Ruby3多线程并行Ractor使用方法详解（多线程并发编程实例）难以置信

随心笔谈2年前发布编辑

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Ruby 3 Ractor官方手册：https://github.com/ruby/ruby/blob/master/doc/ractor.md

在Ruby3之前，使用Thread来创建新的线程，但这种方式创建的多线程是并发而非并行的，MRI有一个全局解释器锁GIL来控制同一时刻只能有一个线程在执行：

# main Thread

t1=Thread.new do
# new Thread
sleep 3
end
t1.join

Ruby3通过Ractor(Ruby Actor，Actor模型通过消息传递的方式来修改状态)支持真正的多线程并行，多个Ractor之间可并行独立运行。

# main Ractor

# 创建一个可与main Ractor并行运行的Ractor
r=Ractor.new do
sleep 2
Ractor.yield “hello”
end

puts r.take

需注意，每个Ractor中至少有一个原生Ruby线程，但每个Ractor内部都拥有独立的GIL，使得Ractor内部在同一时刻最多只能有一个线程在运行。从这个角度来看，Ractor实际上是解释器线程，每个解释器线程拥有一个全局解释器锁。

如果main Ractor退出，则其他Ractor也会收到退出信号，就像main Thread退出时，其他Thread也会退出一样。

使用创建一个Ractor实例，创建实例时需指定一个语句块，该语句块中的代码会在该Ractor中运行。

r=Ractor.new do
puts “new Ractor”
end

可在new方法的参数上为该Ractor实例指定名称：

r=Ractor.new(name: “ractor1”) do
puts “new Ractor”
end

puts r.name # ractor 1

new方法也可指定其他参数，这些参数必须在name参数之前，且这些参数将直接原样传递给语句块参数：

arr=[11, 22, 33]
r=Ractor.new(arr, name: “r1”) do |arr|
puts “arr”
end
sleep 1

关于new的参数，稍后还会有解释。

可使用获取当前的Ractor实例，使用获取当前存活的Ractor实例数量。

Ractor传递消息的方式分两种：

Push方式：向某个特定的Ractor实例推送消息，可使用或别名向该Ractor实例传送消息，并在该Ractor实例内部使用或别名或它们的同名私有方法来接收推送进来的消息
Ractor还提供了方法，表示只在expr为true时才接收消息，等价于Pull方式：从某个特定的Ractor实例拉取消息，可在该Ractor实例内部使用向外传送消息，并在需要的地方使用获取传输出来的消息的语句块返回值，相当于，它也可被接收

因此，对于Push方式，要求知道消息传递的目标Ractor，对于Pull方式，要求知道消息的来源Ractor。

# yield + take
r=Ractor.new {Ractor.yield “hello”}
puts r.take

# send + receive
r1=Ractor.new do
# Ractor.receive或Ractor.recv
# 或同名私有方法：receive、recv
puts Ractor.receive
end
r1.send(“hello”)
r1.take # 本次take取得r1语句块的返回值，即puts的返回值nil

使用new方法创建Ractor实例时，可指定new的参数，这些参数会被原样传递给Ractor的语句块参数。

arr=[11, 22, 33]
r=Ractor.new(arr) { |arr| …}

实际上，new的参数等价于在Ractor语句块的开头使用了接收消息：

r=Ractor.new ‘ok’ { |msg| msg }
r.take #=> ‘ok’

# 基本等价于
r=Ractor.new do
msg=Ractor.receive
msg
end
r.send ‘ok’
r.take #=> ‘ok’

Ractor之间传递消息时，实际上是通过Ractor的消息端口进行传递的。

每个Ractor都有自己的incoming port和outgoing port：

incoming port：是该Ractor接收消息的端口，和使用该端口
每个incoming port都连接到一个大小不限的队列上传入的消息都会写入该队列，由于该队列大小不限，因此从不阻塞从该队列弹出消息，当队列为空时，被阻塞直到新消息出现可使用关闭incoming port，关闭该端口后，将直接报错，将先从队列中取数据，当队列为空后，再调用将报错outgoing port：是该Ractor向外传出消息的端口，和使用该端口或Ractor语句块返回时，消息从outgoing port流出当没有接收消息时，r内部的将被阻塞当r内部没有时，将被阻塞从outgoing port传出的消息可被任意多个等待，但只有一个可获取到该消息可使用关闭outgoing port，关闭该端口后，再调用和将直接报错。如果正被阻塞(等待传出消息)，关闭outgoing port操作将取消所有等待中的take并报错

可使用等待一个或多个Ractor实例outgoing port上的消息(因此，select主要用于等待的消息)，等待到第一个消息后立即返回。

的返回值格式为，其中：

r表示等待到的那个Ractor实例obj表示接收到的消息对象

例如：

r1=Ractor.new{‘r1’}
r2=Ractor.new{‘r2’}
rs=[r1, r2]
as=[]

# Wait for r1 or r2’s Ractor.yield
r, obj=Ractor.select(*rs)
rs.delete(r)
as << obj

# Second try (rs only contain not-closed ractors)
r, obj=Ractor.select(*rs)
rs.delete(r)
as << obj
as.sort==[‘r1’, ‘r2’] #=> true

通常来说，会使用来轮询等待多个Ractor实例的消息，通用化的处理流程参考如下：

# 充当管道功能的Ractor：接收消息并发送出去，并不断循环
pipe=Ractor.new do
loop do
Ractor.yield Ractor.receive
end
end

RN=10
# rs变量保存了10个Ractor实例
# 每个Ractor实例都从管道pipe中取一次消息然后由本Ractor发送出去
rs=RN.times.map{|i|
Ractor.new pipe, i do |pipe, i|
msg=pipe.take
msg # ping-pong
end
}
# 向管道中发送10个数据
RN.times{|i| pipe << i}

# 轮询等待10个Ractor实例的outgoing port
# 每等待成功一次，从rs中删除所等待到的Ractor实例，
# 然后继续等待剩下的Ractor实例
RN.times.map{
r, n=Ractor.select(*rs)
rs.delete r
n
}.sort #=> [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]

此外，除了可等待消息外，也可以用来yield传递消息，更多用法参考官方手册：Ractor.select。

多个Ractor之间是可并行运行的，为了避免Ractor之间传递数据时出现竞态问题，Ractor采取了一些措施：

对于不可变对象，它们可直接在Ractor之间共享，此时传递它们的引用对于可变对象，它们不可直接在Ractor之间共享，此时传递数据时，默认先按字节逐字节拷贝，然后后传递副本也可以显式指定移动数据，将某份数据从Ractor1移动到另一个Ractor2中，即转移数据的所有权(参考Rust的所有权规则)，转移所有权后，原始所有者Ractor中将无法再访问该数据

可共享的对象：自动传递它们的引用，效率高

不可变对象可在Ractor之间直接共享(如Integer、symbol、true/false、nil)，如：：i是可共享的：s是可共享的：h是可共享的，因为Object是一个类对象，类对象是可共享的：a不可共享，因为冻结后仍然包含可变的Class/Module对象，即类对象自身和模块对象自身是可共享的Ractor对象自身是可共享的

例如：

i=33
r=Ractor.new do
m=recv
puts m.object_id
end

r.send(i) # 传递i
r.take # 等待Ractor执行结束(语句块返回)
puts i.object_id # i传递后仍然可用=begin
67
67=end

值得注意的是，Ractor对象是可共享的，因此可将某个Ractor实例传递给另一个Ractor实例。例如：

pipe=Ractor.new do
loop do
Ractor.yield Ractor.receive
end
end

RN=10
rs=RN.times.map{|i|
# pipe是一个Ractor实例，这里作为参数传递给其他的Ractor实例
Ractor.new pipe, i do |pipe, i|
pipe << i
end
}

RN.times.map{
pipe.take
}.sort #=> [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]

绝大多数对象不是可直接共享的。在Ractor之间传递不可共享的对象时，默认会传递deep-copy后的副本，即按字节拷贝的方式拷贝该对象的每一个字节。这种方式效率较低。

例如：

arr=[11, 22, 33] # 数组是可变的，不可共享
r=Ractor.new do
m=recv
puts “copied: #{m.object_id}”
end

r.send(arr) # 传递数组，此时将逐字节拷贝数组
r.take
puts “origin: #{arr.object_id}”=begin
copied: 60
origin: 80=end

从结果看，两个Ractor内的arr不是同一个对象。

需注意，对于全局唯一的对象来说(比如数值、nil、false、true、symbol)，逐字节拷贝时并不会拷贝它们。例如：

arr=%i[lang action sub]
r=Ractor.new do
m=recv
puts “copied: #{m.object_id}, #{m[0].object_id}, #{m[1].object_id}”
end

r.send(arr)
r.take
puts “origin: #{arr.object_id}, #{arr[0].object_id}, #{arr[1].object_id}”=begin
copied: 60, 80, 1046748
origin: 100, 80, 1046748=end

注意，Thread对象无法拷贝，因此无法在Ractor之间传递。

还可以让和传递数据时，明确表示要移动而非拷贝数据，即转移数据的所有权(从原来的所有者Ractor实例转移到目标Ractor实例)。

无论是可共享还是不可共享的对象，都可以转移所有权，只不过转移可共享对象的所有权没有意义，因为转移之后，原所有者仍然拥有所有权。

因此，通常只对不可共享的数据来转移所有权，转移所有权后，原所有者将无法访问该数据。

str=”hello”
puts str.object_id
r=Ractor.new do
m=recv
puts m.object_id
end

r.send(str, move: true) # 转移str的所有权
r.take
#puts str.object_id # 转移所有权后再访问str，将报错=begin
60
80=end

值得注意的是，移动的本质是内存拷贝，它底层也一样是逐字节拷贝原始数据的过程，所以移动传递数据的效率和传递副本数据的效率是类似的。移动传递和传递副本的区别之处在于所有权，移动传递后，原所有者Ractor实例将无法访问该数据，而拷贝传递方式则允许原所有者访问。

注意，Thread对象无法转移所有权，因此无法在Ractor之间传递。

对于不可共享的数据obj，可通过方法将其转变为可共享的数据，默认转变的方式是逐层次地递归冻结obj。也可指定额外的参数，此时将深拷贝obj得其副本，再让副本(逐层递归冻结)转变为可共享数据。

例如：

arr=%w[lang action sub]
puts arr.object_id
r=Ractor.new do
m=recv
puts m.object_id
end

r.send(Ractor.make_shareable(arr))
r.take
puts arr.object_id
puts arr.frozen?