Rust 多线程编程|并发设计需要掌握的知识点

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Rust 多线程编程|并发设计需要掌握的知识点

最简单的多线程基础类型

static 属于整个程序，不属于单个进程。
leaking box::leak, Box 将永远存在，没有所有者，只要程序运行，任何线程都可以借用它。
reference counted 引用计数 Rc ，仅限于单个线程中，如果涉及多个线程，则需要使用多线程版本的 Arc。

语言本身提供的借用规则，引用（借用），可变应用，能保证单线程数据安全，但当多线程场景，它们就完全失去了作用；

Tip: 有一个逃生口，就是内部可变性（interior mutability）。

内部可变类型

约定

引用称为 不可变(immutable) 或 可变(mutable) 对于并发程序描述会变得混乱和不准确，

更准确的术语是 共享(shared) 和 独占(exclusive)

记住两个约定名词：

独占 &mut T 保证它是 T 的唯一独占借用
共享 &T 可以复制并与他人共享

标准库提供的内部可变类型

UnsafeCell

它是内部可变性的原始构建块，很少直接使用，而是包装在另一种通过有限接口提供安全性的类型中；

下面的 Cell 、 Mutex,所有具有内部可变性的类型,都建立在 UnsafeCell 之上。

它的 get() 方法只是提供一个指向它包装的值的原始指针，它只能在 unsafe 块中有意义地使用。

Cell

std::cell::Cell<T> 简单地包装了 T ，但允许通过共享引用进行更改; 只能在单线程内使用, 它将值复制出来（如果 T 为 Copy ），或将其整体替换为另一个值。

### RefCell

RefCell 不仅包含 T ，而且还包含一个计数器，用于跟踪任何未完成的借用。

Tip: Cell 和 RefCell 只适合单进程。

可多线程内部可变

RwLock

它是 RefCell 的并发版本，它会阻塞当前线程——使其进入睡眠状态,同时等待冲突借用消失;

在其他线程处理完数据后，我们只需要耐心等待轮到我们处理数据；

它带有两种守卫类型，一种用于读，一种用于写： RwLockReadGuard 和 RwLockWriteGuard ；

RwLockReadGuard 仅实现 Deref ，使其表现得像对受保护数据的共享引用；

而 RwLockWriteGuard 后者还实现 DerefMut ，表现得像独占引用。

Mutex

与 RwLock 很相似，但只允许独占借用。

它的 lock() 方法返回一个称为 MutexGuard 的特殊类型。这个守卫代表我们已经锁定互斥锁的保证。

MutexGuard 的行为类似于通过 DerefMut 特征的独占引用，使我们能够独占访问互斥锁保护的数据。

use std::sync::Mutex;

fn main() {
    let n = Mutex::new(0);
    thread::scope(|s| {
        for _ in 0..10 {
            s.spawn(|| {
                // 得到 MutexGuard
                let mut guard = n.lock().unwrap();
                for _ in 0..100 {
                    *guard += 1;
                }
            });
        } // 循环结束，自动解锁 MutexGuard
    });
    assert_eq!(n.into_inner().unwrap(), 1000);
}

Atomics

原子类型表示 Cell 的并发版本，它们通过让我们把值作为一个整体复制进去，而不是让我们直接借用内容来避免未定义行为；

与 Cell 不同的是，它们不能是任意大小；

任何 T 都没有通用的 Atomic 类型，只有 AtomicU32 和 AtomicPtr 等特定的原子类型。

哪些可用取决于平台，因为它们需要处理器的支持以避免数据竞争。

原子类型

先要知道 Rust 使用的是 Send 和Sync 特征来判断是否能够安全的跨线程：

Send 所有权可以转移到另一个线程。
Sync 可以与另一个线程共享。

Tip: 所有原始类型都默认实现了 Send 和 Sync （i32 、bool 和 str 等）

两个特征都是自动特征，字段全为 Send 和 Sync 的 struct 本身也是 Send 和 Sync。

Tip: 原始指针*const T 和 *mut T 既不是 Send 也不是 Sync

不想实现 Send 和 Sync特征，给类型加一个未实现该特征的类型即可，这里提供了：

// 行时实际上并不存在。它是零大小的类型，不占用空间 
std::marker::PhantomData<T>
struct X {
    handle: i32,
    _not_sync: PhantomData<Cell<()>>,
}

等待：停放和条件变量

线程停放(Thread Praking)

线程停放可通过 std::thread::park() 函数获得。

Tip: 等待来自另一个线程的通知的一种方法称为线程停放(Thread parking)。线程可以自行停放(park)，使其进入睡眠状态，从而停止消耗任何 CPU 周期。然后另一个线程可以取消停放的线程，将其从睡眠中唤醒。

fn main() {
    let queue = Mutex::new(VecDeque::new());

    thread::scope(|s| {

        // 消费线程
        let t = s.spawn(|| loop {
            let item = queue.lock().unwrap().pop_front();
            if let Some(item) = item {
                dbg!(item); // 有数据则消费
            } else {
                thread::park(); // 无则停放
            }
        });

        // 生产线程
        for i in 0.. {
            queue.lock().unwrap().push_back(i);
            t.thread().unpark(); // 取消停放
            thread::sleep(Duration::from_secs(1));
        }
    });
}

条件变量 Condvar

有两个基本操作：等待和通知。

use std::sync::Condvar;

let queue = Mutex::new(VecDeque::new());
let not_empty = Condvar::new();

thread::scope(|s| {
    s.spawn(|| {
        loop {
            let mut q = queue.lock().unwrap();
            let item = loop {
                if let Some(item) = q.pop_front() {
                    break item;
                } else {
                    q = not_empty.wait(q).unwrap();
                }
            };
            drop(q);
            dbg!(item);
        }
    });

    for i in 0.. {
        queue.lock().unwrap().push_back(i);
        not_empty.notify_one();
        thread::sleep(Duration::from_secs(1));
    }
});

说明

本文章内容为学习《Rust原子和锁》笔记，Rust原子和锁;

需要有一定的Rust实践经验的同学才能很好的理解其中的内容，不建议初学者阅读。

Rust 多线程编程|并发设计需要掌握的知识点

最简单的多线程基础类型

内部可变类型

标准库提供的内部可变类型

UnsafeCell

Cell

可多线程内部可变

RwLock

Mutex

Atomics

原子类型

等待： 停放和条件变量

线程停放(Thread Praking)

条件变量 Condvar

说明

等待：停放和条件变量