Rust 多執行緒共享計數器

Conclusion

// 260531 多執行緒共享計數器
use std::sync::{Arc, Mutex};
use std::thread;
use std::time::Duration;

fn main() {
    let counter = Arc::new(Mutex::new(0));
    let counter_clone = Arc::clone(&counter);

    let handle = thread::spawn(move || {
        for _ in 0..5 {
            thread::sleep(Duration::from_millis(500));
            println!("counter_clone: {}", counter_clone.lock().unwrap());
        }
    });

    {
        thread::sleep(Duration::from_millis(1000));

        let mut data = counter.lock().unwrap();
        *data = 42;
    }

    handle.join().unwrap();
}

Practice

Mutex / Arc

一群室友爭著同一間浴室，但為了避免混亂必需設立一些規則，像是

1. 必需擁有鑰匙才能開門
2. 一次只有一個人能拿到鑰匙
3. 其他人必需等到上一個人歸還鑰匙才能使用浴室
4. 擁有鑰匙的人就擁有浴室的使用權

Mutex

這就是 Mutex（mutual exclusion，互斥鎖），對應到資料上，表示永遠只有一個人能碰那個資料，在所有權的限制下，提供了安全且共享可變狀態 （兩個人同時爭奪並修改同一個記憶體）的解決方案。

Arc

而 Arc（ Atomic Reference Counted，原子性引用計數），先看例子：

use std::sync::Arc;
use std::thread;

fn main() {
    let apple = Arc::new("the same apple");

    for _ in 0..10 {
        let apple = Arc::clone(&apple);

        thread::spawn(move || {
            // 由于使用了Arc，线程可以使用分配在 `Arc` 变量指针位置的值来生成。
            println!("{:?}", apple);
        });
    }
}

Arc 的本質就是一個智慧指標（Smart Pointer），也就是除了記憶位置之外還附帶了額外功能，其中一個是 counter，記錄目前有多少個 Arc 正指著這塊記憶體。

一但其中一個 Arc 被 drop out，其計數會減 1，直到歸 0 就會自動呼叫記憶體釋放。

相關的另有 Rc<T>（Reference Counted）主要使用在 single thread 上，而 Arc 主要使用在 multi thread。

Process / Thread

在作業系統中，當你啟動一個程式，系統會分給這個程式一整塊獨立的記憶體空間，這叫做進程（Process）。一個進程裡面可以包含好幾個執行緒（Thread）。

這塊進行中的記憶體，主要分為兩個大區域：

棧（Stack）

每個 thread 在被建立（spawn）時，作業系統會分給它一塊專屬於它自己的記憶體空間，採取先進後出（First in-Last out，FILO） 依序堆疊放置在棧內

每個程式所分配到的 Stack 大小在編譯完成就固定了，如果執行時塞入 stack 的資料大於它所擁有的空間，就會爆出記憶體空間不足，即大名鼎鼎的 stack overflow。

堆（Heap）

Process 裡所有的 thread（主執行緒、音訊執行緒等）共同擁有、共同存取這塊區域。通常儲存會動態改變的資料，分配的空間也較大，像是音訊樣本陣列 Vec<f32>、大型物件等，由程式設計師分配與釋放。

就是因為大家都能伸手進來，所以才會發生前面提到的 data race 問題，也因為 heap 是手動管理的，必須確保每個分配的內存塊都被正確地釋放，否則就會產生記憶體泄漏（memory leak） 造成效能上的浪費。

請求 heap 記憶體區塊時時需要與作業系統溝通，因此速度會比 stack 來的較慢

再談 Rust 的 Ownership

Rust 裡面的所有權機制，本質上是指資料在 thread 之間的轉移。

let my_data = vec![0.1, 0.2, 0.3]; // 原本在主執行緒的堆疊上持有這個 Vec 的所有權

std::thread::spawn(move || {
    // 因為加了 `move` keyword
    // my_data 的「所有權（控制權）」被強行轉移進了這個新執行緒
    println!("{:?}", my_data); 
});

// ❌ 這裡如果你試圖再使用 my_data，編譯器會直接報錯
// 主執行緒已經失去了它的所有權

JoinHandle

透過儲存 thread::spawn 回傳的數值為變數，我們可以修正產生的執行緒完全沒有執行或沒有執行完成的問題。thread::spawn 的回傳型別為 JoinHandle。

JoinHandle 是個有所有權的數值，當我們對它呼叫 join 方法時，它就會等待它的執行緒完成，即「主執行緒停在這裡，卡住不准動，直到背景執行緒（handle）執行完畢並關閉為止」。

References

• 詳解 Stack 與 Heap 之間的特性與差異 - CS University - Medium
• 共享引用计数 Arc - 通过例子学 Rust 中文版
• Understanding Mutexes in Rust: A Beginner’s Guide | by Varun V | Medium
• 使用執行緒同時執行程式碼 - Rust 程式設計語言