最后的项目: 构建多线程 web server - 使用通道向线程发送请求
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。