Rust中的并发性：非阻塞与阻塞数据结构 - 哈喽比特

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非阻塞数据结构是一种并发数据结构，允许线程在不需要锁的情况下访问和修改它。这个特性减少了线程争用和死锁的可能性，从而提高了多线程应用程序的性能。

非阻塞数据结构的优点：

性能效率：与阻塞数据结构相比，非阻塞数据结构可以提供更高的吞吐量和更好的可伸缩性，特别是在高度并发的环境中。
避免死锁：由于它们不使用传统的锁，因此它们避免了死锁之类的问题，而死锁可能很难检测和解决。
容错：在某些情况下，它们更健壮，例如当持有锁的线程失败或在阻塞结构中挂起时，这可能导致整个系统停滞。

用例和应用程序：

实时系统：在响应时间至关重要的系统中，如交易系统或游戏服务器，非阻塞结构可以确保及时处理数据。
高性能计算：它们在需要并发数据访问和操作的科学计算和模拟中非常有用。
Web服务器和数据库：处理大量并发请求的服务器可以从非阻塞数据结构的效率中获益。

非阻塞数据结构通常使用原子操作，如比较-交换(CAS)，以确保多个线程可以安全地并发地修改数据。这些原子操作保证操作要么完全成功，要么无效，从而维护数据完整性。

Rust中的非阻塞数据结构

Rust非常关注安全性和并发性，通过其标准库和外部crate为非阻塞数据结构提供了出色的支持。

标准库：Rust的标准库包括原子类型，如AtomicBool、AtomicIsize、AtomicUsize等，它们可用于构建非阻塞数据结构。
外部板crate：像crossbeam这样的crate提供了一系列非阻塞数据结构，如队列、双端队列和栈。

我们通常会使用原子操作，并通过Rust的所有权和借用规则仔细管理内存，确保不会发生数据竞争。

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

let counter = AtomicUsize::new(0);

// Incrementing the counter safely in a concurrent environment
counter.fetch_add(1, Ordering::Relaxed);

在这个例子中，fetch_add是一个原子操作，即使被多个线程并发访问，也可以安全地增加计数器。

Rust严格的并发性和安全性，保证其成为实现和使用非阻塞数据结构的理想语言，从而确保并发应用程序的性能和安全性。

比较非阻塞和阻塞数据结构

我们将探讨在并发Rust程序中实现同步的两种不同方法：非阻塞和阻塞。我们通过两个函数using_non_blocking和using_blocking实现从多个线程中增加共享计数器。

非阻塞方法

在using_non_blocking中，我们使用AtomicUsize和Arc(原子引用计数)来进行线程安全的操作和数据共享。AtomicUsize是一种支持无锁原子操作的原子变量。我们生成100,000个线程，每个线程将计数器精确地增加一次。fetch_add函数会自动增加计数器，确保线程安全，而不需要互斥锁。

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

fn using_non_blocking() {
    println!("Entering function: using_non_blocking");

    let counter = Arc::new(AtomicUsize::new(0));
    let mut handles = vec![];

    let start = std::time::Instant::now();

    for _ in 0..100000 {
        let counter_clone = Arc::clone(&counter);
        let handle = thread::spawn(move || {
            counter_clone.fetch_add(1, Ordering::Relaxed);
        });
        handles.push(handle);
    }

    for handle in handles {
        handle.join().unwrap();
    }

    println!("Final value: {}", counter.load(Ordering::SeqCst));
    println!(
        "Exiting function: using_non_blocking (took {} ms)",
        start.elapsed().as_millis()
    );
}

阻塞方法

在using_blocking中，我们使用互斥锁来保护计数器。这是阻塞方法的一个经典示例，其中每个线程必须在增加计数器之前获得锁。互斥锁确保对计数器的独占访问，防止数据竞争，但可能导致线程争用。

fn using_blocking() {
    println!("Entering function: using_blocking");

    let start = std::time::Instant::now();

    let counter = Arc::new(Mutex::new(0));
    let mut handles = vec![];

    for _ in 0..100000 {
        let counter_clone = Arc::clone(&counter);
        let handle = thread::spawn(move || {
            let mut num = counter_clone.lock().unwrap();
            *num += 1;
        });
        handles.push(handle);
    }

    for handle in handles {
        handle.join().unwrap();
    }

    println!("Final value: {}", counter.lock().unwrap());
    println!(
        "Exiting function: using_blocking (took {} ms)",
        start.elapsed().as_millis()
    );
}

分析

最后输出结果：

Entering function: using_non_blocking
Final value: 100000
Exiting function: using_non_blocking (took 34738 ms)

Entering function: using_blocking
Final value: 100000
Exiting function: using_blocking (took 38158 ms)

在这种情况下，非阻塞方法稍微快一些。这可以归因于不必像阻塞方法那样获取和释放锁，从而减少了开销。然而，性能上的差异并不像人们想象的那么显著。这可能是由于几个因素造成的，例如:

生成和管理大量线程的开销。
操作本身的性质(一个简单的增量)，这可能不会完全暴露阻塞方法中潜在的争用问题。
现代CPU和编译器优化，可以减轻与锁相关的一些开销。

总结

这个比较说明了非阻塞和阻塞方法之间的选择取决于特定的用例、争用级别和所执行操作的性质。虽然非阻塞结构可以在高争用场景中提供性能优势，但在低争用或不太复杂的操作中，阻塞结构的简单性和有效性也不容忽视。

在Rust中，这两种方法都受益于该语言对安全性的加强，确保无论选择哪种方式，数据竞争和并发性问题都能得到有效管理，为并发编程提供了坚实的基础。