# 使用线程 放在十年前，多线程编程可能还是一个少数人才掌握的核心概念，而在今天随着编程语言的不断发展，多线程、多协程、Actor等并发编程方式已经深入人心，同时门槛也在不断降低，本章节我们来看看在Rust中该如何使用多线程。 由于多线程的代码是同时运行的，因此我们无法保证线程间的执行顺序，这会导致一些问题: - 竞态条件(race conditions), 多个线程以非一致性的顺序同时访问数据资源 - 死锁(deadlocks)，两个线程都想使用某个资源，但是又都在等待对方释放资源后才能使用，结果最终都无法继续执行 - 一些因为多线程导致的很隐晦的BUG，且难以复现和解决 虽然Rust已经通过各种机制减少了上述情况的发生，但是依然无法完全避免上述情况，因此我们在编程时需要格外的小心，同时本书也会列出多线程编程时常见的陷阱，让你提前规避可能的风险。 ## 创建线程 使用`thread::spawn`可以创建线程: ```rust 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)); } } ``` 有几点值得注意： - 线程内部的代码使用闭包来执行 - `main`线程一旦结束，程序就立刻结束，因此需要保持它的存活，直到其它子线程完成自己的任务 - `thread::sleep`会让当前线程休眠指定的时间，随后其它线程会被调度运行(上一节并发与并行中有简单介绍过)，因此就算你的电脑只有一个CPU核心，该程序也会如同多CPU核心般的完成，这就是并发！ 来看看输出: ```console hi number 1 from the main thread! hi number 1 from the spawned thread! hi number 2 from the main thread! hi number 2 from the spawned thread! hi number 3 from the main thread! hi number 3 from the spawned thread! hi number 4 from the spawned thread! hi number 4 from the main thread! hi number 5 from the spawned thread! ``` 如果多运行几次，你会发现好像每次输出会不太一样，因为: 虽说线程往往是轮流执行的，但是这一点无法被保证！这个依赖于你的操作系统如何调度这些线程。总之，**千万不要依赖线程的执行顺序**! ## 等待所有线程的完成 上面的代码你不仅无法让子线程打印到10，因为主线程会提前结束，导致子线程也随之结束，更过分的是，如果当前系统繁忙，甚至该子线程还没被创建，主线程就已经结束了！ 因此我们需要一个方法，让主线程安全、可靠的等所有子线程完成任务后，再kill self: ```rust use std::thread; use std::time::Duration; fn main() { let handle = thread::spawn(|| { for i in 1..5 { 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)); } } ``` 通过调用`handle.join`，可以让当前线程阻塞，直到它等待的子线程的结束，在上面代码中，由于`main`线程会被阻塞，因此它直到子线程结束后才会输出自己的`1..5`: ```console hi number 1 from the spawned thread! hi number 2 from the spawned thread! hi number 3 from the spawned thread! hi number 4 from the spawned thread! hi number 1 from the main thread! hi number 2 from the main thread! hi number 3 from the main thread! hi number 4 from the main thread! ``` 以上输出清晰的展示了线程阻塞的作用，同时如果你将`handle.join`放置到`main`线程中的`for`循环后面，那就是另外一个结果：两个线程交替输出。 ## 在线程闭包中使用move 在[闭包章节](../../advance/functional-programing/closure.md#move和Fn)中，有讲过`move`关键字在闭包中的使用可以让该闭包拿走环境中某个值的所有权，同样的，你可以使用`move`来将所有权从一个线程转移到另外一个线程。 首先，来看看在一个线程中直接使用另一个线程中的数据会如何： ```rust use std::thread; fn main() { let v = vec![1, 2, 3]; let handle = thread::spawn(|| { println!("Here's a vector: {:?}", v); }); handle.join().unwrap(); } ``` 以上代码在子线程的闭包中捕获了环境中的`v`变量，来看看结果： ```console error[E0373]: closure may outlive the current function, but it borrows `v`, which is owned by the current function --> src/main.rs:6:32 | 6 | let handle = thread::spawn(|| { | ^^ may outlive borrowed value `v` 7 | println!("Here's a vector: {:?}", v); | - `v` is borrowed here | note: function requires argument type to outlive `'static` --> src/main.rs:6:18 | 6 | let handle = thread::spawn(|| { | __________________^ 7 | | println!("Here's a vector: {:?}", v); 8 | | }); | |______^ help: to force the closure to take ownership of `v` (and any other referenced variables), use the `move` keyword | 6 | let handle = thread::spawn(move || { | ++++ ``` 其实代码本身并没有什么问题，问题在于Rust无法确定新的线程会活多久(多个线程的结束顺序并不是固定的)，所以也无法确定新线程所引用的`v`是否在使用过程中一直合法: ```rust use std::thread; fn main() { let v = vec![1, 2, 3]; let handle = thread::spawn(|| { println!("Here's a vector: {:?}", v); }); drop(v); // oh no! handle.join().unwrap(); } ``` 大家要记住，线程的启动时间点和结束时间点是不确定的，因此假设上述代码可以正常运行，那么当`v`被释放掉时，新的线程很可能还没有结束甚至还没有被创建成功，此时新线程对`v`的引用立刻就不再合法！ 好在报错里进行了提示：`to force the closure to take ownership of `v` (and any other referenced variables), use the `move` keyword`,让我们使用`move`关键字拿走`v`的所有权即可: ```rust 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(); // 下面代码会报错borrow of moved value: `v` // println!("{:?}",v); } ``` 如上所示，很简单的代码，而且Rust的所有权机制保证了数据使用上的安全：`v`的所有权被转移给新的线程后，`main`线程将无法继续使用：最后一行代码将报错。 ## 线程是如何结束的 之前我们提到`main`线程是程序的主线程，一旦结束，则程序随之结束，同时各个子线程也将被强行终止。那么有一个问题，如果不是`main`线程，那么父线程的结束会导致什么？自生自灭还是被干掉？ 在系统编程中，操作系统提供了直接杀死线程的接口，简单粗暴，但是Rust并没有提供这样的接口，原因在于，粗暴地终止一个线程可能会导致资源没有释放、状态混乱等不可预期的结果，一向以安全自称的Rust, 自然不会砸自己的饭碗。 那么Rust中线程是如何结束的呢？答案很简单：线程的代码执行完，线程就会自动结束。但是如果线程中的代码不会执行完呢？这种情况分为两种: - 线程的任务是一个循环IO读取，任务流程类似: IO阻塞，等待读取新的数据 -> 读到数据，处理完成 -> 继续阻塞等待 ··· -> 收到socket关闭的信号 -> 结束线程, 在此过程中，绝大部分时间线程都处于阻塞的状态，因此虽然看上去是循环，CPU占用其实很小，也是网络服务中最最常见的模型 - 线程的任务是一个循环，里面没有任何阻塞，包括休眠这种操作也没有，此时cpu很不幸的会被跑满，而且你如果没有设置终止条件，该线程将持续跑满一个cpu核心, 并且不会被终止，直到`main`线程的结束 第一情况很常见，我们来模拟看看第二种情况: ```rust use std::thread; use std::time::Duration; fn main() { // 创建一个线程 let new_thread = thread::spawn(move || { // 再创建一个线程 thread::spawn(move || { loop { println!("I am a new thread."); } }) }); // 等待新创建的线程执行完成 new_thread.join().unwrap(); println!("Child thread is finish!"); // 睡眠一段时间，看子线程创建的子线程是否还在运行 thread::sleep(Duration::from_millis(100)); } ``` 以上代码中，`main`线程创建了一个新的线程A，同时该新线程又创建了一个新的线程`B`，可以看到`A`线程在创建完`B`线程后就立即结束了，而`B`线程则在不停的循环输出。 从之前的线程结束规则，我们可以猜测程序将这样执行：`A`线程结束后，由它创建的`B`线程仍在疯狂输出，直到`main`线程在100毫秒后结束。如果你把该时间增加到几十秒，就可以看到你的CPU核心100%的盛况了-，- ## 总结 [Rust的线程模型](./intro.md)是`1:1`模型，因为Rust要保持尽量小的运行时。 我们可以使用`thread::spawn`来创建线程，创建出的多个线程之间并不存在执行顺序关系，因此代码逻辑千万不要依赖于线程间的执行顺序。 `main`线程若是结束，则所有子线程都将被终止，如果希望等待子线程结束后，再结束`main`线程，你需要使用创建线程时返回的句柄的`join`方法。 在线程中无法直接借用外部环境中的变量值，因为新线程的启动时间点和结束时间点是不确定的，这样Rust就无法保证该线程中借用的变量在使用过程中依然是合法的。你可以使用`move`关键字将变量的所有权转移给新的线程，来解决此问题。 父线程结束后，子线程仍在持续运行，直到子线程的代码运行完成或者`main`线程的结束。