% Concurrencia
La concurrencia y el paralelismo son dos tópicos increíblemente importantes en las ciencias de la computación, también son un tópico caliente en la industria hoy en día. Las computadoras cada vez poseen mas y mas núcleos, aun así, todavía algunos desarrolladores no están preparados para utilizarnos completamente.
La seguridad en el manejo de memoria de Rust también aplica a su historia de concurrencia. Incluso los programas concurrentes deben ser seguros en el manejo de memoria, sin condiciones de carrera. El sistema de tipos de Rust esta a la altura del desafío, y te dota de poderosas vías para razonar acerca de código concurrente en tiempo de compilación.
Antes de que hablemos de las características de concurrencia que vienen con Rust, es importante entender algo: Rust es de bajo nivel, suficientemente bajo al punto que todas estas facilidades están implementadas en la biblioteca estándar. Esto significa que si no te gusta algún aspecto de la manera en la que Rust maneja la concurrencia, puedes implementar una forma alternativa de hacerlo. mio es un vivo ejemplo de este principio en acción.
Bases: Send y Sync
La concurrencia es algo sobre lo que es difícil razonar. En Rust tenemos un poderoso, sistema de tipos estático que nos ayuda a razonar acerca de nuestro código. Como tal, Rust nos provee de dos traits para ayudarnos a darle sentido a código que pueda posiblemente ser concurrente.
Send
El primer trait del cual hablaremos es Send (ingles). Cuando un tipo T implementa Send, le indica al compilador que algo de este tipo puede transferir la pertenencia entre hilos de forma segura.
Esto es importante para hacer cumplir ciertas restricciones. Por ejemplo si tenemos un canal, conectando dos hilos, deberíamos querer transferir algunos datos a el otro hilo través del canal. Por lo tanto, nos aseguramos de que Send haya sido implementado para ese tipo.
De manera opuesta, si estamos envolviendo una biblioteca con FFI que no es threadsafe, no deberíamos querer implementar Send, de manera tal que el compilador nos ayude a asegurarnos que esta no pueda abandonar el hilo actual.
Sync
El segundo de estos traits es llamado Sync (ingles). Cuando un tipo T implementa Sync, le indica al el compilador que algo de este tipo no tiene posibilidad de introducir inseguridad en memoria cuando es usado de manera concurrente por multiples hilos de ejecución.
Por ejemplo, compartir data inmutable con una cuenta de referencias atómica es threadsafe. Rust provee dicho tipo, Arc<T>, el cual implementa Sync, y es por ello que es seguro de compartir entre hilos.
Estos dos traits te permiten usar el sistema de tipos para hacer garantías fuertes acerca de las propiedades de tu código bajo concurrencia. En primer lugar, antes de demostrar porque, necesitamos aprender como crear un programa concurrente en Rust!
Hilos
La biblioteca estándar de Rust provee una biblioteca para el manejo de hilos, que te permite ejecutar código rust de forma paralela. He aqui un ejemplo basico del uso de std::thread:
use std::thread;
fn main() {
thread::spawn(|| {
println!("Hola desde un hilo!");
});
}
El método thread::spawn() acepta un closure como argumento, closure que es ejecutado en un nuevo hilo. thread::spawn() retorna un handle a el nuevo hilo, que puede ser usado para esperar a que el hilo finalice y luego extraer su resultado:
use std::thread;
fn main() {
let handle = thread::spawn(|| {
"Hola desde un hilo!"
});
println!("{}", handle.join().unwrap());
}
Muchos lenguajes poseen la habilidad de ejecutar hilos, pero es salvajemente inseguro. Existen libros enteros acerca de como prevenir los errores que ocurren como consecuencia de compartir estado mutable. Rust ayuda con su sistema de tipos, previniendo condiciones de carrera en tiempo de compilación. Hablemos acerca de como efectivamente puedes compartir cosas entre hilos.
Estado Mutable Compartido Seguro
Debido a el sistema de tipos de Rust, tenemos un concepto que suena como una mentira: "estado mutable compartido seguro". Muchos programadores concuerdan en que el estado mutable compartido es muy, muy malo.
Alguien dijo alguna vez:
El estado mutable compartido es la raíz de toda maldad. La mayoría de los lenguajes intentan lidiar con este problema a través de la parte 'mutable', pero Rust lo enfrenta resolviendo la parte 'compartida'.
La misma pertenencia que previene el uso incorrecto de apuntadores también ayuda a eliminar las condiciones de carrera, uno de los peores bugs relacionados con concurrencia.
Como ejemplo, un programa Rust que tendría una condición de carrera en muchos lenguajes. En Rust no compilaría:
use std::thread;
fn main() {
let mut data = vec![1u32, 2, 3];
for i in 0..3 {
thread::spawn(move || {
data[i] += 1;
});
}
thread::sleep_ms(50);
}
Lo anterior produce un error:
8:17 error: capture of moved value: `data`
data[i] += 1;
^~~~
En este caso, sabemos que nuestro código deberia ser seguro, pero Rust no esta seguro de ello. En realidad no es seguro, si tuviéramos una referencia a data en cada hilo, y el hilo toma pertenencia de la referencia, tendríamos tres dueños! Eso esta mal. Podemos arreglar esto a través del uso del tipo Arc<T>, un apuntador con conteo atómico de referencias. La parte 'atómico' significa que es seguro compartirlo entre hilos.
Arc<T> asume una propiedad mas acerca de su contenido para asegurarse que es seguro compartirlo entre hilos: asume que su contenido es Sync. Pero en nuestro caso, queremos mutar el valor. Necesitamos un tipo que pueda asegurarse que solo una persona a la vez pueda mutar lo que este dentro. Para eso, podemos usar el tipo Mutex<T>. He aquí la segunda version de nuestro código. Aun no funciona, pero por una razón diferente:
use std::thread;
use std::sync::Mutex;
fn main() {
let mut data = Mutex::new(vec![1u32, 2, 3]);
for i in 0..3 {
let data = data.lock().unwrap();
thread::spawn(move || {
data[i] += 1;
});
}
thread::sleep_ms(50);
}
He aqui el error:
:9:9: 9:22 error: the trait `core::marker::Send` is not implemented for the type `std::sync::mutex::MutexGuard<'_, collections::vec::Vec>` [E0277]
:11 thread::spawn(move || {
^~~~~~~~~~~~~
:9:9: 9:22 note: `std::sync::mutex::MutexGuard<'_, collections::vec::Vec>` cannot be sent between threads safely
:11 thread::spawn(move || {
^~~~~~~~~~~~~
Lo ves, Mutex posee un metodo lock que posee esta firma:
fn lock(&self) -> LockResult>
Debido a que Send no esta implementado para MutexGuard<T>, no podemos transferir el MutexGuard<T> entre hilos, lo que se traduce en el error.
Podemos usar Arc<T> para corregir el error. He aqui la version funcional:
use std::sync::{Arc, Mutex};
use std::thread;
fn main() {
let data = Arc::new(Mutex::new(vec![1u32, 2, 3]));
for i in 0..3 {
let data = data.clone();
thread::spawn(move || {
let mut data = data.lock().unwrap();
data[i] += 1;
});
}
thread::sleep_ms(50);
}
Ahora llamamos clone() en nuestro Arc, lo cual incrementa el contador interno. Este handle es entonces movido dentro del nuevo hilo. Examinemos el cuerpo del hilo mas de cerca:
# use std::sync::{Arc, Mutex};
# use std::thread;
# fn main() {
# let data = Arc::new(Mutex::new(vec![1u32, 2, 3]));
# for i in 0..3 {
# let data = data.clone();
thread::spawn(move || {
let mut data = data.lock().unwrap();
data[i] += 1;
});
# }
# thread::sleep_ms(50);
# }
Primero, llamamos lock(), lo cual obtiene el bloqueo de exclusion mutua. Debido a que esta operación puede fallar, este método retorna un Result<T, E>, y debido a que esto es solo un ejemplo, hacemos unwrap() en el para obtener una referencia a la data. Código real tendría un manejo de errores mas robusto en este lugar. Somos libres de mutarlo, puesto que tenemos el bloqueo.
Por ultimo, mientras que los hilos se ejecutan, esperamos por la culminación de un temporizador corto. Esto no es ideal: pudimos haber escogido un tiempo razonable para esperar pero lo mas probable es que esperemos mas de lo necesario, o no lo suficiente, dependiendo de cuanto tiempo los hilos toman para terminar la computación cuando el programa corre.
Una alternativa mas precisa a el temporizador seria el uso de uno de los mecanismos proporcionados por la biblioteca estándar de Rust para la sincronización entre hilos. Hablemos de ellos: los canales.
Canales
He aquí una version nuestro código que usa canales para la sincronización, en lugar de esperar por un tiempo especifico:
use std::sync::{Arc, Mutex};
use std::thread;
use std::sync::mpsc;
fn main() {
let data = Arc::new(Mutex::new(0u32));
let (tx, rx) = mpsc::channel();
for _ in 0..10 {
let (data, tx) = (data.clone(), tx.clone());
thread::spawn(move || {
let mut data = data.lock().unwrap();
*data += 1;
tx.send(());
});
}
for _ in 0..10 {
rx.recv();
}
}
Hacemos uso del método mpsc::channel() para construir un canal nuevo. Enviamos (a través de send) un simple () a través del canal, y luego esperamos por el regreso diez de ellos.
Mientras que este canal esta solo enviando una senal genérica, podemos enviar cualquier data que sea Send a través del canal!
use std::thread;
use std::sync::mpsc;
fn main() {
let (tx, rx) = mpsc::channel();
for _ in 0..10 {
let tx = tx.clone();
thread::spawn(move || {
let respuesta = 42u32;
tx.send(respuesta);
});
}
rx.recv().ok().expect("No se ha podido recibir la respuesta");
}
Un u32 es Send porque podemos hacer una copia de el. Entonces creamos un hilo, y le solicitamos que calcule la respuesta, este luego nos envía la respuesta de regreso (usando send()) a través del canal.
Panicos
Un panic! causara la finalización abrupta (crash) del hilo de ejecución actual. Puedes usar los hilos de Rust como un mecanismo de aislamiento sencillo:
use std::thread;
let resultado = thread::spawn(move || {
panic!("ups!");
}).join();
assert!(resultado.is_err());
Nuestro Thread nos devuelve un Result, el cual nos permite chequear si el hilo ha hecho pánico o no.