Rust中channel的使用

fliter2024-03-03 9:49

关于Rust中的channel

Rust的channel是一种用于在不同线程间传递信息的通信机制，它实现了线程间的消息传递。

Channel允许在Rust中创建一个消息传递渠道，它返回一个元组结构体，其中包含发送和接收端。发送端用于向通道发送数据，而接收端则用于从通道接收数据。

每个channel由两部分组成：发送端（Sender）和接收端（Receiver）。

发送端用于向channel发送消息，而接收端则用于接收这些消息。这种机制允许线程之间的安全通信，避免了共享内存的复杂性和潜在的数据竞争问题。 (通过通信来共享内存,而非通过共享内存来通信)

Rust的channel为线程间通信提供了一种安全、简单的方式，是构建并发应用的基础工具之一。

channel是Rust标准库的一部分，自Rust 1.0版本以来就包含了这个功能。随着Rust语言和标准库的发展，channel的实现和API可能会有所改进，但其基本概念和用法保持一致。

使用方式

基本步骤如下：

  1. 创建 : 使用std::sync::mpsc::channel()函数创建一个新的channel，这个函数返回一个包含发送端(Sender)和接收端(Receiver)的元组。

  2. 发送 : 使用发送端的send方法发送消息。send方法接受一个消息值，如果接收端已经被丢弃，会返回一个错误。

  3. 接收 : 使用接收端的recv方法接收消息。recv会阻塞当前线程直到一个消息可用，或者channel被关闭。

示例

以下是一个使用channel在两个线程间发送和接收消息的简单例子：

rust 复制代码 
use std::sync::mpsc;
use std::thread;

fn main() {
    // 创建一个channel
    let (tx, rx) = mpsc::channel();

    // 创建一个新线程，并向其中发送一个消息
    thread::spawn(move || {
        let msg = "Hello from the thread";
        tx.send(msg).unwrap();
        println!("Sent message: {}", msg);
    });

    // 在主线程中接收消息
    let received = rx.recv().unwrap();
    println!("Received message: {}", received);
}

上面例子展示了channel的基本方法：先创建一个channel，然后在一个新线程中发送一个字符串消息，并在主线程中接收这个消息。

注意: 发送端tx通过move关键字移动到新线程中，这是因为Rust的所有权规则要求确保使用数据的线程拥有该数据的所有权。

关于MPSC

其中mpsc是Multi producer, Single consumer FIFO queue的缩写,即多生产者单消费者先入先出队列

Rust标准库提供的channel是MPSC（多生产者，单消费者）模型，这意味着可以有多个发送端（Sender）向同一个接收端（Receiver）发送消息。这种模式非常适用于工作队列模型，其中多个生产者线程生成任务，而单个消费者线程处理这些任务。

除了MPSC之外,还有如下几种模型:

  • SPSC(Single Producer Single Consumer):单生产者单消费者。

  • SPMC(Single Producer Multiple Consumer):单生产者多消费者。

  • MPSC(Multi Producer Single Consumer):多生产者单消费者, Rust中标准的mpsc模型。

  • MPMC(Multi Producer Multi Consumer)*:多生产者多消费者。

MPSC是标准库中使用的模型

不需要阻塞吗？

主线程是否会立马结束退出程序?

在上面的示例中，如果主线程执行得太快，有可能在接收到 子线程发送消息之前就结束了，没打印出接收到的内容程序就退出了.

但事实上,并没有发生这种现象. 即便在新进程段添加休眠3s的代码,thread::sleep(std::time::Duration::from_secs(3));, 程序也不会提早退出.

关于Rust中程序的休眠,可参考Rust中程序休眠的几种方式

这是因为，recv方法是阻塞的，即 它会阻塞当前线程, 直到从通道中接收到消息。

因此，在上面例子中，主线程在调用rx.recv().unwrap()时会阻塞 等待消息的到来。一旦子线程通过tx.send(msg).unwrap();发送了消息，主线程会接收到这个消息并继续执行，之后程序才会正常退出。

探索更多阻塞方式

可以使用join方法，来确保主线程等待一个或多个子线程完成执行。这在处理多个线程时特别有用。

rust 复制代码 
use std::sync::mpsc;
use std::thread;

fn main() {
    let (tx, rx) = mpsc::channel();

    // 创建一个新线程，并保存其句柄
    let handle = thread::spawn(move || {
        let msg = "Hello from the thread";
        tx.send(msg).unwrap();
        println!("Sent message: {}", msg);
    });

    // 在主线程中接收消息
    let received = rx.recv().unwrap();
    println!("Received message: {}", received);

    // 使用join等待子线程完成
    handle.join().unwrap();
}

thread::spawn返回一个JoinHandle，通过调用这个句柄的join方法来确保主线程在子线程完成其执行之后才继续执行

但是因为recv方法本身就是阻塞的，已经确保了主线程会等待至少一个消息的到来，这时再使用join看起来没有太大必要。

但当有多个线程执行独立任务，且这些任务不一定涉及到主线程立即需要的通道通信时，join的作用就变得非常明显了, 如下示例展示了如何创建多个线程，并使用join确保它们都完成了工作：

rust 复制代码 
use std::thread;
use std::time::Duration;

fn main() {
    // 创建一个向量来存储子线程的句柄
    let mut handles = vec![];

    for i in 0..10 {
        // 创建10个子线程
        let handle = thread::spawn(move || {
            println!("Thread {} is starting", i);
            println!("--------------");
            // 模拟工作负载,耗时1s
            thread::sleep(Duration::from_secs(1));
            println!("Thread {} has finished", i);
            println!("~~~~~~~~~~~~~~");
        });
        handles.push(handle);
    }


    // 等待所有子线程完成
    for handle in handles {
        handle.join().unwrap();
    }

    println!("All threads have finished");
}

输出:

shell 复制代码 
Thread 0 is starting
--------------
Thread 1 is starting
--------------
Thread 3 is starting
--------------
Thread 2 is starting
--------------
Thread 4 is starting
--------------
Thread 5 is starting
--------------
Thread 6 is starting
--------------
Thread 7 is starting
--------------
Thread 9 is starting
--------------
Thread 8 is starting
-------------- (到此都是立刻打印出来; 下面的输出等1s后一股脑打印出来)
Thread 0 has finished
~~~~~~~~~~~~~~
Thread 1 has finished
Thread 2 has finished
Thread 5 has finished
~~~~~~~~~~~~~~
~~~~~~~~~~~~~~
Thread 4 has finished
~~~~~~~~~~~~~~
Thread 6 has finished
~~~~~~~~~~~~~~
Thread 3 has finished
~~~~~~~~~~~~~~
~~~~~~~~~~~~~~
Thread 7 has finished
~~~~~~~~~~~~~~
Thread 8 has finished
~~~~~~~~~~~~~~
Thread 9 has finished
~~~~~~~~~~~~~~
All threads have finished

在这个例子中创建了10个子线程，每个子线程都模拟执行一些操作，然后在主线程中使用一个循环来join这些线程。

通过这种方式，即使这些子线程并没有向主线程发送任何消息，仍然能够确保它们都完成了各自的工作，然后程序才会退出。这就是join在处理多个线程时的优势所在。

使用join确保主线程等待所有子线程完成其任务，这在处理并行计算、执行多个独立任务时特别重要，因为这些任务可能不会立即或根本不会向主线程报告其完成状态。在这种情况下，如果没有使用join，主线程可能会在子线程完成它们的工作之前结束，导致程序提前退出，而且可能留下未完成的后台工作。

Rust channel的更多高阶用法

Rust中的channel不仅仅支持简单的消息传递，还可以用于实现更复杂的并发模式和高级用法。这些用法可以增加程序的灵活性和性能，特别是在处理大量数据、多线程任务或需要高度并行的场景中。

选择性接收（Select）

在处理多个channel时，可能希望能够选择性地接收多个来源的消息。

Rust的标准库目前并没有直接支持select机制，但是crossbeam-channel库提供了这样的功能，使得可以从多个channel中选择性地接收消息。

rust 复制代码 
use crossbeam_channel::{select, unbounded};
use std::thread;

fn main() {
    let (tx1, rx1) = unbounded();
    let (tx2, rx2) = unbounded();

    thread::spawn(move || {
        tx1.send(1).unwrap();
    });

    thread::spawn(move || {
        tx2.send(2).unwrap();
    });

    select! {
        recv(rx1) -> msg => println!("Received {} from rx1", msg.unwrap()),
        recv(rx2) -> msg => println!("Received {} from rx2", msg.unwrap()),
    }
}

cargo add crossbeam_channel 添加依赖库,

而后多次 cargo run, 可以发现,会在Received 1 from rx1 和和Received 2 from rx2中随机打印其中一个

如上代码演示了如何在Rust中使用crossbeam-channel库实现选择性接收（select）机制。该机制允许程序从多个不同的channel中接收消息，而不是被限制在单一的channel上等待。这是通过select!宏来实现的，它可以监听多个channel，并在任一channel接收到消息时立即响应。

具体来说，代码的功能如下：

  1. 引入库 ：首先，引入了crossbeam_channel的select和unbounded，以及std::thread。crossbeam_channel是一个提供了高性能channel实现的外部库，包括了select机制。unbounded用于创建一个无界（unbounded）的channel，即没有容量限制的channel。

  2. 创建无界channel ：通过调用unbounded()函数，创建了两个无界channel，分别是tx1/rx1和tx2/rx2。这里，tx1和tx2是发送端（Sender），而rx1和rx2是接收端（Receiver）。

  3. 发送消息 ：接下来，创建了两个线程，每个线程向各自的channel发送一个整数消息，第一个线程通过tx1发送1，第二个线程通过tx2发送2。这两个线程是并行执行的，因此发送操作是异步的。

  4. 选择性接收消息 ：select!宏用于同时监听rx1和rx2这两个接收端。当任一channel接收到消息时，select!宏会立即匹配到相应的分支并执行。这里有两个recv调用，分别对应两个接收端。一旦任一接收端接收到消息，对应的代码块就会执行，并打印出接收到的消息及其来源。msg.unwrap()用于获取Result类型中的消息值，前提是没有发生错误。

代码中的select!宏使得程序不必在单一的channel上阻塞等待，而是可以灵活地处理来自多个源的消息。这种模式在需要处理多个异步事件源时非常有用，例如在网络服务器或并发系统中处理来自不同客户端或任务的输入。

有点类似Go的select语句

迭代器接收

Receiver实现了Iterator，这意味着可以使用迭代器的方式接收所有可用的消息，直到channel被关闭。这种方式简化了接收端的代码，特别是当需要处理所有消息而不必关心接收的具体时机时。

rust 复制代码 
use std::sync::mpsc;
use std::thread;

fn main() {
    let (tx, rx) = mpsc::channel();

    thread::spawn(move || {
        for i in 1..=5 {
            tx.send(i).unwrap();
        }
    });

    // 通过迭代器接收消息
    for received in rx {
        println!("Received: {}", received);
    }
}

输出:

rust 复制代码 
Received: 1
Received: 2
Received: 3
Received: 4
Received: 5
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