]> git.lizzy.rs Git - rust.git/blob - src/doc/guide-tasks.md
auto merge of #16487 : steveklabnik/rust/guide_ownership, r=brson
[rust.git] / src / doc / guide-tasks.md
1 % The Rust Tasks and Communication Guide
2
3 # Introduction
4
5 Rust provides safe concurrency through a combination
6 of lightweight, memory-isolated tasks and message passing.
7 This guide will describe the concurrency model in Rust, how it
8 relates to the Rust type system, and introduce
9 the fundamental library abstractions for constructing concurrent programs.
10
11 Rust tasks are not the same as traditional threads: rather,
12 they are considered _green threads_, lightweight units of execution that the Rust
13 runtime schedules cooperatively onto a small number of operating system threads.
14 On a multi-core system Rust tasks will be scheduled in parallel by default.
15 Because tasks are significantly
16 cheaper to create than traditional threads, Rust can create hundreds of
17 thousands of concurrent tasks on a typical 32-bit system.
18 In general, all Rust code executes inside a task, including the `main` function.
19
20 In order to make efficient use of memory Rust tasks have dynamically sized stacks.
21 A task begins its life with a small
22 amount of stack space (currently in the low thousands of bytes, depending on
23 platform), and acquires more stack as needed.
24 Unlike in languages such as C, a Rust task cannot accidentally write to
25 memory beyond the end of the stack, causing crashes or worse.
26
27 Tasks provide failure isolation and recovery. When a fatal error occurs in Rust
28 code as a result of an explicit call to `fail!()`, an assertion failure, or
29 another invalid operation, the runtime system destroys the entire
30 task. Unlike in languages such as Java and C++, there is no way to `catch` an
31 exception. Instead, tasks may monitor each other for failure.
32
33 Tasks use Rust's type system to provide strong memory safety guarantees. In
34 particular, the type system guarantees that tasks cannot share mutable state
35 with each other. Tasks communicate with each other by transferring _owned_
36 data through the global _exchange heap_.
37
38 ## A note about the libraries
39
40 While Rust's type system provides the building blocks needed for safe
41 and efficient tasks, all of the task functionality itself is implemented
42 in the standard and sync libraries, which are still under development
43 and do not always present a consistent or complete interface.
44
45 For your reference, these are the standard modules involved in Rust
46 concurrency at this writing:
47
48 * [`std::task`] - All code relating to tasks and task scheduling,
49 * [`std::comm`] - The message passing interface,
50 * [`sync::DuplexStream`] - An extension of `pipes::stream` that allows both sending and receiving,
51 * [`sync::Arc`] - The Arc (atomically reference counted) type, for safely sharing immutable data,
52 * [`sync::Semaphore`] - A counting, blocking, bounded-waiting semaphore,
53 * [`sync::Mutex`] - A blocking, bounded-waiting, mutual exclusion lock with an associated
54     FIFO condition variable,
55 * [`sync::RWLock`] - A blocking, no-starvation, reader-writer lock with an associated condvar,
56 * [`sync::Barrier`] - A barrier enables multiple tasks to synchronize the beginning
57     of some computation,
58 * [`sync::TaskPool`] - A task pool abstraction,
59 * [`sync::Future`] - A type encapsulating the result of a computation which may not be complete,
60 * [`sync::one`] - A "once initialization" primitive
61 * [`sync::mutex`] - A proper mutex implementation regardless of the "flavor of task" which is
62     acquiring the lock.
63
64 [`std::task`]: std/task/index.html
65 [`std::comm`]: std/comm/index.html
66 [`sync::DuplexStream`]: sync/struct.DuplexStream.html
67 [`sync::Arc`]: sync/struct.Arc.html
68 [`sync::Semaphore`]: sync/raw/struct.Semaphore.html
69 [`sync::Mutex`]: sync/struct.Mutex.html
70 [`sync::RWLock`]: sync/struct.RWLock.html
71 [`sync::Barrier`]: sync/struct.Barrier.html
72 [`sync::TaskPool`]: sync/struct.TaskPool.html
73 [`sync::Future`]: sync/struct.Future.html
74 [`sync::one`]: sync/one/index.html
75 [`sync::mutex`]: sync/mutex/index.html
76
77 # Basics
78
79 The programming interface for creating and managing tasks lives
80 in the `task` module of the `std` library, and is thus available to all
81 Rust code by default. At its simplest, creating a task is a matter of
82 calling the `spawn` function with a closure argument. `spawn` executes the
83 closure in the new task.
84
85 ~~~~
86 # use std::task::spawn;
87
88 // Print something profound in a different task using a named function
89 fn print_message() { println!("I am running in a different task!"); }
90 spawn(print_message);
91
92 // Alternatively, use a `proc` expression instead of a named function.
93 // The `proc` expression evaluates to an (unnamed) owned closure.
94 // That closure will call `println!(...)` when the spawned task runs.
95 spawn(proc() println!("I am also running in a different task!") );
96 ~~~~
97
98 In Rust, there is nothing special about creating tasks: a task is not a
99 concept that appears in the language semantics. Instead, Rust's type system
100 provides all the tools necessary to implement safe concurrency: particularly,
101 _owned types_. The language leaves the implementation details to the standard
102 library.
103
104 The `spawn` function has a very simple type signature: `fn spawn(f:
105 proc())`. Because it accepts only owned closures, and owned closures
106 contain only owned data, `spawn` can safely move the entire closure
107 and all its associated state into an entirely different task for
108 execution. Like any closure, the function passed to `spawn` may capture
109 an environment that it carries across tasks.
110
111 ~~~
112 # use std::task::spawn;
113 # fn generate_task_number() -> int { 0 }
114 // Generate some state locally
115 let child_task_number = generate_task_number();
116
117 spawn(proc() {
118     // Capture it in the remote task
119     println!("I am child number {}", child_task_number);
120 });
121 ~~~
122
123 ## Communication
124
125 Now that we have spawned a new task, it would be nice if we could
126 communicate with it. Recall that Rust does not have shared mutable
127 state, so one task may not manipulate variables owned by another task.
128 Instead we use *pipes*.
129
130 A pipe is simply a pair of endpoints: one for sending messages and another for
131 receiving messages. Pipes are low-level communication building-blocks and so
132 come in a variety of forms, each one appropriate for a different use case. In
133 what follows, we cover the most commonly used varieties.
134
135 The simplest way to create a pipe is to use the `channel`
136 function to create a `(Sender, Receiver)` pair. In Rust parlance, a *sender*
137 is a sending endpoint of a pipe, and a *receiver* is the receiving
138 endpoint. Consider the following example of calculating two results
139 concurrently:
140
141 ~~~~
142 # use std::task::spawn;
143
144 let (tx, rx): (Sender<int>, Receiver<int>) = channel();
145
146 spawn(proc() {
147     let result = some_expensive_computation();
148     tx.send(result);
149 });
150
151 some_other_expensive_computation();
152 let result = rx.recv();
153 # fn some_expensive_computation() -> int { 42 }
154 # fn some_other_expensive_computation() {}
155 ~~~~
156
157 Let's examine this example in detail. First, the `let` statement creates a
158 stream for sending and receiving integers (the left-hand side of the `let`,
159 `(tx, rx)`, is an example of a *destructuring let*: the pattern separates
160 a tuple into its component parts).
161
162 ~~~~
163 let (tx, rx): (Sender<int>, Receiver<int>) = channel();
164 ~~~~
165
166 The child task will use the sender to send data to the parent task,
167 which will wait to receive the data on the receiver. The next statement
168 spawns the child task.
169
170 ~~~~
171 # use std::task::spawn;
172 # fn some_expensive_computation() -> int { 42 }
173 # let (tx, rx) = channel();
174 spawn(proc() {
175     let result = some_expensive_computation();
176     tx.send(result);
177 });
178 ~~~~
179
180 Notice that the creation of the task closure transfers `tx` to the child
181 task implicitly: the closure captures `tx` in its environment. Both `Sender`
182 and `Receiver` are sendable types and may be captured into tasks or otherwise
183 transferred between them. In the example, the child task runs an expensive
184 computation, then sends the result over the captured channel.
185
186 Finally, the parent continues with some other expensive
187 computation, then waits for the child's result to arrive on the
188 receiver:
189
190 ~~~~
191 # fn some_other_expensive_computation() {}
192 # let (tx, rx) = channel::<int>();
193 # tx.send(0);
194 some_other_expensive_computation();
195 let result = rx.recv();
196 ~~~~
197
198 The `Sender` and `Receiver` pair created by `channel` enables efficient
199 communication between a single sender and a single receiver, but multiple
200 senders cannot use a single `Sender` value, and multiple receivers cannot use a
201 single `Receiver` value.  What if our example needed to compute multiple
202 results across a number of tasks? The following program is ill-typed:
203
204 ~~~ {.ignore}
205 # fn some_expensive_computation() -> int { 42 }
206 let (tx, rx) = channel();
207
208 spawn(proc() {
209     tx.send(some_expensive_computation());
210 });
211
212 // ERROR! The previous spawn statement already owns the sender,
213 // so the compiler will not allow it to be captured again
214 spawn(proc() {
215     tx.send(some_expensive_computation());
216 });
217 ~~~
218
219 Instead we can clone the `tx`, which allows for multiple senders.
220
221 ~~~
222 let (tx, rx) = channel();
223
224 for init_val in range(0u, 3) {
225     // Create a new channel handle to distribute to the child task
226     let child_tx = tx.clone();
227     spawn(proc() {
228         child_tx.send(some_expensive_computation(init_val));
229     });
230 }
231
232 let result = rx.recv() + rx.recv() + rx.recv();
233 # fn some_expensive_computation(_i: uint) -> int { 42 }
234 ~~~
235
236 Cloning a `Sender` produces a new handle to the same channel, allowing multiple
237 tasks to send data to a single receiver. It upgrades the channel internally in
238 order to allow this functionality, which means that channels that are not
239 cloned can avoid the overhead required to handle multiple senders. But this
240 fact has no bearing on the channel's usage: the upgrade is transparent.
241
242 Note that the above cloning example is somewhat contrived since
243 you could also simply use three `Sender` pairs, but it serves to
244 illustrate the point. For reference, written with multiple streams, it
245 might look like the example below.
246
247 ~~~
248 # use std::task::spawn;
249
250 // Create a vector of ports, one for each child task
251 let rxs = Vec::from_fn(3, |init_val| {
252     let (tx, rx) = channel();
253     spawn(proc() {
254         tx.send(some_expensive_computation(init_val));
255     });
256     rx
257 });
258
259 // Wait on each port, accumulating the results
260 let result = rxs.iter().fold(0, |accum, rx| accum + rx.recv() );
261 # fn some_expensive_computation(_i: uint) -> int { 42 }
262 ~~~
263
264 ## Backgrounding computations: Futures
265 With `sync::Future`, rust has a mechanism for requesting a computation and getting the result
266 later.
267
268 The basic example below illustrates this.
269
270 ~~~
271 use std::sync::Future;
272
273 # fn main() {
274 # fn make_a_sandwich() {};
275 fn fib(n: u64) -> u64 {
276     // lengthy computation returning an uint
277     12586269025
278 }
279
280 let mut delayed_fib = Future::spawn(proc() fib(50));
281 make_a_sandwich();
282 println!("fib(50) = {}", delayed_fib.get())
283 # }
284 ~~~
285
286 The call to `future::spawn` returns immediately a `future` object regardless of how long it
287 takes to run `fib(50)`. You can then make yourself a sandwich while the computation of `fib` is
288 running. The result of the execution of the method is obtained by calling `get` on the future.
289 This call will block until the value is available (*i.e.* the computation is complete). Note that
290 the future needs to be mutable so that it can save the result for next time `get` is called.
291
292 Here is another example showing how futures allow you to background computations. The workload will
293 be distributed on the available cores.
294
295 ~~~
296 # use std::sync::Future;
297 fn partial_sum(start: uint) -> f64 {
298     let mut local_sum = 0f64;
299     for num in range(start*100000, (start+1)*100000) {
300         local_sum += (num as f64 + 1.0).powf(-2.0);
301     }
302     local_sum
303 }
304
305 fn main() {
306     let mut futures = Vec::from_fn(1000, |ind| Future::spawn( proc() { partial_sum(ind) }));
307
308     let mut final_res = 0f64;
309     for ft in futures.mut_iter()  {
310         final_res += ft.get();
311     }
312     println!("π^2/6 is not far from : {}", final_res);
313 }
314 ~~~
315
316 ## Sharing immutable data without copy: Arc
317
318 To share immutable data between tasks, a first approach would be to only use pipes as we have seen
319 previously. A copy of the data to share would then be made for each task. In some cases, this would
320 add up to a significant amount of wasted memory and would require copying the same data more than
321 necessary.
322
323 To tackle this issue, one can use an Atomically Reference Counted wrapper (`Arc`) as implemented in
324 the `sync` library of Rust. With an Arc, the data will no longer be copied for each task. The Arc
325 acts as a reference to the shared data and only this reference is shared and cloned.
326
327 Here is a small example showing how to use Arcs. We wish to run concurrently several computations on
328 a single large vector of floats. Each task needs the full vector to perform its duty.
329
330 ~~~
331 use std::rand;
332 use std::sync::Arc;
333
334 fn pnorm(nums: &[f64], p: uint) -> f64 {
335     nums.iter().fold(0.0, |a, b| a + b.powf(p as f64)).powf(1.0 / (p as f64))
336 }
337
338 fn main() {
339     let numbers = Vec::from_fn(1000000, |_| rand::random::<f64>());
340     let numbers_arc = Arc::new(numbers);
341
342     for num in range(1u, 10) {
343         let task_numbers = numbers_arc.clone();
344
345         spawn(proc() {
346             println!("{}-norm = {}", num, pnorm(task_numbers.as_slice(), num));
347         });
348     }
349 }
350 ~~~
351
352 The function `pnorm` performs a simple computation on the vector (it computes the sum of its items
353 at the power given as argument and takes the inverse power of this value). The Arc on the vector is
354 created by the line:
355
356 ~~~
357 # use std::rand;
358 # use std::sync::Arc;
359 # fn main() {
360 # let numbers = Vec::from_fn(1000000, |_| rand::random::<f64>());
361 let numbers_arc = Arc::new(numbers);
362 # }
363 ~~~
364
365 and a unique clone is captured for each task via a procedure. This only copies the wrapper and not
366 it's contents. Within the task's procedure, the captured Arc reference can be used as an immutable
367 reference to the underlying vector as if it were local.
368
369 ~~~
370 # use std::rand;
371 # use std::sync::Arc;
372 # fn pnorm(nums: &[f64], p: uint) -> f64 { 4.0 }
373 # fn main() {
374 # let numbers=Vec::from_fn(1000000, |_| rand::random::<f64>());
375 # let numbers_arc = Arc::new(numbers);
376 # let num = 4;
377 let task_numbers = numbers_arc.clone();
378 spawn(proc() {
379     // Capture task_numbers and use it as if it was the underlying vector
380     println!("{}-norm = {}", num, pnorm(task_numbers.as_slice(), num));
381 });
382 # }
383 ~~~
384
385 The `arc` module also implements Arcs around mutable data that are not covered here.
386
387 # Handling task failure
388
389 Rust has a built-in mechanism for raising exceptions. The `fail!()` macro
390 (which can also be written with an error string as an argument: `fail!(
391 ~reason)`) and the `assert!` construct (which effectively calls `fail!()`
392 if a boolean expression is false) are both ways to raise exceptions. When a
393 task raises an exception the task unwinds its stack---running destructors and
394 freeing memory along the way---and then exits. Unlike exceptions in C++,
395 exceptions in Rust are unrecoverable within a single task: once a task fails,
396 there is no way to "catch" the exception.
397
398 While it isn't possible for a task to recover from failure, tasks may notify
399 each other of failure. The simplest way of handling task failure is with the
400 `try` function, which is similar to `spawn`, but immediately blocks waiting
401 for the child task to finish. `try` returns a value of type `Result<T,
402 ()>`. `Result` is an `enum` type with two variants: `Ok` and `Err`. In this
403 case, because the type arguments to `Result` are `int` and `()`, callers can
404 pattern-match on a result to check whether it's an `Ok` result with an `int`
405 field (representing a successful result) or an `Err` result (representing
406 termination with an error).
407
408 ~~~{.ignore .linked-failure}
409 # use std::task;
410 # fn some_condition() -> bool { false }
411 # fn calculate_result() -> int { 0 }
412 let result: Result<int, ()> = task::try(proc() {
413     if some_condition() {
414         calculate_result()
415     } else {
416         fail!("oops!");
417     }
418 });
419 assert!(result.is_err());
420 ~~~
421
422 Unlike `spawn`, the function spawned using `try` may return a value,
423 which `try` will dutifully propagate back to the caller in a [`Result`]
424 enum. If the child task terminates successfully, `try` will
425 return an `Ok` result; if the child task fails, `try` will return
426 an `Error` result.
427
428 [`Result`]: std/result/index.html
429
430 > *Note:* A failed task does not currently produce a useful error
431 > value (`try` always returns `Err(())`). In the
432 > future, it may be possible for tasks to intercept the value passed to
433 > `fail!()`.
434
435 TODO: Need discussion of `future_result` in order to make failure
436 modes useful.
437
438 But not all failures are created equal. In some cases you might need to
439 abort the entire program (perhaps you're writing an assert which, if
440 it trips, indicates an unrecoverable logic error); in other cases you
441 might want to contain the failure at a certain boundary (perhaps a
442 small piece of input from the outside world, which you happen to be
443 processing in parallel, is malformed and its processing task can't
444 proceed).
445
446 ## Creating a task with a bi-directional communication path
447
448 A very common thing to do is to spawn a child task where the parent
449 and child both need to exchange messages with each other. The
450 function `sync::comm::duplex` supports this pattern.  We'll
451 look briefly at how to use it.
452
453 To see how `duplex` works, we will create a child task
454 that repeatedly receives a `uint` message, converts it to a string, and sends
455 the string in response.  The child terminates when it receives `0`.
456 Here is the function that implements the child task:
457
458 ~~~
459 #![allow(deprecated)]
460
461 use std::comm::DuplexStream;
462 # fn main() {
463 fn stringifier(channel: &DuplexStream<String, uint>) {
464     let mut value: uint;
465     loop {
466         value = channel.recv();
467         channel.send(value.to_string());
468         if value == 0 { break; }
469     }
470 }
471 # }
472 ~~~
473
474 The implementation of `DuplexStream` supports both sending and
475 receiving. The `stringifier` function takes a `DuplexStream` that can
476 send strings (the first type parameter) and receive `uint` messages
477 (the second type parameter). The body itself simply loops, reading
478 from the channel and then sending its response back.  The actual
479 response itself is simply the stringified version of the received value,
480 `uint::to_string(value)`.
481
482 Here is the code for the parent task:
483
484 ~~~
485 #![allow(deprecated)]
486
487 use std::comm::duplex;
488 # use std::task::spawn;
489 # use std::comm::DuplexStream;
490 # fn stringifier(channel: &DuplexStream<String, uint>) {
491 #     let mut value: uint;
492 #     loop {
493 #         value = channel.recv();
494 #         channel.send(value.to_string());
495 #         if value == 0u { break; }
496 #     }
497 # }
498 # fn main() {
499
500 let (from_child, to_child) = duplex();
501
502 spawn(proc() {
503     stringifier(&to_child);
504 });
505
506 from_child.send(22);
507 assert!(from_child.recv().as_slice() == "22");
508
509 from_child.send(23);
510 from_child.send(0);
511
512 assert!(from_child.recv().as_slice() == "23");
513 assert!(from_child.recv().as_slice() == "0");
514
515 # }
516 ~~~
517
518 The parent task first calls `DuplexStream` to create a pair of bidirectional
519 endpoints. It then uses `task::spawn` to create the child task, which captures
520 one end of the communication channel.  As a result, both parent and child can
521 send and receive data to and from the other.