其實(shí)在我們身邊就有很多并發(fā)的事情，比如一邊上課，一邊發(fā)短信；一邊給小孩喂奶，一邊看電視，只要你細(xì)心留意，就會(huì)發(fā)現(xiàn)許多類似的事。相應(yīng)地，在軟件的世界里，我們也會(huì)發(fā)現(xiàn)這樣的事，比如一邊寫博客，一邊聽音樂；一邊看網(wǎng)頁(yè)，一邊下載軟件等等。顯而易見這樣會(huì)節(jié)約不少時(shí)間，干更多的事。然而一開始計(jì)算機(jī)系統(tǒng)并不能同時(shí)處理兩件事，這明顯滿足不了我們的需要，后來(lái)慢慢提出了多進(jìn)程，多線程的解決方案，再后來(lái)，硬件也發(fā)展到了多核多CPU的地步。在硬件和系統(tǒng)底層對(duì)并發(fā)的支持也來(lái)越多，相應(yīng)地，各大編程語(yǔ)言也對(duì)并發(fā)處理提供了強(qiáng)力的支持，作為新興語(yǔ)言的Rust，自然也支持并發(fā)編程。那么本章就將引領(lǐng)大家一覽Rust并發(fā)編程的相關(guān)知識(shí)，從線程開始，逐步嘗試進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，同步協(xié)作，最后進(jìn)入到并行實(shí)現(xiàn)，一步一步揭開Rust并發(fā)編程的神秘面紗。由于本書主要介紹的是Rust語(yǔ)言的使用，所以本章不會(huì)對(duì)并發(fā)編程相關(guān)理論知識(shí)進(jìn)行全面而深入地探討——要真那樣地話，一本書都不夠介紹的，而是更側(cè)重于介紹用Rust語(yǔ)言怎么實(shí)現(xiàn)基本的并發(fā)。

首先我們會(huì)介紹線程的使用，線程是基本的執(zhí)行單元，其重要性不言而喻，Rust程序就是由一堆線程組成的。在當(dāng)今多核多CPU已經(jīng)普及的情況下，各種大數(shù)據(jù)分析和并行計(jì)算又讓線程煥發(fā)出了更耀眼的光芒。如果對(duì)線程不甚了解，請(qǐng)先參閱操作系統(tǒng)相關(guān)的書籍，此處不過(guò)多介紹。然后介紹一些在解決并發(fā)問題時(shí)，需要處理的數(shù)據(jù)傳遞和協(xié)作的實(shí)現(xiàn)，比如消息傳遞，同步和共享內(nèi)存。最后簡(jiǎn)要介紹Rust中并行的實(shí)現(xiàn)。

24.1 線程創(chuàng)建與結(jié)束

相信線程對(duì)大家而言，一點(diǎn)也不陌生，在當(dāng)今多CPU多核已經(jīng)普及的情況下，大數(shù)據(jù)分析與并行計(jì)算都離不開它，幾乎所有的語(yǔ)言都支持它，所有的進(jìn)程都是由一個(gè)或多個(gè)線程所組成的。既然如此重要，接下來(lái)我們就先來(lái)看一下在Rust中如何創(chuàng)建一個(gè)線程，然后線程又是如何結(jié)束的。

Rust對(duì)于線程的支持，和C++11一樣，都是放在標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中來(lái)實(shí)現(xiàn)的，詳情請(qǐng)參見std::thread，好在Rust從一開始就這樣做了，不用像C++那樣等呀等。在語(yǔ)言層面支持后，開發(fā)者就不用那么苦兮兮地處理各平臺(tái)的移植問題。通過(guò)Rust的源碼可以看到，std::thread其實(shí)就是對(duì)不同平臺(tái)的線程操作的封裝，相關(guān)API的實(shí)現(xiàn)都是調(diào)用操作系統(tǒng)的API來(lái)實(shí)現(xiàn)的，從而提供了線程操作的統(tǒng)一接口。對(duì)于我而言，能夠這樣簡(jiǎn)單快捷地操作原生線程，身上的壓力一下輕了不少。

創(chuàng)建線程

首先，我們看一下在Rust中如何創(chuàng)建一個(gè)原生線程(native thread)。std::thread提供了兩種創(chuàng)建方式，都非常簡(jiǎn)單，第一種方式是通過(guò)spawn函數(shù)來(lái)創(chuàng)建，參見下面的示例代碼：

use std::thread;

fn main() {
    // 創(chuàng)建一個(gè)線程
    let new_thread = thread::spawn(move || {
        println!("I am a new thread.");
    });
    // 等待新建線程執(zhí)行完成
    new_thread.join().unwrap();
}

執(zhí)行上面這段代碼，將會(huì)看到下面的輸出結(jié)果：

I am a new thread.

就5行代碼，少得不能再少，最關(guān)鍵的當(dāng)然就是調(diào)用spawn函數(shù)的那行代碼。使用這個(gè)函數(shù)，記得要先use std::thread。注意spawn函數(shù)需要一個(gè)函數(shù)作為參數(shù)，且是FnOnce類型，如果已經(jīng)忘了這種類型的函數(shù)，請(qǐng)學(xué)習(xí)或回顧一下函數(shù)和閉包章節(jié)。main函數(shù)最后一行代碼即使不要，也能創(chuàng)建線程（關(guān)于join函數(shù)的作用和使用在后續(xù)小節(jié)詳解，此處你只要知道它可以用來(lái)等待線程執(zhí)行完成即可），可以去掉或者注釋該行代碼試試。這樣的話，運(yùn)行結(jié)果可能沒有任何輸出，具體原因后面詳解。

接下來(lái)我們使用第二種方式創(chuàng)建線程，它比第一種方式稍微復(fù)雜一點(diǎn)，因?yàn)楣δ軓?qiáng)大一點(diǎn)，可以在創(chuàng)建之前設(shè)置線程的名稱和堆棧大小，參見下面的代碼：

use std::thread;

fn main() {
    // 創(chuàng)建一個(gè)線程，線程名稱為 thread1, 堆棧大小為4k
    let new_thread_result = thread::Builder::new()
                            .name("thread1".to_string())
                            .stack_size(4*1024*1024).spawn(move || {
        println!("I am thread1.");
    });
    // 等待新創(chuàng)建的線程執(zhí)行完成
    new_thread_result.unwrap().join().unwrap();
}

執(zhí)行上面這段代碼，將會(huì)看到下面的輸出結(jié)果：

I am thread1.

通過(guò)和第一種方式的實(shí)現(xiàn)代碼比較可以發(fā)現(xiàn)，這種方式借助了一個(gè)Builder類來(lái)設(shè)置線程名稱和堆棧大小，除此之外，Builder的spawn函數(shù)的返回值是一個(gè)Result，在正式的代碼編寫中，可不能像上面這樣直接unwrap.join，應(yīng)該判定一下。后面也會(huì)有很多類似的演示代碼，為了簡(jiǎn)單說(shuō)明不會(huì)做的很嚴(yán)謹(jǐn)。

以上就是Rust創(chuàng)建原生線程的兩種不同方式，示例代碼有點(diǎn)然并卵的意味，但是你可以稍加修改，就可以變得更加有用，試試吧。

線程結(jié)束

此時(shí)，我們已經(jīng)知道如何創(chuàng)建一個(gè)新線程了，創(chuàng)建后，不管你見或者不見，它就在那里，那么它什么時(shí)候才會(huì)消亡呢？自生自滅，亦或者被干掉？如果接觸過(guò)一些系統(tǒng)編程，應(yīng)該知道有些操作系統(tǒng)提供了粗暴地干掉線程的接口，看它不爽，直接干掉，完全可以不理會(huì)新建線程的感受。是否感覺很爽，但是Rust不會(huì)再讓這樣爽了，因?yàn)?code>std::thread并沒有提供這樣的接口，為什么呢？如果深入接觸過(guò)并發(fā)編程或多線程編程，就會(huì)知道強(qiáng)制終止一個(gè)運(yùn)行中的線程，會(huì)出現(xiàn)諸多問題。比如資源沒有釋放，引起狀態(tài)混亂，結(jié)果不可預(yù)期。強(qiáng)制干掉那一刻，貌似很爽地解決問題了，然而可能后患無(wú)窮。Rust語(yǔ)言的一大特性就是安全，是絕對(duì)不允許這樣不負(fù)責(zé)任的做法的。即使在其他語(yǔ)言提供了類似的接口，也不應(yīng)該濫用。

那么在Rust中，新建的線程就只能讓它自身自滅了嗎？其實(shí)也有兩種方式，首先介紹大家都知道的自生自滅的方式，線程執(zhí)行體執(zhí)行完成，線程就結(jié)束了。比如上面創(chuàng)建線程的第一種方式，代碼執(zhí)行完println!("I am a new thread.");就結(jié)束了。如果像下面這樣：

use std::thread;

fn main() {
    // 創(chuàng)建一個(gè)線程
    let new_thread = thread::spawn(move || {
        loop {
            println!("I am a new thread.");
        }
    });
    // 等待新創(chuàng)建的線程執(zhí)行完成
    new_thread.join().unwrap();
}

線程就永遠(yuǎn)都不會(huì)結(jié)束，如果你用的還是古董電腦，運(yùn)行上面的代碼之前，請(qǐng)做好心理準(zhǔn)備。在實(shí)際代碼中，要時(shí)刻警惕該情況的出現(xiàn)（單核情況下，CPU占用率會(huì)飆升到100%），除非你是故意為之。

線程結(jié)束的另一種方式就是，線程所在進(jìn)程結(jié)束了。我們把上面這個(gè)例子稍作修改：

use std::thread;

fn main() {
    // 創(chuàng)建一個(gè)線程
    thread::spawn(move || {
        loop {
            println!("I am a new thread.");
        }
    });

    // 不等待新創(chuàng)建的線程執(zhí)行完成
    // new_thread.join().unwrap();
}

同上面的代碼相比，唯一的差別在于main函數(shù)的最后一行代碼被注釋了，這樣主線程就不用等待新建線程了，在創(chuàng)建線程之后就執(zhí)行完了，其所在進(jìn)程也就結(jié)束了，從而新建的線程也就結(jié)束了。此處，你可能有疑問：為什么一定是進(jìn)程結(jié)束導(dǎo)致新建線程結(jié)束？也可能是創(chuàng)建新線程的主線程結(jié)束而導(dǎo)致的？事實(shí)到底如何，我們不妨驗(yàn)證一下：

use std::thread;

fn main() {
    // 創(chuàng)建一個(gè)線程
    let new_thread = thread::spawn(move || {
        // 再創(chuàng)建一個(gè)線程
        thread::spawn(move || {
            loop {
                println!("I am a new thread.");
            }
        })
    });

    // 等待新創(chuàng)建的線程執(zhí)行完成
    new_thread.join().unwrap();
    println!("Child thread is finish!");

    // 睡眠一段時(shí)間，看子線程創(chuàng)建的子線程是否還在運(yùn)行
    thread::sleep_ms(100);
}

這次我們?cè)谛陆ň€程中還創(chuàng)建了一個(gè)線程，從而第一個(gè)新建線程是父線程，主線程在等待該父線程結(jié)束后，主動(dòng)睡眠一段時(shí)間。這樣做有兩個(gè)目的，一是確保整個(gè)程序不會(huì)馬上結(jié)束；二是如果子線程還存在，應(yīng)該會(huì)獲得執(zhí)行機(jī)會(huì)，以此來(lái)檢驗(yàn)子線程是否還在運(yùn)行，下面是輸出結(jié)果：

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

結(jié)果表明，在父線程結(jié)束后，其創(chuàng)建的子線程還活著，這并不會(huì)因?yàn)楦妇€程結(jié)束而結(jié)束。這個(gè)還是比較符合自然規(guī)律的，要不然真會(huì)斷子絕孫，人類滅絕。所以導(dǎo)致線程結(jié)束的第二種方式，是結(jié)束其所在進(jìn)程。到此為止，我們已經(jīng)把線程的創(chuàng)建和結(jié)束都介紹完了，那么接下來(lái)我們會(huì)介紹一些更有趣的東西。但是在此之前，請(qǐng)先考慮一下下面的練習(xí)題。

練習(xí)題：

有一組學(xué)生的成績(jī)，我們需要對(duì)它們?cè)u(píng)分，90分及以上是A，80分及以上是B，70分及以上是C，60分及以上為D,60分以下為E。現(xiàn)在要求用Rust語(yǔ)言編寫一個(gè)程序來(lái)評(píng)分，且評(píng)分由新建的線程來(lái)做，最終輸出每個(gè)學(xué)生的學(xué)號(hào)，成績(jī)，評(píng)分。學(xué)生成績(jī)單隨機(jī)產(chǎn)生，學(xué)生人數(shù)100位，成績(jī)范圍為[0,100]，學(xué)號(hào)依次從1開始，直到100。