Java和Rust在实现多线程编程时的异同

发布网友发布时间：2022-04-22 02:16

共1个回答

热心网友时间：2024-02-29 06:34

Java的实现
打开Follower.java里的这个函数

这里的Follower.this.invitations就是我们的消息队列，定义是：private LinkedList<Invitation> invitations;LinkedList不是线性安全的集合，需要我们加同步。具体的同步方法就是函数里写的，通过Java常见的用wait，notify和notifyall给对象加锁。
处理并发有wait、notify和notiyall，有兴趣的朋友可以去这里了解一下：http://www.importnew.com/16453.html。Follower就是一个等待leader发送invitation，处理并返回结果的过程。
Leader.java
这么一段代码：

里面就是Leader发送邀请inv，并等待follower返回结果的大概逻辑，通过对消息体加锁，是Java传统的实现多线程并发的方式。还有消费者的消息队列也会加锁，在Java里，有个对象叫LinkedBlockingQueue，是不用加锁就可以put和take的，但在例子里，我们选用了更简单的LinkedList，也是为了表现一下加锁的逻辑。
Rust的实现
Leader的结构为：

Follower的结构为：

对于其他语言转过来的同学，这里的Vec，i32，bool都很好理解，不过里面出现的Arc和Mutex，Sender，Receiver就是新东西了，上面这4个都是Rust标准库的东西，也是这次分享要介绍的重点对象，是这4个东西共同实现了消息的生产，传递和消费。
下面简单介绍一下分别是做什么用的：
Arc<T>实现了sync接口。Sync接口是做什么呢？权威资料是这么说的：当一个类型T实现了Sync，它向编译器表明这个类型在多线程并发时没有导致内存不安全的可能性。
如果看不懂不要紧，我们先看看实际中是怎么用的：

在这个例子里，我们关注这几句：
let data = Arc::new(Mutex::new(vec![1u32, 2, 3]));
let data = data.clone();
let mut data = data.lock().unwrap();
下面分别解释一下是做什么的：
简单的说Arc::new表明了这是通过clone()方法来使用的，每clone，都会给该对象原子计数+1，通过引用计数的方法来保证对象只要还被其中任何一个线程引用就不会被释放掉，从而保证了前面说的：这个类型在多线程并发时没有导致内存不安全的可能性。
如果我们不定义为Arc<>就传到其他线程使用，编译器会报：
error: capture of moved value: `data`
data[i] += 1;
我们可以记住clone()就是Arc的用法。
接下来我们看Mutex：
Mutex实现了send接口。同样，在权威资料里是这么描述的：这个类型的所有权可以在线程间安全的转移
那我们又是怎么用Mutex的呢？就是用lock().unwrap()。lock()的作用是获取对象，如果当前有其他线程正在使用Mutex<T>里面的T对象时，本线程就会阻塞，从而保证同时只有一个线程来访问对象，mutex也另外提供了try_lock()的方法，是不阻塞的，只要其他线程被占用，就返回err，通常Arc和Mutex都是一起使用的。
回到我最原始的题目，Mutex和Arc实现了对象本身的线程共享，但是在线程间如何传递这个对象呢？就是靠channel，channel通常是这么定义的let (tx, rx) = mpsc::channel();它会返回两个对象tx和rx，就是之前我提到的sender和receiver。
在我的Rust实现里，关键的语句是以下几个：
let leaders = (0..leader_cnt).map(|i|
Arc::new(Mutex::new(Leader::new(i,dance_types.len() as i32)))
).collect::<Vec<_>>();
这一句是new一堆leader出来，Arc和Mutex表明leader是可以多线程共享和访问的。
同样Follower也是：
let followers = (0..follower_cnt).map(|i|
Arc::new(Mutex::new(Follower::new(i,dance_types.len() as i32,leader_cnt)))
).collect::<Vec<_>>();
接下来这几句就有点不好理解了。

这里定义了一堆的sender和receiver，其中把他们都作为leader和follower的成员变量存起来。大概意思就是每一个leader都通过sender列表可以发送invitation给所有follower，同时又有单个receiver来接受所有follower发给自己的处理结果inviresult。
同样follower也是这么做。这样在之后每一个follower和leader作为一个线程跑起来之后，都能在相互之间建立了一条通信的通道。
这个是和Java实现多线程并发最大的不同之处！Java是通过给对象加锁，Rust是通过channel转移对象的所有权，在代码里，leader发送inv给folloer是下面这一句
match self.senders[*follower_id as usize].lock().unwrap().send(inv){，其中的lock().unwrap()是获得该leader对该follower的发送通道的所有权，send(inv)就是转移具体的发送对象invitation所有权了。
这个转移按照我的理解，应该是内存拷贝。就是在follower接收的时候，let inv = match self.receiver.recv() { ，原来leader里面的inv在send之后已经是不可访问了，如果你之后再次访问了inv，会报use of moved value错误，而follower里面的inv则是在follower的栈里新生成的对象，所以，在Java里面我只定义了invitation对象，但是在Rust里面，我要再定义一个InviResult，因为我即使在follower线程里面填了result字段，leader线程也不能继续访问inv了。所以需要依靠follower再次发送一个invresult给leader，所以整个Rust程序大概就是这么一个思路。
实践总结
之前我测试比较Java和Rust实现的性能时，由于没有把调试信息去掉，导致Java比Rust慢很多，特别是那些调试信息都是调用String.format，这是比几个string相加慢上10倍的方法，两者都去掉调试信息后，leader和follower都会2000的时候，在我低端外星人笔记本里，性能差别大概是2倍吧，没我想象中大，Rust的程序整个写下来比较费力，一方面是对ownership机制不熟，思维没有转变过来，另一方面Rust的确需要开发者分部分精力到语法细节上。
编者注：冯总也有一些其它的实践体会，请参见CSDN对冯耀明的专访，请戳这里。也可以查看他的个人博客里的总结。
下面摘录采访中关于Rust的内容过来：
首先Rust里面的ownership和lifetime概念真的很酷，就因为这个概念实现无内存泄露，野指针和安全并发。
其次，Rust的语法不简单，也是有不少坑的，据说Rust的潜在用户应该是现在的C和C++程序员，他们可能会觉得比较习惯，说不定还觉得更简单。由于ownership机制，一些在其他语言能够跑通的程序在Rust下就要调整实现了，它会改变你写程序的思维方式。据说一些写Rust超过半年的程序员已经爱上它了！
我对Rust感受较深的是下面几点：
初学者不熟悉ownership机制，会无数次编译失败。但一旦编译成功，那么程序只剩下逻辑错误了。同样，由于ownership机制，将来在项目里修改Rust代码将可能是痛苦的过程，因为原来编译通过的代码可能加入新功能就编译不过了，这是我的猜测。
Rust编译速度慢，不过据说最近每一个Rust新发布的版本编译速度都比之前的版本提高了30%。
Rust没有类，有的是结构体加方法，我喜欢这种简单的概念。
Rust没有类继承，只有接口，虽然接口可以提供默认的实现。这样一来，在大型项目里原来类继承来重用代码的效果是否就要用成员变量实例来完成呢？
Rust没有null，取而代之的是None和Option<T>，也因此，结构体在初始化的时候必须初始化所有字段。
Rust有我一直很想要的错误值返回机制，而不必通过抛异常或者需要每每定义包含结果和错误体实现。
Rust用send和sync两个接口来处理多线程并发，其中Arc<T>和Mutex<T>分别实现了这两个接口，简单易用。
Rust目前没有一个强大的IDE，支持断点调试，变量监控等。
它跟现在动态语言是两个截然不同的方向，它适合一些资深的程序员，我倒是觉得有必要有这么一本书，叫《从C++到Rust，你需要改善的20个编程习惯》，能从实践上告诉开发者Rust里我们应该遵从什么样的编程习惯。Rust未来是否像C那样流行开来成为新一代的主流语言没有人能够知道，但它绝对是值得你去了解和关注的语言。
进一步的思考：反转链表 - Java和Rust的不同实现
Rust的list应该怎么定义，譬如反转列表又是怎么做呢？
由于ownership的机制和不存在空指针的情况，很多在其他带GC的语言能够跑起来的程序在Rust下面就要换一种做法。最近试用Rust的基础数据结构时，更加加强了我的看法。下面以最原始的链表list为例。
在Java中，考虑最基本的链表定义
class ListNode {
int val;
ListNode next;

ListNode(int x) {
val = x;
}

@Override
public String toString() {
StringBuilder sb = new StringBuilder();
sb.append("[");
sb.append(val);
ListNode pNext = this.next;
while (pNext != null) {
sb.append(",");
sb.append(pNext.val);
pNext = pNext.next;
}
sb.append("]");
return String.format("%s", sb.toString());
}
}
如果我们要反转链表，可以这么做：
public ListNode reverseList(ListNode head) {
if (head == null) {
return null;
}
ListNode pNext = head.next;
ListNode pPrevious = null;
while (head != null) {
pNext = head.next;
head.next = pPrevious;
pPrevious = head;
head = pNext;
}
return pPrevious;
}
那如果我们按照一般思维，在Rust里对应的实现就是这样子的：
struct ListNode{
id :i32,
next :Option<Box<ListNode>>
}
反转链表：
fn reverseList2(head :&mut Option<Box<ListNode>>) -> Option<Box<ListNode>> {
match *head{
None => None,
Some(head) => {
let mut head = Some(head);
let mut pNext = head.unwrap().next;
let mut pPrevious:Option<Box<ListNode>> = None;
while true {
match head {
None =>{break;}
_ =>{}
}
pNext = head.unwrap().next;
head.unwrap().next = pPrevious;
pPrevious = head;
head = pNext;
}
pPrevious
}
}
}
然后编译，报了以下错误：
=》match *head{

ERROR：cannot move out of borrowed content
=》 pNext = head.unwrap().next;
ERROR：cuse of moved value: `head`

这些错误就是因为Rust的ownership机制，让我们无法像Java或者C++里保存临时变量，特别是在循环里。反复试过各种写法，都行不通。
最后，换成这么来做
链表定义：
use List::*;

enum List {
Cons1(i32, Box<List>),
Nil,
}

// Methods can be attached to an enum
impl List {
#[inline]
fn new() -> List {
Nil
}

#[inline]
fn prepend(self, elem: i32) -> List {
Cons1(elem, Box::new(self))
}

fn len(&self) -> i32 {
match *self {
Cons1(_, ref tail) => 1 + tail.len(),
Nil => 0
}
}

fn stringify(&self) -> String {
match *self {
Cons1(head, ref tail) => {
format!("{}, {}", head, tail.stringify())
},
Nil => {
format!("Nil")
},
}
}
}

fn reverseList(list:List, acc:List ) -> List{
match list{
Cons1(val,tail) => {
reverseList(*tail,acc.prepend(val))
}
Nil => acc
}
}

fn main() {
let mut head = List::new();
let mut i=0;
while i < 10 {
i+=1;
head = head.prepend(i);
}
println!("{:30}",head.stringify());
let result = List::new();
let result = reverseList(head,result);
<span style="white-space:pre"> </span>println!("{:30}",result.stringify());
}
从结果可以看到，链表已经实现反转了。所以在Rust下面，很多做法都要换一下。有人说这就是Rust函数式编程的思维。我但愿这种递归式的做法不会有溢出。

Rust中的多线程编程

多线程编程在Rust中提供了强大的并发能力，但同时也带来了复杂性。通过掌握所有权机制、Scoped Thread与Work Stealing算法，开发者可以更有效地在Rust中进行多线程编程，提升程序性能。

大家如何评价Rust语言

加了很多函数编程的概念。比如： arr.to_iter().filter（|x| x.age > 20），还有模式匹配，高阶枚举，但总体没有scala ocaml这类强大。完全编译时，极少运行时（有类似c++的typeid），要想用类似java的反射机制就不要想了。泛型和c++一样，基本就是一个文本替换（宏）常用的功能，如多...

rust是什么

此外，Rust还支持并发编程，使得开发者能更轻松地处理多任务和多线程的应用场景。这些特性使得Rust成为一种非常强大的编程语言，尤其在开发需要高性能和可靠性的系统中表现突出。总的来说，Rust是一种高性能的系统编程语言，特别适用于开发需要高可靠性和安全性的软件基础设施组件。其独特的所有权模型和内存...

世界上最受欢迎的编程语言,你为何看不上?

Rust突出的第二个关键指标是性能。Rust速度很快，是真的快，在某些任务上甚至比C/C++速度还快，在安全方面，C和Rust有很大的不同。C语言非常不安全，因为你需要自己处理内存。Rust则是在C++的基础上进一步优化。Rust的对象有一个所有者，和多个引用。Rust只允许有一个所有者，传递和赋值会导致所有权移...

为什么 Rust 备受开发者青睐?

3. **并发安全**：Rust 支持线程安全和内存安全，通过原子操作和所有权机制，为多线程编程提供了坚实的基石。这让Rust 成为了构建高并发系统时的首选语言之一。4. **高级语言特性与底层控制**：Rust 同时继承了高级语言的优雅特性，如模式匹配、泛型和结构化类型系统，同时提供了对底层资源的直接控制，...

JS使用Wasm为你的文件MD5计算装上火箭引擎

WebAssembly（Wasm）是一种开放标准，旨在提供一种可移植、高性能的二进制格式，用于在web浏览器中运行。它不是特定于任何语言的，而是为多种编程语言设计，包括C、C++、Rust等。通过将代码编译为Wasm格式，开发人员可以实现在不同平台和浏览器上运行的一致性性能。Wasm的主要目标之一是提供比传统的...

为什么Rust连续三年成为最受欢迎的语言?

首要考虑的是性能。Rust与C++相当，且相比动态语言如Lua或Python，性能更优。对于穆萨团队的设备，他们需要最小的实时延迟和充分利用SoC设备的资源，Rust的高性能满足了这一需求。并发性是关键因素，Rust内置多线程支持和严格的内存管理使其成为理想选择。通过所有权和借用规则，Rust避免了数据竞争和内存安全...

关于Rust 如何实现异步这件事

executor是一个托管运行任务的工具，类似多线程，但无需语言或操作系统支持。Rust通过定义交互接口将executor的实现交给第三方。Waker的作用是用于提醒executor任务已准备好运行。异步编程的核心在于使用语法糖async/await快速创建Future，实现异步编程的底层逻辑由runtime库提供，如futures-rs和tokio。本文通过...

Rust 基础系列 #2: 在 Rust 程序中使用变量和常量 | Linux 中国_百度知 ...

Rust变量的不可变性是其独特之处之一，这意味着一旦给变量赋值，就不能再改变其值，这为多线程编程提供了安全保障，无需额外的锁机制。然而，变量可以被显式定义为可变的，这样的变量称为可变变量。Rust的变量声明语法简洁，无需显式指定数据类型，编译器可以根据赋值自动推断类型。Rust不支持隐式类型转换...

为什么 Rust 没有 rusty (生锈)?

创建Rust的初衷是解决多线程安全问题，它从一开始就展现为一种高效且安全的解决方案。随着时间的推移，Rust从一个面向高级应用的语言逐渐转变为更适合内核和嵌入式编程的低级语言。它的严格标准和内置的安全特性，如借用检查器和所有权系统，为开发者提供了一种全新的编程体验，减少了内存安全风险。Pawe...