併發編程

併發是什麼？引用Rob Pike的經典描述:

併發是同一時間應對多件事情的能力

其實在我們身邊就有很多併發的事情，比如一邊上課，一邊發短信；一邊給小孩餵奶，一邊看電視，只要你細心留意，就會發現許多類似的事。相應地，在軟件的世界裡，我們也會發現這樣的事，比如一邊寫博客，一邊聽音樂；一邊看網頁，一邊下載軟件等等。顯而易見這樣會節約不少時間，幹更多的事。然而一開始計算機系統並不能同時處理兩件事，這明顯滿足不了我們的需要，後來慢慢提出了多進程，多線程的解決方案，再後來，硬件也發展到了多核多CPU的地步。在硬件和系統底層對併發的支持也來越多，相應地，各大編程語言也對併發處理提供了強力的支持，作為新興語言的Rust，自然也支持併發編程。那麼本章就將引領大家一覽Rust併發編程的相關知識，從線程開始，逐步嘗試進行數據交互，同步協作，最後進入到並行實現，一步一步揭開Rust併發編程的神祕面紗。由於本書主要介紹的是Rust語言的使用，所以本章不會對併發編程相關理論知識進行全面而深入地探討——要真那樣地話，一本書都不夠介紹的，而是更側重於介紹用Rust語言怎麼實現基本的併發。

首先我們會介紹線程的使用，線程是基本的執行單元，其重要性不言而喻，Rust程序就是由一堆線程組成的。在當今多核多CPU已經普及的情況下，各種大數據分析和並行計算又讓線程煥發出了更耀眼的光芒。如果對線程不甚瞭解，請先參閱操作系統相關的書籍，此處不過多介紹。然後介紹一些在解決併發問題時，需要處理的數據傳遞和協作的實現，比如消息傳遞，同步和共享內存。最後簡要介紹Rust中並行的實現。

24.1 線程創建與結束

相信線程對大家而言，一點也不陌生，在當今多CPU多核已經普及的情況下，大數據分析與並行計算都離不開它，幾乎所有的語言都支持它，所有的進程都是由一個或多個線程所組成的。既然如此重要，接下來我們就先來看一下在Rust中如何創建一個線程，然後線程又是如何結束的。

Rust對於線程的支持，和C++11一樣，都是放在標準庫中來實現的，詳情請參見std::thread，好在Rust從一開始就這樣做了，不用像C++那樣等呀等。在語言層面支持後，開發者就不用那麼苦兮兮地處理各平臺的移植問題。通過Rust的源碼可以看到，std::thread其實就是對不同平臺的線程操作的封裝，相關API的實現都是調用操作系統的API來實現的，從而提供了線程操作的統一接口。對於我而言，能夠這樣簡單快捷地操作原生線程，身上的壓力一下輕了不少。

創建線程

首先，我們看一下在Rust中如何創建一個原生線程(native thread)。std::thread提供了兩種創建方式，都非常簡單，第一種方式是通過spawn函數來創建，參見下面的示例代碼：

use std::thread;

fn main() {
    // 創建一個線程
    let new_thread = thread::spawn(move || {
        println!("I am a new thread.");
    });
    // 等待新建線程執行完成
    new_thread.join().unwrap();
}

執行上面這段代碼，將會看到下面的輸出結果：

I am a new thread.

就5行代碼，少得不能再少，最關鍵的當然就是調用spawn函數的那行代碼。使用這個函數，記得要先use std::thread。注意spawn函數需要一個函數作為參數，且是FnOnce類型，如果已經忘了這種類型的函數，請學習或回顧一下函數和閉包章節。main函數最後一行代碼即使不要，也能創建線程（關於join函數的作用和使用在後續小節詳解，此處你只要知道它可以用來等待線程執行完成即可），可以去掉或者註釋該行代碼試試。這樣的話，運行結果可能沒有任何輸出，具體原因後面詳解。

接下來我們使用第二種方式創建線程，它比第一種方式稍微複雜一點，因為功能強大一點，可以在創建之前設置線程的名稱和堆棧大小，參見下面的代碼：

use std::thread;

fn main() {
    // 創建一個線程，線程名稱為 thread1, 堆棧大小為4k
    let new_thread_result = thread::Builder::new()
                            .name("thread1".to_string())
                            .stack_size(4*1024*1024).spawn(move || {
        println!("I am thread1.");
    });
    // 等待新創建的線程執行完成
    new_thread_result.unwrap().join().unwrap();
}

執行上面這段代碼，將會看到下面的輸出結果：

I am thread1.

通過和第一種方式的實現代碼比較可以發現，這種方式藉助了一個Builder類來設置線程名稱和堆棧大小，除此之外，Builder的spawn函數的返回值是一個Result，在正式的代碼編寫中，可不能像上面這樣直接unwrap.join，應該判定一下。後面也會有很多類似的演示代碼，為了簡單說明不會做的很嚴謹。

以上就是Rust創建原生線程的兩種不同方式，示例代碼有點然並卵的意味，但是你可以稍加修改，就可以變得更加有用，試試吧。

線程結束

此時，我們已經知道如何創建一個新線程了，創建後，不管你見或者不見，它就在那裡，那麼它什麼時候才會消亡呢？自生自滅，亦或者被幹掉？如果接觸過一些系統編程，應該知道有些操作系統提供了粗暴地幹掉線程的接口，看它不爽，直接幹掉，完全可以不理會新建線程的感受。是否感覺很爽，但是Rust不會再讓這樣爽了，因為std::thread並沒有提供這樣的接口，為什麼呢？如果深入接觸過併發編程或多線程編程，就會知道強制終止一個運行中的線程，會出現諸多問題。比如資源沒有釋放，引起狀態混亂，結果不可預期。強制幹掉那一刻，貌似很爽地解決問題了，然而可能後患無窮。Rust語言的一大特性就是安全，是絕對不允許這樣不負責任的做法的。即使在其他語言提供了類似的接口，也不應該濫用。

那麼在Rust中，新建的線程就只能讓它自身自滅了嗎？其實也有兩種方式，首先介紹大家都知道的自生自滅的方式，線程執行體執行完成，線程就結束了。比如上面創建線程的第一種方式，代碼執行完println!("I am a new thread.");就結束了。 如果像下面這樣：

use std::thread;

fn main() {
    // 創建一個線程
    let new_thread = thread::spawn(move || {
        loop {
            println!("I am a new thread.");
        }
    });
    // 等待新創建的線程執行完成
    new_thread.join().unwrap();
}

線程就永遠都不會結束，如果你用的還是古董電腦，運行上面的代碼之前，請做好心理準備。在實際代碼中，要時刻警惕該情況的出現（單核情況下，CPU佔用率會飆升到100%），除非你是故意為之。

線程結束的另一種方式就是，線程所在進程結束了。我們把上面這個例子稍作修改：

use std::thread;

fn main() {
    // 創建一個線程
    thread::spawn(move || {
        loop {
            println!("I am a new thread.");
        }
    });

    // 不等待新創建的線程執行完成
    // new_thread.join().unwrap();
}

同上面的代碼相比，唯一的差別在於main函數的最後一行代碼被註釋了，這樣主線程就不用等待新建線程了，在創建線程之後就執行完了，其所在進程也就結束了，從而新建的線程也就結束了。此處，你可能有疑問：為什麼一定是進程結束導致新建線程結束？也可能是創建新線程的主線程結束而導致的？事實到底如何，我們不妨驗證一下：

use std::thread;

fn main() {
    // 創建一個線程
    let new_thread = thread::spawn(move || {
        // 再創建一個線程
        thread::spawn(move || {
            loop {
                println!("I am a new thread.");
            }
        })
    });

    // 等待新創建的線程執行完成
    new_thread.join().unwrap();
    println!("Child thread is finish!");

    // 睡眠一段時間，看子線程創建的子線程是否還在運行
    thread::sleep_ms(100);
}

這次我們在新建線程中還創建了一個線程，從而第一個新建線程是父線程，主線程在等待該父線程結束後，主動睡眠一段時間。這樣做有兩個目的，一是確保整個程序不會馬上結束；二是如果子線程還存在，應該會獲得執行機會，以此來檢驗子線程是否還在運行，下面是輸出結果：

Child thread is finish!
I am a new thread.
I am a new thread.
......

結果表明，在父線程結束後，其創建的子線程還活著，這並不會因為父線程結束而結束。這個還是比較符合自然規律的，要不然真會斷子絕孫，人類滅絕。所以導致線程結束的第二種方式，是結束其所在進程。到此為止，我們已經把線程的創建和結束都介紹完了，那麼接下來我們會介紹一些更有趣的東西。但是在此之前，請先考慮一下下面的練習題。

練習題：

有一組學生的成績，我們需要對它們評分，90分及以上是A，80分及以上是B，70分及以上是C，60分及以上為D,60分以下為E。現在要求用Rust語言編寫一個程序來評分，且評分由新建的線程來做，最終輸出每個學生的學號，成績，評分。學生成績單隨機產生，學生人數100位，成績範圍為[0,100]，學號依次從1開始，直到100。