Rust语言之多线程

名为逗比2024-02-22 1:04

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一、简介

多线程 是一种并发执行的技术，它允许一个程序或进程同时执行多个线程。每个线程都是程序执行的一个独立路径，它们可以并行运行，共享进程的资源（如内存空间），但每个线程有自己的指令指针、堆栈和局部变量。多线程的主要目的是提高程序的执行效率，通过同时执行多个任务来充分利用计算机的多核处理器。

  • 在Rust语言中，多线程编程是通过标准库中的std::thread模块来实现的。Rust提供了创建和管理线程的API，以及用于线程间同步和通信的机制，如互斥锁（Mutex）和通道（Channel）。

二、创建线程

1.创建一个线程

rust 复制代码 
use std::thread;  
  
fn main() {  
    // 创建一个新线程  
    let handle = thread::spawn(|| {  
        // 在新线程中执行的代码  
        println!("Hello from a new thread!");  
    });  
  
    // 等待线程结束  
    handle.join().unwrap();  
}

2.创建多个线程

rust 复制代码 
use std::thread;  

fn main() {  
    // 创建一个向量来存储线程的句柄  
    let mut threads = vec![];  
    
    // 创建多个线程  
    for i in 0..5 {  
        // 使用闭包捕获变量i的值  
        let thread_number = i;  
        let handle = thread::spawn(move || {  
            // 在新线程中打印线程编号  
            println!("线程 {} 正在运行", thread_number);  
        });  
    
        // 将线程句柄添加到向量中  
        threads.push(handle);  
    }  
    
    // 等待所有线程完成  
    for handle in threads {  
        handle.join().unwrap();  
    }  

    // 在主线程中打印一些信息  
    for i in 0..5 {  
        println!("主线程打印数字: {}", i);  
    }  
}

# 输出结果：
线程 0 正在运行
线程 1 正在运行
线程 2 正在运行
线程 3 正在运行
线程 4 正在运行
主线程打印数字: 0
主线程打印数字: 1
主线程打印数字: 2
主线程打印数字: 3
主线程打印数字: 4
  • 从输出结果上看，仍然像是顺序执行，所以这里引入一个休眠，让线程执行的时候随机休眠0-3秒。

生成随机数

由于Rust核心语言中没有随机数生成的函数，需要使用rand库来进行

rust 复制代码 
# 首先需要在Cargo.toml中添加以下内容
[dependencies]  
rand = "0.8"

# 然后在代码中用use 引入
use rand::Rng;  
use rand::thread_rng;  
  
fn main() {  
    let mut rng = thread_rng();  
    for _i in 0..10{
        let random_number = rng.gen_range(1..4);  
        println!("随机数是: {}", random_number);  
    }
}
# 结果：
随机数是: 3
随机数是: 1
随机数是: 3
随机数是: 1
随机数是: 3
随机数是: 1
随机数是: 3
随机数是: 2
随机数是: 3
随机数是: 1

随机数生成的区间与循环一样，是一个前闭后开的区间

尝试让程序睡一会儿

rust 复制代码 
use rand::Rng;  
use std::{thread::sleep, time::Duration};  
  
fn main() {  
    // 创建一个随机数生成器  
    let mut rng = rand::thread_rng();  
    // 生成一个0到3之间的随机秒数  
    let random_seconds: u64 = rng.gen_range(0..4);  
    // 将秒数转换为Duration  
    let duration = Duration::from_secs(random_seconds);  
    // 让当前线程睡眠指定的时间  
    sleep(duration);  
    // 之后的代码会在等待后执行  
    println!("等待了 {} 秒", random_seconds);  
}

引入多线程

rust 复制代码 
use rand::Rng;  
use std::{thread::sleep, time::Duration};  
use std::thread;  

fn main() {  
    // 创建一个向量来存储线程的句柄  
    let mut threads = vec![];  
    
    // 创建多个线程  
    for i in 1..=10 {  
        // 使用闭包捕获变量i的值  
        let thread_number = i;  
        let handle = thread::spawn(move || {  
            // 在新线程中打印线程编号  
            println!("线程 {} 正在运行", thread_number);      
            // 创建一个随机数生成器  
            let mut rng = rand::thread_rng();  
            // 生成一个0到3之间的随机秒数  
            let random_seconds: u64 = rng.gen_range(0..4);  
            // 将秒数转换为Duration  
            let duration = Duration::from_secs(random_seconds);  
            // 让当前线程睡眠指定的时间  
            sleep(duration);  
            println!("线程 {} 运行结束,休息了{}秒.", thread_number,random_seconds);  
        });  
    
        // 将线程句柄添加到向量中  
        threads.push(handle);  
    }  
    
    // 等待所有线程完成  
    for handle in threads {  
        handle.join().unwrap();  
    }  

    // 在主线程中打印一些信息  
    for i in 0..5 {  
        println!("主线程打印数字: {}", i);  
    }  
}

# 输出结果
线程 3 正在运行
线程 2 正在运行
线程 5 正在运行
线程 7 正在运行
线程 7 运行结束,休息了0秒.
线程 4 正在运行
线程 6 正在运行
线程 1 正在运行
线程 8 正在运行
线程 9 正在运行
线程 10 正在运行
线程 6 运行结束,休息了1秒.
线程 4 运行结束,休息了1秒.
线程 3 运行结束,休息了1秒.
线程 9 运行结束,休息了1秒.
线程 1 运行结束,休息了2秒.
线程 10 运行结束,休息了2秒.
线程 5 运行结束,休息了2秒.
线程 2 运行结束,休息了3秒.
线程 8 运行结束,休息了3秒.
主线程打印数字: 0
主线程打印数字: 1
主线程打印数字: 2
主线程打印数字: 3
主线程打印数字: 4

三、线程返回值的处理

对于有返回值的多线程来说有两种情况，一种是每个线程处理一个独立的值，用向量接收，另一种是多个线程处理一个值。

1.每个线程处理一个独立的值

rust 复制代码 
use std::thread;  
  
fn main() {  
    let mut handles = vec![];  
  
    for i in 0..5 {  
        let handle = thread::spawn(move || {  
            return i*i;
        });  
        handles.push(handle);  
    }  
  
    let mut results = vec![];  
  
    for handle in handles {  
        match handle.join() {  
            Ok(value) => results.push(value),  
            Err(e) => println!("Thread panicked: {:?}", e),  
        }  
    }  
  
    println!("Results: {:?}", results);  //Results: [0, 1, 4, 9, 16]
}

2.多个线程处理一个值

由于多个线程处理一个值，可能造成条件竞争，属于线程不安全行为，Rust语言中提供了3种处理行为。

  • Arc 只读访问，用于共享只读数据，通过原子引用计数管理生命周期。
  • Mutex 互斥锁，用于保护数据，确保一次只有一个线程可以访问数据（提供独占访问）。
  • RwLock 读写锁，用于保护数据，但允许多个读者同时访问，写者必须独占访问。

Arc（原子引用计数）

Arc是一个提供共享所有权的智能指针。它用于在多个所有者之间共享数据，且只允许对这些数据进行只读访问。Arc通过原子操作维护一个引用计数，确保数据的生命周期至少与最长的所有者一样长。当最后一个Arc指针被丢弃时，其指向的数据也会被释放。

rust 复制代码 
use std::sync::Arc;  
use std::thread;  
  
fn main() {  
    // 创建一个要在多个线程之间共享的值  
    let data = Arc::new(vec![1, 2, 3, 4, 5]);  
  
    // 创建一个向量来存储线程的句柄  
    let mut handles = vec![];  
    println!("Thread {:?} is reading value: {:?}", thread::current().id(), &data); // 主线程的线程ID为 1
    // 创建几个线程来只读访问数据  
    for _i in 0..data.len() {  
        let data = data.clone(); // 克隆Arc以便在线程中使用  
        let handle = thread::spawn(move || {  
            // 获取Vec的引用以便索引  
            // 使用 {:?} 来打印 ThreadId  
            println!("Thread {:?} is reading value: {:?}", thread::current().id(), &data);  
        });  
        handles.push(handle);  
    }  
  
    // 等待所有线程完成  
    for handle in handles {  
        handle.join().unwrap();  
    }  
}
# 运行结果
Thread ThreadId(1) is reading value: [1, 2, 3, 4, 5]
Thread ThreadId(2) is reading value: [1, 2, 3, 4, 5]
Thread ThreadId(3) is reading value: [1, 2, 3, 4, 5]
Thread ThreadId(4) is reading value: [1, 2, 3, 4, 5]
Thread ThreadId(5) is reading value: [1, 2, 3, 4, 5]
Thread ThreadId(6) is reading value: [1, 2, 3, 4, 5]

Mutex（互斥锁）

Mutex是一个提供互斥访问的智能指针。它用于保护数据，确保一次只有一个线程能够访问数据。当一个线程拥有Mutex的锁时，其他尝试获取锁的线程将被阻塞，直到锁被释放。

rust 复制代码 
use std::sync::{Arc, Mutex};  
use std::thread;  
  
fn main() {  
    // 创建一个Arc包裹的互斥锁和值  
    let counter = Arc::new(Mutex::new(1));  
    let mut handles = vec![];  
  
    // 创建几个线程来增加计数器  
    for i in 1..10 {  
        // 克隆Arc智能指针，而不是Mutex或它的值  
        let counter = Arc::clone(&counter);  
        let handle = thread::spawn(move || {  
            // 获取互斥锁以便修改值  
            let mut num = counter.lock().unwrap();  
            *num *=i;
        });  
        handles.push(handle);  
    }  
  
    // 等待所有线程完成  
    for handle in handles {  
        handle.join().unwrap();  
    }  
  
    // 输出最终计数器的值  
    println!("Result: {}", *counter.lock().unwrap());  // Result: 362880
}

RwLock（读写锁）

RwLock是一个提供读写锁定的智能指针。与Mutex不同，RwLock允许多个读者同时访问数据，但写者必须独占锁。当写者拥有锁时，任何尝试获取读锁或写锁的线程都将被阻塞。当没有写者时，可以有多个读者同时访问数据。

rust 复制代码 
use std::sync::{Arc, RwLock};  
  
fn main() {  
    let data = Arc::new(RwLock::new(0));  
    let mut handles = vec![];  
  
    // 创建多个读线程  
    for i in 0..5 {  
        let data = Arc::clone(&data);  
        let handle = std::thread::spawn(move || {  
            let num = data.read().unwrap();  
            println!("Thread {} Reading value: {}", i,*num);  
        });  
        handles.push(handle);  
    }  
  
    // 创建一个写线程  
    let data = Arc::clone(&data);  
    let handle = std::thread::spawn(move || {  
        let mut num = data.write().unwrap();  
        *num += 1;  
        println!("Writing value: {}", *num);  
    });  
    handles.push(handle);  
  
    for handle in handles {  
        handle.join().unwrap();  
    }  
}
# 第一次执行结果
Thread 0 Reading value: 0
Thread 3 Reading value: 0
Thread 1 Reading value: 0
Thread 4 Reading value: 0
Thread 2 Reading value: 0
Writing value: 1
# 第二次执行结果
Thread 0 Reading value: 0
Thread 3 Reading value: 0
Thread 1 Reading value: 0
Thread 4 Reading value: 0
Thread 2 Reading value: 0
Writing value: 1

这里有一个问题，就是如果写线程最后执行，那么读线程读的都是原始数据，如果写线程先执行，那么读的就是修改后的数据，所以对读写顺序有要求的话应该做好时序的控制

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