Rust中的并发性:非阻塞与阻塞数据结构

coding到灯火阑珊 发表于 8月以前  | 总阅读数:536 次

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:

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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:

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。

  1. 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。
  2. 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。

本文由微信公众号coding到灯火阑珊原创,哈喽比特收录。
文章来源:https://mp.weixin.qq.com/s/zCiKBQcFNQnjv-Wem0UB4w

 相关推荐

刘强东夫妇:“移民美国”传言被驳斥

京东创始人刘强东和其妻子章泽天最近成为了互联网舆论关注的焦点。有关他们“移民美国”和在美国购买豪宅的传言在互联网上广泛传播。然而,京东官方通过微博发言人发布的消息澄清了这些传言,称这些言论纯属虚假信息和蓄意捏造。

发布于:1年以前  |  808次阅读  |  详细内容 »

博主曝三大运营商,将集体采购百万台华为Mate60系列

日前,据博主“@超能数码君老周”爆料,国内三大运营商中国移动、中国电信和中国联通预计将集体采购百万台规模的华为Mate60系列手机。

发布于:1年以前  |  770次阅读  |  详细内容 »

ASML CEO警告:出口管制不是可行做法,不要“逼迫中国大陆创新”

据报道,荷兰半导体设备公司ASML正看到美国对华遏制政策的负面影响。阿斯麦(ASML)CEO彼得·温宁克在一档电视节目中分享了他对中国大陆问题以及该公司面临的出口管制和保护主义的看法。彼得曾在多个场合表达了他对出口管制以及中荷经济关系的担忧。

发布于:1年以前  |  756次阅读  |  详细内容 »

抖音中长视频App青桃更名抖音精选,字节再发力对抗B站

今年早些时候,抖音悄然上线了一款名为“青桃”的 App,Slogan 为“看见你的热爱”,根据应用介绍可知,“青桃”是一个属于年轻人的兴趣知识视频平台,由抖音官方出品的中长视频关联版本,整体风格有些类似B站。

发布于:1年以前  |  648次阅读  |  详细内容 »

威马CDO:中国每百户家庭仅17户有车

日前,威马汽车首席数据官梅松林转发了一份“世界各国地区拥车率排行榜”,同时,他发文表示:中国汽车普及率低于非洲国家尼日利亚,每百户家庭仅17户有车。意大利世界排名第一,每十户中九户有车。

发布于:1年以前  |  589次阅读  |  详细内容 »

研究发现维生素 C 等抗氧化剂会刺激癌症生长和转移

近日,一项新的研究发现,维生素 C 和 E 等抗氧化剂会激活一种机制,刺激癌症肿瘤中新血管的生长,帮助它们生长和扩散。

发布于:1年以前  |  449次阅读  |  详细内容 »

苹果据称正引入3D打印技术,用以生产智能手表的钢质底盘

据媒体援引消息人士报道,苹果公司正在测试使用3D打印技术来生产其智能手表的钢质底盘。消息传出后,3D系统一度大涨超10%,不过截至周三收盘,该股涨幅回落至2%以内。

发布于:1年以前  |  446次阅读  |  详细内容 »

千万级抖音网红秀才账号被封禁

9月2日,坐拥千万粉丝的网红主播“秀才”账号被封禁,在社交媒体平台上引发热议。平台相关负责人表示,“秀才”账号违反平台相关规定,已封禁。据知情人士透露,秀才近期被举报存在违法行为,这可能是他被封禁的部分原因。据悉,“秀才”年龄39岁,是安徽省亳州市蒙城县人,抖音网红,粉丝数量超1200万。他曾被称为“中老年...

发布于:1年以前  |  445次阅读  |  详细内容 »

亚马逊股东起诉公司和贝索斯,称其在购买卫星发射服务时忽视了 SpaceX

9月3日消息,亚马逊的一些股东,包括持有该公司股票的一家养老基金,日前对亚马逊、其创始人贝索斯和其董事会提起诉讼,指控他们在为 Project Kuiper 卫星星座项目购买发射服务时“违反了信义义务”。

发布于:1年以前  |  444次阅读  |  详细内容 »

苹果上线AppsbyApple网站,以推广自家应用程序

据消息,为推广自家应用,苹果现推出了一个名为“Apps by Apple”的网站,展示了苹果为旗下产品(如 iPhone、iPad、Apple Watch、Mac 和 Apple TV)开发的各种应用程序。

发布于:1年以前  |  442次阅读  |  详细内容 »

特斯拉美国降价引发投资者不满:“这是短期麻醉剂”

特斯拉本周在美国大幅下调Model S和X售价,引发了该公司一些最坚定支持者的不满。知名特斯拉多头、未来基金(Future Fund)管理合伙人加里·布莱克发帖称,降价是一种“短期麻醉剂”,会让潜在客户等待进一步降价。

发布于:1年以前  |  441次阅读  |  详细内容 »

光刻机巨头阿斯麦:拿到许可,继续对华出口

据外媒9月2日报道,荷兰半导体设备制造商阿斯麦称,尽管荷兰政府颁布的半导体设备出口管制新规9月正式生效,但该公司已获得在2023年底以前向中国运送受限制芯片制造机器的许可。

发布于:1年以前  |  437次阅读  |  详细内容 »

马斯克与库克首次隔空合作:为苹果提供卫星服务

近日,根据美国证券交易委员会的文件显示,苹果卫星服务提供商 Globalstar 近期向马斯克旗下的 SpaceX 支付 6400 万美元(约 4.65 亿元人民币)。用于在 2023-2025 年期间,发射卫星,进一步扩展苹果 iPhone 系列的 SOS 卫星服务。

发布于:1年以前  |  430次阅读  |  详细内容 »

𝕏(推特)调整隐私政策,可拿用户发布的信息训练 AI 模型

据报道,马斯克旗下社交平台𝕏(推特)日前调整了隐私政策,允许 𝕏 使用用户发布的信息来训练其人工智能(AI)模型。新的隐私政策将于 9 月 29 日生效。新政策规定,𝕏可能会使用所收集到的平台信息和公开可用的信息,来帮助训练 𝕏 的机器学习或人工智能模型。

发布于:1年以前  |  428次阅读  |  详细内容 »

荣耀CEO谈华为手机回归:替老同事们高兴,对行业也是好事

9月2日,荣耀CEO赵明在采访中谈及华为手机回归时表示,替老同事们高兴,觉得手机行业,由于华为的回归,让竞争充满了更多的可能性和更多的魅力,对行业来说也是件好事。

发布于:1年以前  |  423次阅读  |  详细内容 »

AI操控无人机能力超越人类冠军

《自然》30日发表的一篇论文报道了一个名为Swift的人工智能(AI)系统,该系统驾驶无人机的能力可在真实世界中一对一冠军赛里战胜人类对手。

发布于:1年以前  |  423次阅读  |  详细内容 »

AI生成的蘑菇科普书存在可致命错误

近日,非营利组织纽约真菌学会(NYMS)发出警告,表示亚马逊为代表的电商平台上,充斥着各种AI生成的蘑菇觅食科普书籍,其中存在诸多错误。

发布于:1年以前  |  420次阅读  |  详细内容 »

社交媒体平台𝕏计划收集用户生物识别数据与工作教育经历

社交媒体平台𝕏(原推特)新隐私政策提到:“在您同意的情况下,我们可能出于安全、安保和身份识别目的收集和使用您的生物识别信息。”

发布于:1年以前  |  411次阅读  |  详细内容 »

国产扫地机器人热销欧洲,国产割草机器人抢占欧洲草坪

2023年德国柏林消费电子展上,各大企业都带来了最新的理念和产品,而高端化、本土化的中国产品正在不断吸引欧洲等国际市场的目光。

发布于:1年以前  |  406次阅读  |  详细内容 »

罗永浩吐槽iPhone15和14不会有区别,除了序列号变了

罗永浩日前在直播中吐槽苹果即将推出的 iPhone 新品,具体内容为:“以我对我‘子公司’的了解,我认为 iPhone 15 跟 iPhone 14 不会有什么区别的,除了序(列)号变了,这个‘不要脸’的东西,这个‘臭厨子’。

发布于:1年以前  |  398次阅读  |  详细内容 »
 相关文章
 目录