Lær at programmere i Rust · Lektion

Deling af state med Arc/Mutex

Sikre delte data

Lektion 2 af 413 trin

Deling af state med Arc/Mutex er en gratis Lær at programmere i Rust-lektion på CoddyKit. Dette er lektion 2 af 4. Du kan læse alle 3 lektioner i dette læringsspor gratis i deres fulde længde — derefter låser CoddyKit PRO alle lektioner op samt praktiske øvelser med en indbygget kodeeditor og en AI-underviser døgnet rundt. Den er en del af læringsforløbet i Lær at programmere i Rust, og dine fremskridt synkroniseres på tværs af nettet og CoddyKit-appen. Lær at programmere i Rust-kurset indeholder 4 lektioner i alt.

Hvorfor delt tilstand er vanskelig

Nogle gange er meddelelsesoverførsel ikke nok, og flere tråde har faktisk brug for at læse og skrive i de samme data. Rust lader dig ikke dele en variabel værdi mellem tråde uden beskyttelse, fordi det kan føre til en datakapløbstilstand.

De to værktøjer, du kombinerer, er:

Arc til delt ejerskab på tværs af tråde.
Mutex til sikker, eksklusiv ændring.

Rc er ikke trådsikker

Rc giver delt ejerskab, men kun på én tråd. Dets referencetæller er ikke synkroniseret, så compileren nægter at sende det mellem tråde. Til deling på tværs af flere tråde skal du bruge Arc (Atomically Reference Counted).

Arc fungerer ligesom Rc, men opdaterer tælleren med atomiske operationer, så kloner kan bruges sikkert på tværs af tråde.

use std::sync::Arc;

fn main() {
    let data = Arc::new(vec![1, 2, 3]);
    let clone1 = Arc::clone(&data);
    println!("original: {:?}", data);
    println!("clone:    {:?}", clone1);
    println!("count:    {}", Arc::strong_count(&data));
}

Mutex giver eksklusiv adgang

En Mutex omslutter data og garanterer, at kun én tråd får adgang til dem ad gangen. Du kalder .lock() for at få en MutexGuard, som derefererer til den indre værdi. Låsen frigives automatisk, når guardens omfang slutter.

use std::sync::Mutex;

fn main() {
    let m = Mutex::new(5);
    {
        let mut num = m.lock().unwrap();
        *num += 10;
    } // guard dropped here, lock released
    println!("value = {:?}", m.lock().unwrap());
}

Kombination af Arc og Mutex

Hvis du vil dele mutable data mellem tråde, omslutter du dem som Arc>:

Arc lader mange tråde eje et håndtag til de samme data.
Mutex lader hver tråd ændre dataene sikkert, én ad gangen.

Klon Arc til hver tråd, før du starter trådene.

use std::sync::{Arc, Mutex};
use std::thread;

fn main() {
    let counter = Arc::new(Mutex::new(0));
    let c = Arc::clone(&counter);
    let handle = thread::spawn(move || {
        let mut n = c.lock().unwrap();
        *n += 1;
    });
    handle.join().unwrap();
    println!("counter = {}", *counter.lock().unwrap());
}

En delt tæller på tværs af mange tråde

Det klassiske eksempel: ti tråde øger hver især en delt tæller. Hver tråd har sin egen Arc-klon og låser Mutex for at lægge én til. Når alle tråde er joined, er totalen præcis 10, uden nogen datakapløbstilstand.

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 c = Arc::clone(&counter);
        handles.push(thread::spawn(move || {
            let mut num = c.lock().unwrap();
            *num += 1;
        }));
    }
    for h in handles {
        h.join().unwrap();
    }
    println!("Result: {}", *counter.lock().unwrap());
}

Låsens omfang er vigtigt

MutexGuard holder låsen, indtil den droppes. Hvis du holder den under langsomt arbejde, blokerer du andre tråde. Hold kritiske sektioner korte: lås, ændr, frigiv. Hvis du omslutter låsen i en lille blok, sikrer du, at den droppes før yderligere behandling.

use std::sync::{Arc, Mutex};
use std::thread;

fn main() {
    let log = Arc::new(Mutex::new(Vec::new()));
    let mut handles = vec![];
    for i in 0..3 {
        let l = Arc::clone(&log);
        handles.push(thread::spawn(move || {
            {
                let mut v = l.lock().unwrap();
                v.push(i);
            } // released quickly
        }));
    }
    for h in handles { h.join().unwrap(); }
    let mut result = log.lock().unwrap().clone();
    result.sort();
    println!("{:?}", result);
}

Deadlocks: en reel risiko

En deadlock opstår, når to tråde hver især holder en lås, som den anden har brug for, og begge venter for evigt. Rust forhindrer datakapløbstilstande, men ikke deadlocks. Undgå dem ved altid at låse flere mutexer i samme rækkefølge og holde låsene korte.

Undgå også at låse den samme Mutex to gange på én tråd; standardudgaven af Mutex kan ikke låses rekursivt.

Forgiftning, når en tråd går i panik

Hvis en tråd går i panik, mens den holder en lås, bliver Mutex forgiftet. Senere kald til .lock() returnerer Err, så du ved, at dataene kan være inkonsistente. Du kan gendanne den indre guard via into_inner() på fejlen, hvis du vurderer, at dataene stadig kan bruges.

use std::sync::{Arc, Mutex};
use std::thread;

fn main() {
    let data = Arc::new(Mutex::new(0));
    let d = Arc::clone(&data);
    let _ = thread::spawn(move || {
        let mut g = d.lock().unwrap();
        *g = 7;
        panic!("boom"); // poisons the mutex
    }).join();
    match data.lock() {
        Ok(g) => println!("ok: {}", *g),
        Err(poisoned) => println!("recovered: {}", *poisoned.into_inner()),
    }
}

RwLock til mange læsere

Når læsninger langt overstiger skrivninger, kan en RwLock være hurtigere end en Mutex. Den tillader mange samtidige læsere eller én skriver. Brug .read() til delt adgang og .write() til eksklusiv adgang.

use std::sync::{Arc, RwLock};
use std::thread;

fn main() {
    let config = Arc::new(RwLock::new(String::from("v1")));
    let reader = Arc::clone(&config);
    let r = thread::spawn(move || {
        let val = reader.read().unwrap();
        println!("read: {}", *val);
    });
    r.join().unwrap();
    {
        let mut w = config.write().unwrap();
        *w = String::from("v2");
    }
    println!("final: {}", *config.read().unwrap());
}

Atomics til simple tællere

Til en enkelt heltalstæller er en fuld Mutex unødvendigt tung. Typer som AtomicUsize tilbyder låsefri opdateringer via metoder som fetch_add. Omslut dem i Arc for at dele dem mellem tråde. Vælg en Ordering; SeqCst er det enkleste sikre standardvalg.

use std::sync::Arc;
use std::sync::atomic::{AtomicUsize, Ordering};
use std::thread;

fn main() {
    let counter = Arc::new(AtomicUsize::new(0));
    let mut handles = vec![];
    for _ in 0..5 {
        let c = Arc::clone(&counter);
        handles.push(thread::spawn(move || {
            c.fetch_add(1, Ordering::SeqCst);
        }));
    }
    for h in handles { h.join().unwrap(); }
    println!("count = {}", counter.load(Ordering::SeqCst));
}

Valg af det rigtige værktøj

En hurtig vejledning til delt tilstand:

Channel: overfør ejerskab i en behandlingskæde.
Arc<Mutex>: delt, mutable struktur med blandet læsning og skrivning.
Arc<RwLock>: delte data, hvor der læses meget.
Atomics: tællere eller flag med én primitiv værdi.

Foretræk det enkleste værktøj, der passer, og brug først låse, når meddelelsesoverførsel ikke beskriver problemet godt.

Hurtigt tjek

Test din forståelse af delt tilstand.

Besvar den i den interaktive lektion

Opsummering

Du har lært, hvordan du deler tilstand sikkert mellem tråde:

Arc muliggør trådsikkert delt ejerskab, mens Rc ikke gør.
Mutex giver eksklusiv ændring via en guard, der automatisk låser op.
Arc<Mutex<T>> er standardmønsteret til delte, mutable data.
Hold låsens omfang kort, og vær opmærksom på deadlocks og forgiftning.
RwLock egner sig til data, hvor der læses meget, mens atomics egner sig til simple tællere.

Gratis at komme i gang

Lær Rust med en AI-underviser — gratis

Skriv og kør rigtig kode i din browser, få øjeblikkelig hjælp fra en AI-underviser døgnet rundt, og fortsæt, hvor du slap, på web eller i appen.

Kurser: 39
Lektioner: 144

Start gratis Se hele kurset

Ofte stillede spørgsmål

Er lektionen “Deling af state med Arc/Mutex” gratis?

Ja — alle 3 lektioner i læringssporet Lær at programmere i Rust, inklusive “Deling af state med Arc/Mutex”, kan læses gratis i deres fulde længde her på webstedet. Derefter låser CoddyKit PRO alle lektioner op samt interaktive øvelser med en indbygget kodeeditor og en AI-underviser døgnet rundt. Lær at programmere i Rust-kurset indeholder 4 lektioner i alt.

Hvad lærer jeg i “Deling af state med Arc/Mutex”?

Sikre delte data Du øver dig i Lær at programmere i Rust med praktisk kode, som du kører direkte i browseren, og en AI-vejleder døgnet rundt besvarer dine spørgsmål, mens du arbejder dig gennem lektionen.

Skal jeg have erfaring for at begynde på Lær at programmere i Rust?

Der kræves ingen tidligere erfaring. Lær at programmere i Rust på CoddyKit er tilrettelagt for både begyndere og øvede, så du kan starte her eller fra begyndelsen og lære i dit eget tempo. Dette er lektion 2 af 4.

Hvor lang tid tager lektionen “Deling af state med Arc/Mutex”?

De fleste CoddyKit-lektioner tager cirka 5–10 minutter. Hver lektion er kort og interaktiv, så du gør løbende fremskridt og kan fortsætte, hvor du slap – på både web og app.

Kan jeg skrive og køre kode i denne Lær at programmere i Rust-lektion?

Ja. Alle Lær at programmere i Rust-lektioner har en indbygget kodeeditor, så du kan skrive og køre rigtig kode direkte i din browser og få øjeblikkelig feedback fra AI – uden lokal opsætning.

Alle lektioner i dette kursus

mpsc-kanaler
Deling af state med Arc/Mutex
Afgrænsede tråde
Crossbeam-kanaler

← Tilbage til Lær at programmere i Rust