[Rust] 7. Threads

Chapter 7은 concurrent ticket management system을 위한 단원이다.
 
지금까지 본 것들은 single-threaded였을 때고,
이제는 그것을 바꿀 때다.
 

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그래서 ticket store을 multithreaded로 바꿀 것이다.
그와 관련된 Rust의 중요한 concurrency features를 배울 것인데,
그것들은 다음과 같다.
 

• std::thread module을 사용한 Threads.
• channels를 사용한 Message passing
• Arc, Mutex, RwLock을 사용한 공유 상태
• Rust의 concurrency guarantees를 encode한 traits인 Send와 Sync

multithreaded systems의 다양한 patterns와 trade-offs에 대해서도 다룰 것이다.
 

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먼저 thread가 무엇인가?
 
thread는 OS의 기저에서 관리되는 execution context다.
각 thread는 각자의 stack과 instruction pointer가 있다.
 
하나의 process는 여러개의 threads를 관리할 수 있다.
이 threads는 같은 memory 영역을 공유한다.
이것은 같은 data에 대해 접근할 수 있다는 것을 의미한다.
 
Threads는 논리적인 구성체다.
결국 물리적인 execution unit인 CPU core에서는 한번에 하나의 instructions set을 실행할 수 있다.
CPU cores보다 더 많은 threads들이 존재할 수 있기 때문에,
OS scheduler는 throughput과 responsiveness를 maximize하기 위해 threads에게
CPU time을 분배하면서, 주어진 시간에 어떤 thread를 run해야하는지 관리한다.
 

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Rust의 standard library는 std::thread라는 module을 제공한다.
그것은 threads를 생성하고 관리하게 해준다.
 

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새로운 threads를 만들고 그것에 대한 code를 실행하기 위해 std::thread::spawn을 사용할 수 있다.

use std::thread;
use std::time::Duration;

fn main() {
    let handle = thread::spawn(|| {
        loop {
            thread::sleep(Duration::from_secs(1));
            println!("Hello from a thread!");
        }
    });
    
    loop {
        thread::sleep(Duration::from_secs(2));
        println!("Hello from the main thread!");
    }
}

 
위 program을 execute한다면, main thread와 spawned thread가 concurrently하게 run한다는 것을 확인할 수 있다.
각 thread는 독립적으로 작업을 수행한다.
 

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main thread가 끝날 때, 전체 process는 exit될 것이다.
spawned thread는 해당 thread가 끝나거나 main thread가 끝날 때까지 running할 것이다.

use std::thread;
use std::time::Duration;

fn main() {
    let handle = thread::spawn(|| {
        loop {
            thread::sleep(Duration::from_secs(1));
            println!("Hello from a thread!");
        }
    });

    thread::sleep(Duration::from_secs(5));
}

 
위의 예시에서, "Hello from a thread!" message가 다섯 번 print되는 것을 예상할 수 있다.
main thread는 sleep call이 return될 때, 끝날 것이다.
그리고 spawned thread는 전체 process가 exit했기 때문에, 종료될 것이다.
 

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또한 spawned thread가 끝날 때까지 기다리려면,
spawn이 return하는 JoinHandle의 method인 join을 이용하면 된다.

use std::thread;
fn main() {
    let handle = thread::spawn(|| {
        println!("Hello from a thread!");
    });

    handle.join().unwrap();
}

 
이 예시에서 main thread는 spawned thread가 끝날때까지 기다릴 것이다.
그리고 종료할 것이다.
이것은 두 threads간의 synchronization의 형태다.
이는 program이 종료되기 전에 "Hello from a thread!"가 출력되는 것을 보장한다.
 

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01_threads의 exercise는 구현하기가 어려웠다.
그래서 30분정도 고민하다 solution을 확인했는데,
solution상에서는 상당히 간단했다.
 
처음에 반 나누는 method를 찾은 것은 잘한 것이었고,
thread를 spawn하고 join하는 과정에서 잘못 안 사실이 있었다.
spawn의 동작 방식과 move, join이 어떤 역할을 하는지 조금 더 알아봐야겠다.
 

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먼저 처음에 반 나누는 method에 대해 설명할 것이다.
 
split_at 함수는 벡터를 특정 인덱스에서 둘로 나눈다.
위 exercise의 경우 벡터의 길이의 절반 v.len() / 2에서 나눴다.
결과는 두 슬라이스(&[type])로 반환된다.
 
해당 슬라이스들은 to_vec()를 통해 vec로 변환할 수 있다.
 

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이전에 배운 것과 같이 thread::spawn을 통해 새로운 thread를 생성하고,
move keyword를 사용하여 특정 variable의 ownership을 thread로 이동시킨다.
 
즉, 여기서 알 수 있는 것은 move는 ownership을 thread로 가져오기 위한 keyword라는 것이다.
thread 내부에서, vec의 iterator를 into_iter()를 통해 생성하여, sum::<type>()호출한다.
이 thread의 결과는 handle에 저장된다.
 
나머지 반의 과정도 위의 과정을 통해 handle에 저장하고,
각 handle의 join()을 호출하여 thread 종료될 때까지 기다린다.
그리고 각 thread가 계산한 합계 값을 반환받아 더하여 최종 결과로 반환한다.
 

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이러한 결과를 봐서는 자세하게 이해할 수 없었다.
그래서 JoinHandle<T>에 대해 알아봤다.
 
처음 예시인

use std::thread;
fn main() {
    let handle = thread::spawn(|| {
        println!("Hello from a thread!");
    });

    handle.join().unwrap();
}

 
에서 thread::spawn의 내부에서 반환하는 값은 없다.
그래서 handle은 JoinHandle<()> type을 갖는다.
 
JoinHandle<T>는 새로 생성된 thread가 종료되었을 때,
T type의 값을 반환할 수 있다.
이 값은 join() call을 통해 가져올 수 있다.
 
더 구체적으로 들어가면 JoinHandle<T>는 Result type이다.
반환값으로는

• Ok(T)
• Err(Box<dyn Any + Send + 'static>)

두 가지로 반환된다.
 
그래서 unwrap()을 해줘야 제대로된 반환값을 얻을 수 있는 것이다.
 

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move keyword를 사용해 새로운 thread를 생성하고,
이전 thread(위에서는 main thread)에서 사용했던 변수를 해당 thread에서 사용한다면,
소유권은 이전된다.
변수가 몇 개이든 상관없고 다시 이전 thread로 돌아갈 때,
해당 변수들은 더이상 사용할 수 없다.
 

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여러 검색을 통해서 thread의 move, spawn, join에 대해 이해하게 됐다.
여기서부터는 꼬리물기 공부법을 통해,
더욱 더 구체적으로 들어갈 것이다.