并发编程

并发是什么？引用Rob Pike的经典描述:

并发是同一时间应对多件事情的能力

其实在我们身边就有很多并发的事情，比如一边上课，一边发短信；一边给小孩喂奶，一边看电视，只要你细心留意，就会发现许多类似的事。相应地，在软件的世界里，我们也会发现这样的事，比如一边写博客，一边听音乐；一边看网页，一边下载软件等等。显而易见这样会节约不少时间，干更多的事。然而一开始计算机系统并不能同时处理两件事，这明显满足不了我们的需要，后来慢慢提出了多进程，多线程的解决方案，再后来，硬件也发展到了多核多CPU的地步。在硬件和系统底层对并发的支持也来越多，相应地，各大编程语言也对并发处理提供了强力的支持，作为新兴语言的Rust，自然也支持并发编程。那么本章就将引领大家一览Rust并发编程的相关知识，从线程开始，逐步尝试进行数据交互，同步协作，最后进入到并行实现，一步一步揭开Rust并发编程的神秘面纱。由于本书主要介绍的是Rust语言的使用，所以本章不会对并发编程相关理论知识进行全面而深入地探讨——要真那样地话，一本书都不够介绍的，而是更侧重于介绍用Rust语言怎么实现基本的并发。

首先我们会介绍线程的使用，线程是基本的执行单元，其重要性不言而喻，Rust程序就是由一堆线程组成的。在当今多核多CPU已经普及的情况下，各种大数据分析和并行计算又让线程焕发出了更耀眼的光芒。如果对线程不甚了解，请先参阅操作系统相关的书籍，此处不过多介绍。然后介绍一些在解决并发问题时，需要处理的数据传递和协作的实现，比如消息传递，同步和共享内存。最后简要介绍Rust中并行的实现。

24.1 线程创建与结束

相信线程对大家而言，一点也不陌生，在当今多CPU多核已经普及的情况下，大数据分析与并行计算都离不开它，几乎所有的语言都支持它，所有的进程都是由一个或多个线程所组成的。既然如此重要，接下来我们就先来看一下在Rust中如何创建一个线程，然后线程又是如何结束的。

Rust对于线程的支持，和C++11一样，都是放在标准库中来实现的，详情请参见std::thread，好在Rust从一开始就这样做了，不用像C++那样等呀等。在语言层面支持后，开发者就不用那么苦兮兮地处理各平台的移植问题。通过Rust的源码可以看到，std::thread其实就是对不同平台的线程操作的封装，相关API的实现都是调用操作系统的API来实现的，从而提供了线程操作的统一接口。对于我而言，能够这样简单快捷地操作原生线程，身上的压力一下轻了不少。

创建线程

首先，我们看一下在Rust中如何创建一个原生线程(native thread)。std::thread提供了两种创建方式，都非常简单，第一种方式是通过spawn函数来创建，参见下面的示例代码：

use std::thread;

fn main() {
    // 创建一个线程
    let new_thread = thread::spawn(move || {
        println!("I am a new thread.");
    });
    // 等待新建线程执行完成
    new_thread.join().unwrap();
}

执行上面这段代码，将会看到下面的输出结果：

I am a new thread.

就5行代码，少得不能再少，最关键的当然就是调用spawn函数的那行代码。使用这个函数，记得要先use std::thread。注意spawn函数需要一个函数作为参数，且是FnOnce类型，如果已经忘了这种类型的函数，请学习或回顾一下函数和闭包章节。main函数最后一行代码即使不要，也能创建线程（关于join函数的作用和使用在后续小节详解，此处你只要知道它可以用来等待线程执行完成即可），可以去掉或者注释该行代码试试。这样的话，运行结果可能没有任何输出，具体原因后面详解。

接下来我们使用第二种方式创建线程，它比第一种方式稍微复杂一点，因为功能强大一点，可以在创建之前设置线程的名称和堆栈大小，参见下面的代码：

use std::thread;

fn main() {
    // 创建一个线程，线程名称为 thread1, 堆栈大小为4k
    let new_thread_result = thread::Builder::new()
                            .name("thread1".to_string())
                            .stack_size(4*1024*1024).spawn(move || {
        println!("I am thread1.");
    });
    // 等待新创建的线程执行完成
    new_thread_result.unwrap().join().unwrap();
}

执行上面这段代码，将会看到下面的输出结果：

I am thread1.

通过和第一种方式的实现代码比较可以发现，这种方式借助了一个Builder类来设置线程名称和堆栈大小，除此之外，Builder的spawn函数的返回值是一个Result，在正式的代码编写中，可不能像上面这样直接unwrap.join，应该判定一下。后面也会有很多类似的演示代码，为了简单说明不会做的很严谨。

以上就是Rust创建原生线程的两种不同方式，示例代码有点然并卵的意味，但是你可以稍加修改，就可以变得更加有用，试试吧。

线程结束

此时，我们已经知道如何创建一个新线程了，创建后，不管你见或者不见，它就在那里，那么它什么时候才会消亡呢？自生自灭，亦或者被干掉？如果接触过一些系统编程，应该知道有些操作系统提供了粗暴地干掉线程的接口，看它不爽，直接干掉，完全可以不理会新建线程的感受。是否感觉很爽，但是Rust不会再让这样爽了，因为std::thread并没有提供这样的接口，为什么呢？如果深入接触过并发编程或多线程编程，就会知道强制终止一个运行中的线程，会出现诸多问题。比如资源没有释放，引起状态混乱，结果不可预期。强制干掉那一刻，貌似很爽地解决问题了，然而可能后患无穷。Rust语言的一大特性就是安全，是绝对不允许这样不负责任的做法的。即使在其他语言提供了类似的接口，也不应该滥用。

那么在Rust中，新建的线程就只能让它自身自灭了吗？其实也有两种方式，首先介绍大家都知道的自生自灭的方式，线程执行体执行完成，线程就结束了。比如上面创建线程的第一种方式，代码执行完println!("I am a new thread.");就结束了。 如果像下面这样：

use std::thread;

fn main() {
    // 创建一个线程
    let new_thread = 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();
}

线程就永远都不会结束，如果你用的还是古董电脑，运行上面的代码之前，请做好心理准备。在实际代码中，要时刻警惕该情况的出现（单核情况下，CPU占用率会飙升到100%），除非你是故意为之。

线程结束的另一种方式就是，线程所在进程结束了。我们把上面这个例子稍作修改：

use std::thread;

fn main() {
    // 创建一个线程
    thread::spawn(move || {
        loop {
            println!("I am a new thread.");
        }
    });

    // 不等待新创建的线程执行完成
    // new_thread.join().unwrap();
}

同上面的代码相比，唯一的差别在于main函数的最后一行代码被注释了，这样主线程就不用等待新建线程了，在创建线程之后就执行完了，其所在进程也就结束了，从而新建的线程也就结束了。此处，你可能有疑问：为什么一定是进程结束导致新建线程结束？也可能是创建新线程的主线程结束而导致的？事实到底如何，我们不妨验证一下：

use std::thread;

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_ms(100);
}

这次我们在新建线程中还创建了一个线程，从而第一个新建线程是父线程，主线程在等待该父线程结束后，主动睡眠一段时间。这样做有两个目的，一是确保整个程序不会马上结束；二是如果子线程还存在，应该会获得执行机会，以此来检验子线程是否还在运行，下面是输出结果：

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

结果表明，在父线程结束后，其创建的子线程还活着，这并不会因为父线程结束而结束。这个还是比较符合自然规律的，要不然真会断子绝孙，人类灭绝。所以导致线程结束的第二种方式，是结束其所在进程。到此为止，我们已经把线程的创建和结束都介绍完了，那么接下来我们会介绍一些更有趣的东西。但是在此之前，请先考虑一下下面的练习题。

练习题：

有一组学生的成绩，我们需要对它们评分，90分及以上是A，80分及以上是B，70分及以上是C，60分及以上为D,60分以下为E。现在要求用Rust语言编写一个程序来评分，且评分由新建的线程来做，最终输出每个学生的学号，成绩，评分。学生成绩单随机产生，学生人数100位，成绩范围为[0,100]，学号依次从1开始，直到100。