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 21天以前  | 总阅读数:108 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

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