7天掌握Rust并发编程：从单线程到高可用系统的实战指南
项目地址: https://gitcode.com/GitHub_Trending/10/100-exercises-to-learn-rust 你还在为Rust并发编程的复杂性而头疼吗？还在担心多线程环境下的数据竞争和内存安全问题吗？本文将带你通过100-exercises-to-learn-rust项目中的实战练习，从零开始掌握Rust的并发编程技巧，构建高可用的Rust系统。读完本文，你将能够：
- 理解Rust并发编程的核心概念和优势
- 掌握线程创建、消息传递和共享状态等并发编程模式
- 学会使用Rust提供的同步原语解决实际问题
- 构建一个简单但功能完善的多线程票务管理系统
Rust并发编程简介
Rust的一大承诺就是"无畏并发"（fearless concurrency），它旨在让编写安全、并发的程序变得更加容易。在前面的章节中，我们所做的工作都是单线程的。现在，是时候改变这一点了！
在本章中，我们将使我们的票务系统支持多线程。我们将有机会接触到Rust的大部分核心并发特性，包括：
- 使用
std::thread模块创建线程 - 使用通道（channels）进行消息传递
- 使用
Arc、Mutex和RwLock实现共享状态 Send和Sync特质，它们编码了Rust的并发保证
我们还将讨论多线程系统的各种设计模式及其一些权衡。
线程基础
创建线程
在Rust中，创建线程非常简单。我们可以使用std::thread::spawn函数来创建一个新的线程。下面是一个简单的例子：
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));
}
}
这个例子创建了一个新的线程，它会打印数字1到9，而主线程会打印数字1到4。由于线程调度的不确定性，你可能会看到不同的输出顺序。
等待线程完成
在上面的例子中，主线程可能会在新线程完成之前就退出了。为了避免这种情况，我们可以使用JoinHandle来等待线程完成。thread::spawn函数返回一个JoinHandle，我们可以调用它的join方法来等待线程完成：
use std::thread;
use std::time::Duration;
fn main() {
let handle = 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));
}
handle.join().unwrap();
}
现在，主线程会等待新线程完成后再退出。
消息传递
所有我们创建的线程到目前为止都是相当短命的：获取一些输入，运行计算，返回结果，然后关闭。对于我们的票务管理系统，我们想要做一些不同的事情：一个客户端-服务器架构。
我们将有一个长期运行的服务器线程，负责管理我们的状态，即存储的票务。然后，我们将有多个客户端线程。每个客户端将能够向有状态线程发送命令和查询，以便更改其状态（例如添加新票）或检索信息（例如获取票的状态）。客户端线程将并发运行。
通道基础
为了解决这个问题，我们可以使用通道（channels）。Rust的标准库在std::sync::mpsc模块中提供了多生产者，单消费者（mpsc）通道。有两种通道类型：有界的和无界的。我们现在将坚持使用无界版本，但稍后我们将讨论它们的优缺点。
通道创建如下所示：
use std::sync::mpsc::channel;
let (sender, receiver) = channel();
你会得到一个发送者（sender）和一个接收者（receiver）。你调用发送者的send方法将数据推入通道，调用接收者的recv方法从通道中拉出数据。
多发送者
Sender是可克隆的：我们可以创建多个发送者（例如每个客户端线程一个），它们都将数据推送到同一个通道。相反，Receiver是不可克隆的：一个给定的通道只能有一个接收者。这就是mpsc（多生产者单消费者）的含义！
消息类型
Sender和Receiver都是泛型的，有一个类型参数T。这是可以在我们的通道上传输的消息类型。它可以是u64、结构体、枚举等等。
错误处理
send和recv都可能失败。send在接收者被丢弃时返回错误。recv在所有发送者都被丢弃且通道为空时返回错误。换句话说，当通道实际上关闭时，send和recv会返回错误。
共享状态
除了消息传递之外，Rust还提供了共享状态的并发编程模式。在这种模式下，多个线程可以访问同一块内存区域，但需要通过同步机制来确保数据的一致性。
Arc和Mutex
Arc（原子引用计数）是一种智能指针，它允许在多个线程之间共享数据。Mutex（互斥锁）则是一种同步原语，它确保在任何时刻只有一个线程可以访问共享数据。
下面是一个使用Arc和Mutex的例子：
use std::sync::{Arc, Mutex};
use std::thread;
fn main() {
let counter = Arc::new(Mutex::new(0));
let mut handles = vec![];
for _ in 0..10 {
let counter = Arc::clone(&counter);
let handle = thread::spawn(move || {
let mut num = counter.lock().unwrap();
*num += 1;
});
handles.push(handle);
}
for handle in handles {
handle.join().unwrap();
}
println!("Result: {}", *counter.lock().unwrap());
}
在这个例子中，我们创建了一个被Arc和Mutex包装的计数器。然后，我们创建了10个线程，每个线程都对计数器加1。最后，我们打印出计数器的最终值。
RwLock
RwLock（读写锁）是另一种同步原语，它允许多个线程同时读取共享数据，但在写入时需要独占访问。这在读取操作远多于写入操作的场景中非常有用。
实战练习
现在，让我们通过exercises/07_threads目录中的练习来巩固我们所学的知识。这些练习涵盖了从基本线程创建到复杂的多线程票务管理系统的各个方面。
线程创建练习
首先，让我们看一下01_threads练习。这个练习将帮助我们熟悉Rust中线程的基本创建和使用方法。
消息传递练习
接下来，我们可以尝试05_channels练习。这个练习将引导我们实现一个简单的客户端-服务器架构，使用通道进行通信。
共享状态练习
最后，我们可以挑战11_locks和12_rw_lock练习，它们将帮助我们掌握Mutex和RwLock的使用。
总结
在本文中，我们介绍了Rust并发编程的基础知识，包括线程创建、消息传递和共享状态等模式。我们还讨论了如何使用Rust提供的同步原语来解决实际问题。通过100-exercises-to-learn-rust项目中的实战练习，我们可以逐步掌握这些概念，并构建出安全、高效的多线程Rust应用程序。
Rust的并发编程虽然有一定的学习曲线，但一旦掌握，它将成为你构建高可用系统的强大工具。如果你想深入了解更多关于Rust并发编程的知识，可以参考官方文档中的并发编程章节。
希望本文对你有所帮助！如果你有任何问题或建议，请随时在评论区留言。别忘了点赞、收藏和关注，以便获取更多关于Rust编程的精彩内容！下期我们将介绍Rust的异步编程，敬请期待！
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