --- value moved here
10 | println!("val is {}", val);
| ^^^ value used here after move
|
= note: move occurs because `val` has type `std::string::String`, which does
not implement the `Copy` trait
这个错误信息明显告诉你，val的所有权已经移动move，即val已经不再拥有数据，所以你现在打印数据，会报错。
那要怎么处理？用如下代码：
use std::thread;
use std::sync::mpsc;
fn main() {
let (tx, rx) = mpsc::channel();
thread::spawn(move || {
let val = String::from("hi");
println!("val is {}", val);//增加一行打印val值的代码
tx.send(val).unwrap();
});
let received = rx.recv().unwrap();
println!("Got: {}", received);
}
我们在tx.send方法之前处理就可以了。这时，数据所有权还没有移动。
好理解。
我们在看看水管的上端，不停地放水的代码：
use std::thread;
use std::sync::mpsc;
use std::time::Duration;
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_secs(1));//线程休眠1秒
}
});
for received in rx {
println!("Got: {}", received);
}
}
我们看到水管的下端rx，直接可以用for来遍历。
打印结果为：
Got: hi
Got: from
Got: the
Got: thread
我们来看看多个生产者线程的情况，代码：
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("hi"),
String::from("from"),
String::from("the"),
String::from("thread"),
];
for val in vals {
tx1.send(val).unwrap();
thread::sleep(Duration::from_secs(1));
}
});
thread::spawn(move || {
let vals = vec![
String::from("more"),
String::from("messages"),
String::from("for"),
String::from("you"),
];
for val in vals {
tx.send(val).unwrap();
thread::sleep(Duration::from_secs(1));
}
});
for received in rx {
println!("Got: {}", received);
}
}
结果可能为：
Got: hi
Got: more
Got: from
Got: messages
Got: for
Got: the
Got: thread
Got: you
这里说可能，是因为，每个电脑因为平台原因，打印的顺序会不一样。
现在我们来看看用互斥锁（Mutex）实现线程间的数据共享。
什么是互斥锁（Mutex），举个常见的例子：当我们公司开会的时候，我们一般有一个麦克风。
拿到麦克风的同学，才能讲话。麦克风，在我们同学之前传来传去，并且一次只允许一个人拥有麦克风。
这个麦克风，就是互斥锁：Mutex。
我们先来看看简单的例子：
use std::sync::Mutex;
fn main() {
let m = Mutex::new(5);
{
let mut num = m.lock().unwrap();
*num = 6;
}
println!("m = {:?}", m);
}
我们这里直接用std库里的sync包中的Mutex。
Mutex是智能指针。
什么是智能指针？
在Rust,简单来说，相对普通指针，智能指针，除了保存内存地址外，还有额外的其他属性或元数据。
什么是普通指针？
在Rust，普通指针，就是保存内存地址的值。
好我们回到多线程的知识。
现在我们用Mutex来进行两个线程共享数据，请看代码：
use std::sync::Mutex;
use std::thread;
fn main() {
let counter = Mutex::new(0);
let mut handles = vec![];
let handle = thread::spawn(move || {
let mut num = counter.lock().unwrap();
*num += 1;
});
handles.push(handle);
let handle2 = thread::spawn(move || {
let mut num2 = counter.lock().unwrap();
*num2 += 1;
});
handles.push(handle2);
for handle in handles {
handle.join().unwrap();
}
println!("Result: {}", *counter.lock().unwrap());
}
我们直接编译，报错了：
error[E0382]: use of moved value: `counter`
--> main.rs:98:33
|
88 | let counter = Mutex::new(0);
| ------- move occurs because `counter` has type `std::sync::Mutex<i32>`, which does not implement the `Copy` trait
...
91 | let handle = thread::spawn(move || {
| ------- value moved into closure here
92 | let mut num = counter.lock().unwrap();
| ------- variable moved due to use in closure
...
98 | let handle2 = thread::spawn(move || {
| ^^^^^^^ value used here after move
99 | let mut num2 = counter.lock().unwrap();
| ------- use occurs due to use in closure
error[E0382]: borrow of moved value: `counter`
--> main.rs:109:29
|
88 | let counter = Mutex::new(0);
| ------- move occurs because `counter` has type `std::sync::Mutex<i32>`, which does not implement the `Copy` trait
...
98 | let handle2 = thread::spawn(move || {
| ------- value moved into closure here
99 | let mut num2 = counter.lock().unwrap();
| ------- variable moved due to use in closure
...
109 | println!("Result: {}", *counter.lock().unwrap());
| ^^^^^^^ value borrowed here after move
为什么？
因为，第一个线程代码中，已经把counter的数据所有权移动到闭包的作用域。
第二个线程再访问，肯定报错了。
那怎么办呢？
用 Arc，请看下面代码：
use std::sync::{Arc, Mutex};
use std::thread;
fn main() {
let ctr = Arc::new(Mutex::new(0));
let mut handles = vec![];
let counter = Arc::clone(&ctr);
let handle = thread::spawn(move || {
let mut num = counter.lock().unwrap();
*num += 1;
});
handles.push(handle);
let counter = Arc::clone(&ctr);
let handle2 = thread::spawn(move || {
let mut num2 = counter.lock().unwrap();
*num2 += 1;
});
handles.push(handle2);
for handle in handles {
handle.join().unwrap();
}
println!("Result: {}", *ctr.lock().unwrap());
}
我们运行上面这段代码，结果打印：
Result: 2
结果符合预期。
那Arc到底是何方神圣，有这么神奇的功效？
它的含义是：atomically reference counted type。
翻译成中文，就是原子引用计数类型。有点复杂是不是？
没有关系，我们现在只要记住它是专门用于多线程共享的引用计数值就行了。
它专门用来线程中安全地共享数据。
以上，希望对你有用。
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参考文章：
https://doc.rust-lang.org/1.4.0/book/dining-philosophers.html
https://doc.rust-lang.org/1.30.0/book/second-edition/ch16-01-threads.html
https://doc.rust-lang.org/1.30.0/book/second-edition/ch16-02-message-passing.html