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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`
  --> src\main.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。

如果遇到什么问题，欢迎加入：rust新手群，在这里我可以提供一些简单的帮助，加微信：360369487，注明：博客园+rust

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