1. Rust線程實(shí)現(xiàn)理念

在大部分現(xiàn)代操作系統(tǒng)中，已執(zhí)行程序的代碼在一個(gè) 進(jìn)程（process）中運(yùn)行，操作系統(tǒng)則會(huì)負(fù)責(zé)管理多個(gè)進(jìn)程。在程序內(nèi)部，也可以擁有多個(gè)同時(shí)運(yùn)行的獨(dú)立部分。這些運(yùn)行這些獨(dú)立部分的功能被稱(chēng)為 線程（threads）。例如，web 服務(wù)器可以有多個(gè)線程以便可以同時(shí)響應(yīng)多個(gè)請(qǐng)求。

將程序中的計(jì)算拆分進(jìn)多個(gè)線程可以改善性能，因?yàn)槌绦蚩梢酝瑫r(shí)進(jìn)行多個(gè)任務(wù)，不過(guò)這也會(huì)增加復(fù)雜性。因?yàn)榫€程是同時(shí)運(yùn)行的，所以無(wú)法預(yù)先保證不同線程中的代碼的執(zhí)行順序。這會(huì)導(dǎo)致諸如此類(lèi)的問(wèn)題：

• 競(jìng)態(tài)條件（Race conditions），多個(gè)線程以不一致的順序訪問(wèn)數(shù)據(jù)或資源。
• 死鎖（Deadlocks），兩個(gè)線程相互等待對(duì)方，這會(huì)阻止兩者繼續(xù)運(yùn)行。
• 只會(huì)發(fā)生在特定情況且難以穩(wěn)定重現(xiàn)和修復(fù)的 bug。

Rust 嘗試減輕使用線程的負(fù)面影響。不過(guò)在多線程上下文中編程仍需格外小心，同時(shí)其所要求的代碼結(jié)構(gòu)也不同于運(yùn)行于單線程的程序。

編程語(yǔ)言有一些不同的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)線程，而且很多操作系統(tǒng)提供了創(chuàng)建新線程的 API。Rust 標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)使用 1:1 線程實(shí)現(xiàn)，這代表程序的每一個(gè)語(yǔ)言級(jí)線程使用一個(gè)系統(tǒng)線程。

2.使用spawn創(chuàng)建新線程

為了創(chuàng)建一個(gè)新線程，需要調(diào)用 thread::spawn 函數(shù)并傳遞一個(gè)閉包, 并在其中包含希望在新線程運(yùn)行的代碼。看下面的例子:

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));
    }
}

注意當(dāng) Rust 程序的主線程結(jié)束時(shí)，新線程也會(huì)結(jié)束，而不管其是否執(zhí)行完畢。這個(gè)程序的輸出可能每次都略有不同，不過(guò)它大體上看起來(lái)像這樣：

thread::sleep 調(diào)用強(qiáng)制線程停止執(zhí)行一小段時(shí)間，這會(huì)允許其他不同的線程運(yùn)行。這些線程可能會(huì)輪流運(yùn)行，不過(guò)并不保證如此：這依賴(lài)操作系統(tǒng)如何調(diào)度線程。在這里，主線程首先打印，即便新創(chuàng)建線程的打印語(yǔ)句位于程序的開(kāi)頭，甚至即便我們告訴新建的線程打印直到 i 等于 9，它在主線程結(jié)束之前也只打印到了 5。

如果運(yùn)行代碼只看到了主線程的輸出，或沒(méi)有出現(xiàn)重疊打印的現(xiàn)象，嘗試增大區(qū)間 (變量 i 的范圍) 來(lái)增加操作系統(tǒng)切換線程的機(jī)會(huì)。

3.使用join等待所有線程結(jié)束

由于主線程結(jié)束，上面演示的代碼大部分時(shí)候不光會(huì)提早結(jié)束新建線程，因?yàn)闊o(wú)法保證線程運(yùn)行的順序，甚至不能實(shí)際保證新建線程會(huì)被執(zhí)行！

可以通過(guò)將 thread::spawn 的返回值儲(chǔ)存在變量中來(lái)修復(fù)新建線程部分沒(méi)有執(zhí)行或者完全沒(méi)有執(zhí)行的問(wèn)題。thread::spawn 的返回值類(lèi)型是 JoinHandle。JoinHandle 是一個(gè)擁有所有權(quán)的值，當(dāng)對(duì)其調(diào)用 join 方法時(shí)，它會(huì)等待其線程結(jié)束。

看下面的示例代碼:

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();
}

通過(guò)調(diào)用 handle 的 join 會(huì)阻塞當(dāng)前線程直到 handle 所代表的線程結(jié)束。阻塞（Blocking）線程意味著阻止該線程執(zhí)行工作或退出。因?yàn)槲覀儗?join 調(diào)用放在了主線程的 for 循環(huán)之后，編譯這段代碼后運(yùn)行結(jié)果如下:

這兩個(gè)線程仍然會(huì)交替執(zhí)行，不過(guò)主線程會(huì)由于 handle.join() 調(diào)用會(huì)等待直到新建線程執(zhí)行完畢。

不過(guò)如果將 handle.join() 移動(dòng)到 main 中 for 循環(huán)之前會(huì)發(fā)生什么呢,看下面的代碼:

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));
    }
}

代碼編譯執(zhí)行后結(jié)果如下:

主線程會(huì)等待直到新建線程執(zhí)行完畢之后才開(kāi)始執(zhí)行 for 循環(huán)，所以輸出將不會(huì)交替出現(xiàn)。

因此,將join放在代碼的不同地方, 將會(huì)影響線程是否同時(shí)執(zhí)行。

4.將move閉包與線程一起使用

move 關(guān)鍵字經(jīng)常用于傳遞給 thread::spawn 的閉包，因?yàn)殚]包會(huì)獲取從環(huán)境中取得的值的所有權(quán)，因此會(huì)將這些值的所有權(quán)從一個(gè)線程傳送到另一個(gè)線程。

為了在新建線程中使用來(lái)自于主線程的數(shù)據(jù)，需要新建線程的閉包獲取它需要的值, 下面的代碼展示了一個(gè)嘗試在主線程中創(chuàng)建一個(gè) vector 并用于新建線程的例子，不過(guò)這么寫(xiě)還不能工作, 代碼如下:

use std::thread;

fn main() {
    let v = vec![1, 2, 3];

    let handle = thread::spawn(|| {
        println!("Here's a vector: {:?}", v);
    });

    handle.join().unwrap();
}

閉包使用了 v，所以閉包會(huì)捕獲 v 并使其成為閉包環(huán)境的一部分。因?yàn)?thread::spawn 在一個(gè)新線程中運(yùn)行這個(gè)閉包，所以可以在新線程中訪問(wèn) v。然而當(dāng)編譯這個(gè)例子時(shí)，會(huì)得到如下錯(cuò)誤：

Rust 會(huì) 推斷 如何捕獲 v，因?yàn)?nbsp;println! 只需要 v 的引用，閉包嘗試借用 v。然而這有一個(gè)問(wèn)題：Rust 不知道這個(gè)新建線程會(huì)執(zhí)行多久，所以無(wú)法知曉對(duì) v 的引用是否一直有效。

看一段比較極端情況的代碼:

use std::thread;

fn main() {
    let v = vec![1, 2, 3];

    let handle = thread::spawn(|| {
        println!("Here's a vector: {:?}", v);
    });

    drop(v); // 壞事兒了!

    handle.join().unwrap();
}

如果 Rust 允許這段代碼運(yùn)行，則新建線程則可能會(huì)立刻被轉(zhuǎn)移到后臺(tái)并完全沒(méi)有機(jī)會(huì)運(yùn)行。新建線程內(nèi)部有一個(gè) v 的引用，不過(guò)主線程立刻就使用drop丟棄了v。接著當(dāng)新建線程開(kāi)始執(zhí)行，v 已不再有效，所以其引用也是無(wú)效的。

為了修復(fù)上面的編譯錯(cuò)誤, 我們可以根據(jù)編譯器給予我們的help嘗試修正一下,如圖:

通過(guò)在閉包之前增加 move 關(guān)鍵字，強(qiáng)制閉包獲取其使用的值的所有權(quán)，而不是任由 Rust 推斷它應(yīng)該借用值。

修正后的代碼如下:

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();
}

編譯運(yùn)行試一下:

看起來(lái)沒(méi)問(wèn)題,那么以這個(gè)成功的經(jīng)驗(yàn), 修改那段極端情況的代碼如下:

use std::thread;

fn main() {
    let v = vec![1, 2, 3];

    let handle = thread::spawn(move || {
        println!("Here's a vector: {:?}", v);
    });

    drop(v); // 壞事兒了!

    handle.join().unwrap();
}

再次編譯一下看看結(jié)果如何:

Rust編譯器依然沒(méi)有放行, 這個(gè)修復(fù)行不通。

如果為閉包增加 move，將會(huì)把 v 移動(dòng)進(jìn)閉包的環(huán)境中, 因此將不能在主線程中對(duì)其調(diào)用 drop 了, Rust 的所有權(quán)規(guī)則又一次幫助我們杜絕了隱患。因?yàn)?Rust 是保守的并只會(huì)為線程借用 v，這意味著主線程理論上可能使新建線程的引用無(wú)效。通過(guò)告訴 Rust 將 v 的所有權(quán)移動(dòng)到新建線程，我們向 Rust 保證主線程不會(huì)再使用 v。如果對(duì)其作出同樣的move修改, 那么當(dāng)在主線程中使用 v 時(shí)就會(huì)違反所有權(quán)規(guī)則。move 關(guān)鍵字覆蓋了 Rust 默認(rèn)保守的借用，但它不允許我們違反所有權(quán)規(guī)則。