Rust编程中的共享状态并发执行

1.共享状态并发

虽然消息传递是一个很好的处理并发的方式，但并不是唯一一个。另一种方式是让多个线程拥有相同的共享数据。在学习Go语言编程过程中大家应该听到过一句口号:"不要通过共享内存来通讯"。

在某种程度上，任何编程语言中的信道都类似于单所有权，因为一旦将一个值传送到信道中，将无法再使用这个值。共享内存类似于多所有权：多个线程可以同时访问相同的内存位置。第十五章介绍了智能指针如何使得多所有权成为可能，然而这会增加额外的复杂性，因为需要以某种方式管理这些不同的所有者。Rust 的类型系统和所有权规则极大的协助了正确地管理这些所有权。作为一个例子，让我们看看互斥器，一个更为常见的共享内存并发原语。

互斥器（mutex）是 mutual exclusion 的缩写，也就是说，任意时刻，其只允许一个线程访问某些数据。为了访问互斥器中的数据，线程首先需要通过获取互斥器的 锁（lock）来表明其希望访问数据。锁是一个作为互斥器一部分的数据结构，它记录谁有数据的排他访问权。因此，我们描述互斥器为通过锁系统 保护（guarding）其数据。

互斥器以难以使用著称，因为你不得不记住：

1. 在使用数据之前尝试获取锁。

2. 处理完被互斥器所保护的数据之后，必须解锁数据，这样其他线程才能够获取锁。

作为一个现实中互斥器的例子，想象一下在某个会议的一次小组座谈会中，只有一个麦克风。如果一位成员要发言，他必须请求或表示希望使用麦克风。一旦得到了麦克风，他可以畅所欲言，然后将麦克风交给下一位希望讲话的成员。如果一位成员结束发言后忘记将麦克风交还，其他人将无法发言。如果对共享麦克风的管理出现了问题，座谈会将无法如期进行！

正确的管理互斥器异常复杂，这也是许多人之所以热衷于信道的原因。然而，在 Rust 中，得益于类型系统和所有权，我们不会在锁和解锁上出错。

2.Mutex的API

作为展示如何使用互斥器的例子，让我们从在单线程上下文使用互斥器开始, 看下面的代码:

use std::sync::Mutex;
 
fn main() {
    let m = Mutex::new(5);
 
    {
        let mut num = m.lock().unwrap();
        *num = 6;
    }
 
    println!("m = {:?}", m);
}

像很多类型一样，我们使用关联函数 new 来创建一个 Mutex。使用 lock 方法获取锁，以访问互斥器中的数据。这个调用会阻塞当前线程，直到我们拥有锁为止。

如果另一个线程拥有锁，并且那个线程 panic 了，则 lock 调用会失败。在这种情况下，没人能够再获取锁，所以这里选择 unwrap 并在遇到这种情况时使线程 panic。

一旦获取了锁，就可以将返回值（在这里是num）视为一个其内部数据的可变引用了。类型系统确保了我们在使用 m 中的值之前获取锁。m 的类型是 Mutex 而不是 i32，所以 必须 获取锁才能使用这个 i32 值。我们是不会忘记这么做的，因为反之类型系统不允许访问内部的 i32 值。

Mutex 是一个智能指针。更准确的说，lock 调用 返回 一个叫做 MutexGuard 的智能指针。这个智能指针实现了 Deref 来指向其内部数据；其也提供了一个 Drop 实现当 MutexGuard 离开作用域时自动释放锁，为此，我们不会忘记释放锁并阻塞互斥器为其它线程所用的风险，因为锁的释放是自动发生的。

丢弃了锁之后，可以打印出互斥器的值，并发现能够将其内部的 i32 改为 6。

3.在线程间共享Mutex

现在让我们尝试使用 Mutex 在多个线程间共享值。我们将启动十个线程，并在各个线程中对同一个计数器值加一，这样计数器将从 0 变为 10。看下面的代码:

use std::sync::Mutex;
use std::thread;
 
fn main() {
    let counter = Mutex::new(0);
    let mut handles = vec![];
 
    for _ in 0..10 {
        let handle = thread::spawn(move || {
            let mut num = counter.lock().unwrap();
 
            *num += 1;
        });
        handles.push(handle);
    }
 
    for handle in handles {
        handle.join().unwrap();
    }
 
    println!("Result: {}", *counter.lock().unwrap());
}

这里创建了一个 counter 变量来存放内含 i32 的 Mutex, 接下来遍历 range 创建了 10 个线程。使用了 thread::spawn 并对所有线程使用了相同的闭包：它们每一个都将调用 lock 方法来获取 Mutex 上的锁，接着将互斥器中的值加一。当一个线程结束执行，num 会离开闭包作用域并释放锁，这样另一个线程就可以获取它了。

在主线程中，我们收集了所有的 join 句柄, 调用它们的 join 方法来确保所有线程都会结束。这时，主线程会获取锁并打印出程序的结果。

编译上面的代码, Rust编译器报了一个错误:

错误信息表明 counter 值在上一次循环中被移动了。所以 Rust 告诉我们不能将 counter 锁的所有权移动到多个线程中。下面来看看如何修复这个错误。

4.多线程和多所有权

我们先尝试将Mutex封装进Rc中并在将所有权移入线程之前克隆Rc,看下面代码:

use std::rc::Rc;
use std::sync::Mutex;
use std::thread;
 
fn main() {
    let counter = Rc::new(Mutex::new(0));
    let mut handles = vec![];
 
    for _ in 0..10 {
        let counter = Rc::clone(&counter);
        let handle = thread::spawn(move || {
            let mut num = counter.lock().unwrap();
 
            *num += 1;
        });
        handles.push(handle);
    }
 
    for handle in handles {
        handle.join().unwrap();
    }
 
    println!("Result: {}", *counter.lock().unwrap());
}

再一次编译代码,纳尼, 居然又报了另一个错误, 成年人的崩溃谁能懂:

Rc>` cannot be sent between threads safely`。这个错误编译器告诉我们原因是:`the trait `Send` is not implemented for `Rc>。

Rc 并不能安全的在线程间共享。当 Rc 管理引用计数时，它必须在每一个 clone 调用时增加计数，并在每一个克隆被丢弃时减少计数。Rc 并没有使用任何并发原语，来确保改变计数的操作不会被其他线程打断。在计数出错时可能会导致诡异的 bug，比如可能会造成内存泄漏，或在使用结束之前就丢弃一个值。我们所需要的是一个完全类似 Rc，又以一种线程安全的方式改变引用计数的类型。

5.原子引用计数Arc

在Rust标准库中, 提供了一个名为Arc的类型, 这是一个可以安全的用于并发环境的类型, 字母 “a” 代表 原子性（atomic），所以这是一个 原子引用计数（atomically reference counted）类型, 将代码修改为:

use std::sync::{Arc, Mutex};
use std::thread;
 
fn main() {
    let counter = Arc::new(Mutex::new(0));
    let mut handles = vec![];
 
    for _ in 0..10 {
        let counter = Arc::clone(&counter);
        let handle = thread::spawn(move || {
            let mut num = counter.lock().unwrap();
 
            *num += 1;
        });
        handles.push(handle);
    }
 
    for handle in handles {
        handle.join().unwrap();
    }
 
    println!("Result: {}", *counter.lock().unwrap());
}

再次编译代码, 执行结果如下:

这次终于得到结果10, 程序从0数到10, 虽然过程看上去并不明显, 但我们却学到了很多关于Mutex和线程安全的内容。