最后的项目: 构建多线程 web server - 使用通道向线程发送请求

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小牛编辑

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2023-12-01

下一个需要解决的问题是（线程中的）闭包完全没有做任何工作。我们一直在绕过获取方法中实际期望执行的闭包的问题，不过看起来在创建 ThreadPool 时就需要知道实际的闭包。

不过考虑一下真正需要做的：我们希望刚创建的 Worker 结构体能够从 ThreadPool 的队列中获取任务，并在线程中执行他们。

在第十六章中，我们学习了通道。通道是一个沟通两个线程的良好手段，对于这个例子来说则是绝佳的。通道将充当任务队列的作用，execute 将通过 ThreadPool 向其中线程正在寻找工作的 Worker 实例发送任务。如下是这个计划：

ThreadPool 会创建一个通道并充当发送端。
每个 Worker 将会充当通道的接收端。
新建一个 Job 结构体来存放用于向通道中发送的闭包。
ThreadPool 的 execute 方法会在发送端发出期望执行的任务。
在线程中，Worker 会遍历通道的接收端并执行任何接收到的任务。

让我们以在 ThreadPool::new 中创建通道并让 ThreadPool 实例充当发送端开始，如列表 20-16 所示。Job 是将在通道中发出的类型；目前它是一个没有任何内容的结构体：

文件名: src/lib.rs

列表 20-16：修改 ThreadPool 来储存一个发送 Job 实例的通道发送端

在 ThreadPool::new 中，新建了一个通道，并接着让线程池在接收端等待。这段代码能够编译，不过仍有警告。

在线程池创建每个 worker 时将通道的接收端传递给他们。须知我们希望在 worker 所分配的线程中使用通道的接收端，所以将在闭包中引用 receiver 参数。列表 20-17 中展示的代码还不能编译：

文件名: src/lib.rs

impl ThreadPool {
    // ...snip...
    pub fn new(size: usize) -> ThreadPool {
        assert!(size > 0);
        let (sender, receiver) = mpsc::channel();
        let mut workers = Vec::with_capacity(size);
        for id in 0..size {
            workers.push(Worker::new(id, receiver));
        }
        ThreadPool {
            workers,
            sender,
        }
    }
    // ...snip...
}
// ...snip...
impl Worker {
    fn new(id: usize, receiver: mpsc::Receiver<Job>) -> Worker {
        let thread = thread::spawn(|| {
            receiver;
        });
        Worker {
            id,
            thread,
        }
    }
}

列表 20-17：将通道的接收端传递给 worker

这是一些小而直观的修改：将通道的接收端传递进了 Worker::new，并接着在闭包中使用他们。

如果尝试检查代码，会得到这个错误：

$ cargo check
   Compiling hello v0.1.0 (file:///projects/hello)
error[E0382]: use of moved value: `receiver`
  --> src/lib.rs:27:42
   |
27 |             workers.push(Worker::new(id, receiver));
   |                                          ^^^^^^^^ value moved here in
   previous iteration of loop
   |
   = note: move occurs because `receiver` has type
   `std::sync::mpsc::Receiver<Job>`, which does not implement the `Copy` trait

这些代码还不能编译的原因如上因为它尝试将 receiver 传递给多个 Worker 实例。回忆第十六章，Rust 所提供的通道实现是多生产者，单消费者的，所以不能简单的克隆通道的消费端来解决问题。即便可以我们也不希望克隆消费端；在所有的 worker 中共享单一 receiver 才是我们希望的在线程间分发任务的机制。

另外，从通道队列中取出任务涉及到修改 receiver，所以这些线程需要一个能安全的共享和修改 receiver 的方式。如果修改不是线程安全的，则可能遇到竞争状态，例如两个线程因同时在队列中取出相同的任务并执行了相同的工作。

文件名: src/lib.rs

列表 20-18：使用 Arc 和 Mutex 在 worker 间共享通道的接收端

在 ThreadPool::new 中，将通道的接收端放入一个 Arc 和一个 Mutex 中。对于每一个新 worker，则克隆 Arc 来增加引用计数，如此这些 worker 就可以共享接收端的所有权了。

通过这些修改，代码可以编译了！我们做到了！

最好让我们实现 ThreadPool 上的 execute 方法。同时也要修改 Job 结构体：它将不再是结构体，Job 将是一个有着 execute 接收到的闭包类型的 trait 对象的类型别名。我们讨论过类型别名如何将长的类型变短，现在就这种情况！看一看列表 20-19：

文件名: src/lib.rs

// ...snip...
# pub struct ThreadPool {
#     workers: Vec<Worker>,
# }
# use std::sync::mpsc;
# struct Worker {}
impl ThreadPool {
    // ...snip...
    pub fn execute<F>(&self, f: F)
        where
            F: FnOnce() + Send + 'static
    {
        let job = Box::new(f);
        self.sender.send(job).unwrap();
    }
}
// ...snip...

列表 20-19：为存放每一个闭包的 Box 创建一个 Job 类型别名，接着在通道中发出

在使用 execute 得到的闭包新建 Job 实例之后，将这些任务从通道的发送端发出。这里调用 send 上的 unwrap，因为如果接收端停止接收新消息则发送可能会失败，这可能发生于我们停止了所有的执行线程。不过目前这是不可能的，因为只要线程池存在他们就会一直执行。使用 unwrap 是因为我们知道失败不可能发生，即便编译器不这么认为，正如第九章讨论的这是 unwrap 的一个恰当用法。

那我们结束了吗？不完全是！在 worker 中，传递给 thread::spawn 的闭包仍然还只是引用了通道的接收端。但是我们需要闭包一直循环，向通道的接收端请求任务，并在得到任务时执行他们。如列表 20-20 对 Worker::new 做出修改：

文件名: src/lib.rs

// ...snip...
impl Worker {
    fn new(id: usize, receiver: Arc<Mutex<mpsc::Receiver<Job>>>) -> Worker {
        let thread = thread::spawn(move || {
            loop {
                let job = receiver.lock().unwrap().recv().unwrap();
                println!("Worker {} got a job; executing.", id);
                (*job)();
            }
        });
        Worker {
            id,
            thread,
        }
    }
}

列表 20-20：在 worker 线程中接收并执行任务

这里，首先在 receiver 上调用了 lock 来获取互斥器，接着 unwrap 在出现任何错误时 panic。如果互斥器处于一种叫做被污染（poisoned）的状态时获取锁肯能会失败，这可能发生于其他线程在持有锁时 panic 了并没有释放锁。如果当前线程因为这个原因不能得到所，调用 unwrap 使其 panic 也是正确的行为。如果你觉得有意义的话请随意将 unwrap 改为带有错误信息的 expect。

如果锁定了互斥器，接着调用 recv 从通道中接收 Job。最后的 unwrap 也绕过了一些错误，recv 在通道的发送端关闭时会返回 Err，类似于 send 在接收端关闭时返回 Err 一样。

调用 recv 的代码块；也就是说，它还没有任务，这个线程会等待直到有可用的任务。Mutex<T> 确保一次只有一个 Worker 线程尝试请求任务。

这个错误非常的神秘，因为这个问题本身就很神秘。为了调用储存在 Box<T> （这正是 Job 别名的类型）中的 FnOnce 闭包，该闭包需要能将自己移动出 Box<T>，因为当调用这个闭包时，它获取 self 的所有权。通常来说，将值移动出 Box<T> 是不被允许的，因为 Rust 不知道 Box<T> 中的值将会有多大；回忆第十五章能够正常使用 Box<T> 是因为我们将未知大小的值储存进 Box<T> 从而得到已知大小的值。

第十七章曾见过，列表 17-15 中有使用了 self: Box<Self> 语法的方法，它获取了储存在 Box<T> 中的 Self 值的所有权。这正是我们希望做的，然而不幸的是 Rust 调用闭包的那部分实现并没有使用 self: Box<Self>。所以这里 Rust 也不知道它可以使用 self: Box<Self> 来获取闭包的所有权并将闭包移动出 Box<T>。

将来列表 20-20 中的代码应该能够正常工作。Rust 仍在努力改进提升编译器。有很多像你一样的人正在修复这个以及其他问题！当你结束了本书的阅读，我们希望看到你也成为他们中的一员。

不过目前让我们绕过这个问题。所幸有一个技巧可以显式的告诉 Rust 我们处于可以获取使用 self: Box<Self> 的 Box<T> 中值的所有权的状态，而一旦获取了闭包的所有权就可以调用它了。这涉及到定义一个新 trait，它带有一个在签名中使用 self: Box<Self> 的方法 call_box，为任何实现了 FnOnce() 的类型定义这个 trait，修改类型别名来使用这个新 trait，并修改 Worker 使用 call_box 方法。这些修改如列表 20-21 所示：

文件名: src/lib.rs

trait FnBox {
    fn call_box(self: Box<Self>);
}
impl<F: FnOnce()> FnBox for F {
    fn call_box(self: Box<F>) {
        (*self)()
}
type Job = Box<FnBox + Send + 'static>;
// ...snip...
    fn new(id: usize, receiver: Arc<Mutex<mpsc::Receiver<Job>>>) -> Worker {
        let thread = thread::spawn(move || {
            loop {
                let job = receiver.lock().unwrap().recv().unwrap();
                println!("Worker {} got a job; executing.", id);
                job.call_box();
            }
        });
        Worker {
            id,
            thread,
        }
    }
}

列表 20-21：新增一个 trait FnBox 来绕过当前 Box<FnOnce()> 的限制

首先，新建了一个叫做 FnBox 的 trait。这个 trait 有一个方法 call_box，它类似于其他 Fn* trait 中的 call 方法，除了它获取 self: Box<Self> 以便获取 self 的所有权并将值从 Box<T> 中移动出来。

现在我们希望 Job 类型别名是任何实现了新 trait FnBox 的 Box，而不是 FnOnce()。这允许我们在得到 Job 值时使用 Worker 中的 call_box。因为我们为任何 FnOnce() 闭包都实现了 FnBox trait，无需对实际在通道中发出的值做任何修改。

最后，对于 Worker::new 的线程中所运行的闭包，调用 call_box 而不是直接执行闭包。现在 Rust 就能够理解我们的行为是正确的了。

这是非常狡猾且复杂的手段。无需过分担心他们并不是非常有道理；总有一天，这一切将是毫无必要的。

通过这些技巧，线程池处于可以运行的状态了！执行 cargo run 并发起一些请求：

$ cargo run
   Compiling hello v0.1.0 (file:///projects/hello)
warning: field is never used: `workers`
 --> src/lib.rs:7:5
  |
7 |     workers: Vec<Worker>,
  |     ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
  |
  = note: #[warn(dead_code)] on by default
warning: field is never used: `id`
  --> src/lib.rs:61:5
   |
61 |     id: usize,
   |     ^^^^^^^^^
   |
   = note: #[warn(dead_code)] on by default
warning: field is never used: `thread`
  --> src/lib.rs:62:5
   |
62 |     thread: thread::JoinHandle<()>,
   |     ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
   |
   = note: #[warn(dead_code)] on by default
    Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.99 secs
     Running `target/debug/hello`
     Worker 0 got a job; executing.
Worker 2 got a job; executing.
Worker 1 got a job; executing.
Worker 3 got a job; executing.
Worker 0 got a job; executing.
Worker 2 got a job; executing.
Worker 1 got a job; executing.
Worker 3 got a job; executing.
Worker 0 got a job; executing.

成功了！现在我们有了一个可以异步执行连接的线程池！它绝不会创建超过四个线程，所以当 server 收到大量请求时系统也不会负担过重。如果请求 /sleep，server 也能够通过另外一个线程处理其他请求。

那么这些警告怎么办呢？难道我们没有使用 workers、id 和 thread 字段吗？好吧，目前我们用了所有这些字段存放了一些数据，不过当设置线程池并开始执行代码在通道中向线程发送任务时，我们并没有对数据进行任何实际的操作。但是如果不存放这些值，他们将会离开作用域：比如，如果不将 Vec<Worker> 值作为 ThreadPool 的一部分返回，这个 vector 在 ThreadPool::new 的结尾就会被清理。

那么这些警告有错吗？从某种角度上讲是的，这些警告是错误的，因为我们使用这些字段储存一直需要的数据。从另一种角度来说也不对：使用过后我们也没有做任何操作清理线程池，仅仅通过 ctrl-C 来停止程序并让操作系统为我们清理。下面让我们实现 graceful shutdown 来清理所创建的一切。