Rust入坑指南：齊頭並進（下）

前文中我們聊了Rust如何管理線程以及如何利用Rust中的鎖進行編程。今天我們繼續學習併發編程，

原子類型

許多編程語言都會提供原子類型，Rust也不例外，在前文中我們聊了Rust中鎖的使用，有了鎖，就要小心死鎖的問題，Rust雖然聲稱是安全併發，但是仍然無法幫助我們解決死鎖的問題。原子類型就是編程語言爲我們提供的無鎖併發編程的最佳手段。熟悉Java的同學應該知道，Java的編譯器並不能保證代碼的執行順序，編譯器會對我們的代碼的執行順序進行優化，這一操作成爲指令重排。而Rust的多線程內存模型不會進行指令重排，它可以保證指令的執行順序。

通常來講原子類型會提供以下操作：

• Load：從原子類型讀取值
• Store：爲一個原子類型寫入值
• CAS（Compare-And-Swap）：比較並交換
• Swap：交換
• Fetch-add（sub/and/or）：表示一系列的原子的加減或邏輯運算

Ok，這些基礎的概念聊完以後，我們就來看看Rust爲我們提供了哪些原子類型。Rust的原子類型定義在標準庫std::sync::atomic中，目前它提供了12種原子類型。

下面這段代碼是Rust演示瞭如何用原子類型實現一個自旋鎖。

use std::sync::Arc;
use std::sync::atomic::{AtomicUsize, Ordering};
use std::thread;

fn main() {
    let spinlock = Arc::new(AtomicUsize::new(1));
    let spinlock_clone = spinlock.clone();
    let thread = thread::spawn(move|| {
        spinlock_clone.store(0, Ordering::SeqCst);
    });
    while spinlock.load(Ordering::SeqCst) != 0 {}
    if let Err(panic) = thread.join() {
        println!("Thread had an error: {:?}", panic);
    }
}

我們利用AtomicUsize的store方法將它的值設置爲0，然後用load方法獲取到它的值，如果不是0，則程序一直空轉。在store和load方法中，我們都用到了一個參數：Ordering::SeqCst，在聲明中能看出來它也是屬於atomic包。

我們在文檔中發現它是一個枚舉。其定義爲

pub enum Ordering {
    Relaxed,
    Release,
    Acquire,
    AcqRel,
    SeqCst,
}

它的作用是將內存順序的控制權交給開發者，我們可以自己定義底層的內存排序。下面我們一起來看一下這5種排序分別代表什麼意思

• Relaxed：表示「沒有順序」，也就是開發者不會干預線程順序，線程只進行原子操作
• Release：對於使用Release的store操作，在它之前所有使用Acquire的load操作都是可見的
• Acquire：對於使用Acquire的load操作，在它之前的所有使用Release的store操作也都是可見的
• AcqRel：它代表讀時使用Acquire順序的load操作，寫時使用Release順序的store操作
• SeqCst：使用了SeqCst的原子操作都必須先存儲，再加載。

一般情況下建議使用SeqCst，而不推薦使用Relaxed。

線程間通信

Go語言文檔中有這樣一句話：不要使用共享內存來通信，應該使用通信實現共享內存。

Rust標準庫選擇了CSP併發模型，也就是依賴channel來進行線程間的通信。它的定義是在標準庫std::sync::mpsc中，裏面定義了三種類型的CSP進程：

• Sender：發送異步消息
• SyncSender：發送同步消息
• Receiver：用於接收消息

我們通過一個栗子來看一下channel是如何創建並收發消息的。

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);
}

首先，我們先是使用了channel()函數來創建一個channel，它會返回一個（Sender, Receiver）元組。它的緩衝區是無界的。此外，我們還可以使用sync_channel()來創建channel，它返回的則是（SyncSender, Receiver）元組，這樣的channel發送消息是同步的，並且可以設置緩衝區大小。

接着，在子線程中，我們定義了一個字符串變量，並使用send()函數向channel中發送消息。這裏send返回的是一個Result類型，所以使用unwrap來傳播錯誤。

在main函數最後，我們又用recv()函數來接收消息。

這裏需要注意的是，send()函數會轉移所有權，所以，如果你在發送消息之後再使用val變量時，程序就會報錯。

現在我們已經掌握了使用Channel進行線程間通信的方法了，這裏還有一段代碼，感興趣的同學可以自己執行一下這段代碼看是否能夠順利執行。如果不能，應該怎麼修改這段代碼呢？

use std::thread;
use std::sync::mpsc;
fn main() {
    let (tx, rx) = mpsc::channel();
    for i in 0..5 {
        let tx = tx.clone();
        thread::spawn(move || {
            tx.send(i).unwrap();
        });
    }

    for rx in rx.iter() {
        println!("{:?}", j);
    }
}

線程池

在實際工作中，如果每次都要創建新的線程，每次創建、銷燬線程的開銷就會變得非常可觀，甚至會成爲系統性能的瓶頸。對於這種問題，我們通常使用線程池來解決。

Rust的標準庫中沒有現成的線程池給我們使用，不過還是有一些第三方庫來支持的。這裏我使用的是threadpool。

首先需要在Cargo.toml中增加依賴threadpool = "1.7.1"。然後就可以使用use threadpool::ThreadPool;將ThreadPool引入我們的程序中了。

use threadpool::ThreadPool;
use std::sync::mpsc::channel;

fn main() {
    let n_workers = 4;
    let n_jobs = 8;
    let pool = ThreadPool::new(n_workers);

    let (tx, rx) = channel();
    for _ in 0..n_jobs {
        let tx = tx.clone();
        pool.execute(move|| {
            tx.send(1).expect("channel will be there waiting for the pool");
        });
    }

    assert_eq!(rx.iter().take(n_jobs).fold(0, |a, b| a + b), 8);
}

這裏我們使用ThreadPool::new()來創建一個線程池，初始化4個工作線程。使用時用execute()方法就可以拿出一個線程來進行具體的工作。

總結

今天我們介紹了Rust併發編程的三種特性：原子類型、線程間通信和線程池的使用。

原子類型是我們進行無鎖併發的重要手段，線程間通信和線程池也都是工作中所必須使用的。當然併發編程的知識遠不止於此，大家有興趣的可以自行學習也可以與我交流討論。