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[rust-101.git] / src / part12.rs
diff --git a/src/part12.rs b/src/part12.rs
index 8a14defd27a2f53f47239e4e81f44d6d76d3fe52..d5b7ce32108cb26bafbe8514c458dcb5bc956a35 100644 (file)
--- a/src/part12.rs
+++ b/src/part12.rs
@@ -1,188 +1,164 @@
-// Rust-101, Part 12: Concurrency, Send
-// ====================================
-
-use std::io::prelude::*;
-use std::{io, fs, thread};
-use std::sync::mpsc::{sync_channel, SyncSender, Receiver};
-use std::sync::Arc;
-
-//@ Our next stop are the concurrency features of Rust. We are going to write our own small version of "grep",
-//@ called *rgrep*, and it is going to make use of concurrency: One thread reads the input files, one thread does
-//@ the actual matching, and one thread writes the output. I already mentioned in the beginning of the course that
-//@ Rust's type system (more precisely, the discipline of ownership and borrowing) will help us to avoid a common
-//@ pitfall of concurrent programming: data races.
-
-// Before we come to the actual code, we define a data-structure `Options` to store all the information we need
-// to complete the job: Which files to work on, which pattern to look for, and how to output. <br/>
-//@ Besides just printing all the matching lines, we will also offer to count them, or alternatively to sort them.
-#[derive(Clone,Copy)]
-pub enum OutputMode {
-    Print,
-    SortAndPrint,
-    Count,
-}
-use self::OutputMode::*;
-
-pub struct Options {
-    pub files: Vec<String>,
-    pub pattern: String,
-    pub output_mode: OutputMode,
+// Rust-101, Part 12: Rc, Interior Mutability, Cell, RefCell
+// =========================================================
+
+use std::rc::Rc;
+use std::cell::{Cell, RefCell};
+
+//@ Our generic callback mechanism is already working quite nicely. However, there's one point we may want to fix:
+//@ `Callbacks` does not implement `Clone`. The problem is that closures (or rather, their environment) can never be cloned.
+//@ (There's not even an automatic derivation happening for the cases where it would be possible.)
+//@ This restriction propagates up to `Callbacks` itself. What could we do about this?
+
+//@ ## `Rc`
+//@ The solution is to find some way of cloning `Callbacks` without cloning the environments. This can be achieved with
+//@ `Rc<T>`, a *reference-counted* pointer. This is is another example of a smart pointer. You can `clone` an `Rc` as often
+//@ as you want, that doesn't affect the data it contains. It only creates more references to the same data. Once all the
+//@ references are gone, the data is deleted.
+//@ 
+//@ Wait a moment, you may say here. Multiple references to the same data? That's aliasing! Indeed:
+//@ Once data is stored in an `Rc`, it is read-only and you can only ever get a shared borrow of the data again.
+
+//@ Because of this read-only restriction, we cannot use `FnMut` here: We'd be unable to call the function with a mutable borrow
+//@ of it's environment! So we have to go with `Fn`. We wrap that in an `Rc`, and then Rust happily derives `Clone` for us.
+#[derive(Clone)]
+struct Callbacks {
+    callbacks: Vec<Rc<Fn(i32)>>,
 }
 
 }
 
-//@ Now we can write three functions to do the actual job of reading, matching, and printing, respectively.
-//@ To get the data from one thread to the next, we will use *message passing*: We will establish communication
-//@ channels between the threads, with one thread *sending* data, and the other one *receiving* it. `SyncSender<T>`
-//@ is the type of the sending end of a synchronous channel transmitting data of type `T`. *Synchronous* here
-//@ means that the `send` operation could block, waiting for the other side to make progress. We don't want to
-//@ end up with the entire file being stored in the buffer of the channels, and the output not being fast enough
-//@ to keep up with the speed of input.
-//@
-//@ We also need all the threads to have access to the options of the job they are supposed to do. Since it would
-//@ be rather unnecessary to actually copy these options around, we will use reference-counting to share them between
-//@ all threads. `Arc` is the thread-safe version of `Rc`, using atomic operations to keep the reference count up-to-date.
-
-// The first function reads the files, and sends every line over the `out_channel`.
-fn read_files(options: Arc<Options>, out_channel: SyncSender<String>) {
-    for file in options.files.iter() {
-        // First, we open the file, ignoring any errors.
-        let file = fs::File::open(file).unwrap();
-        // Then we obtain a `BufReader` for it, which provides the `lines` function.
-        let file = io::BufReader::new(file);
-        for line in file.lines() {
-            let line = line.unwrap();
-            // Now we send the line over the channel, ignoring the possibility of `send` failing.
-            out_channel.send(line).unwrap();
-        }
+impl Callbacks {
+    pub fn new() -> Self {
+        Callbacks { callbacks: Vec::new() }
     }
     }
-    // When we drop the `out_channel`, it will be closed, which the other end can notice.
-}
 
 
-// The second function filters the lines it receives through `in_channel` with the pattern, and sends
-// matches via `out_channel`.
-fn filter_lines(options: Arc<Options>,
-                in_channel: Receiver<String>,
-                out_channel: SyncSender<String>) {
-    // We can simply iterate over the channel, which will stop when the channel is closed.
-    for line in in_channel.iter() {
-        // `contains` works on lots of types of patterns, but in particular, we can use it to test whether
-        // one string is contained in another. This is another example of Rust using traits as substitute for overloading.
-        if line.contains(&options.pattern) {
-            out_channel.send(line).unwrap();                        /*@*/
-        }
+    // Registration works just like last time, except that we are creating an `Rc` now.
+    pub fn register<F: Fn(i32)+'static>(&mut self, callback: F) {
+        self.callbacks.push(Rc::new(callback));                     /*@*/
     }
     }
-}
 
 
-// The third function performs the output operations, receiving the relevant lines on its `in_channel`.
-fn output_lines(options: Arc<Options>, in_channel: Receiver<String>) {
-    match options.output_mode {
-        Print => {
-            // Here, we just print every line we see.
-            for line in in_channel.iter() {
-                println!("{}", line);                               /*@*/
-            }
-        },
-        Count => {
-            // We are supposed to count the number of matching lines. There's a convenient iterator adapter that
-            // we can use for this job.
-            let count = in_channel.iter().count();                  /*@*/
-            println!("{} hits for {}.", count, options.pattern);    /*@*/
-        },
-        SortAndPrint => {
-            // We are asked to sort the matching lines before printing. So let's collect them all in a local vector...
-            let mut data: Vec<String> = in_channel.iter().collect();
-            // ...and implement the actual sorting later.
-            unimplemented!()
+    pub fn call(&self, val: i32) {
+        // We only need a shared iterator here. Since `Rc` is a smart pointer, we can directly call the callback.
+        for callback in self.callbacks.iter() {
+            callback(val);                                          /*@*/
         }
     }
 }
 
         }
     }
 }
 
-// With the operations of the three threads defined, we can now implement a function that performs grepping according
-// to some given options.
-pub fn run(options: Options) {
-    // We move the `options` into an `Arc`, as that's what the thread workers expect.
-    let options = Arc::new(options);
-
-    // This sets up the channels. We use a `sync_channel` with buffer-size of 16 to avoid needlessly filling RAM.
-    let (line_sender, line_receiver) = sync_channel(16);
-    let (filtered_sender, filtered_receiver) = sync_channel(16);
-
-    // Spawn the read thread: `thread::spawn` takes a closure that is run in a new thread.
-    //@ The `move` keyword again tells Rust that we want ownership of captured variables to be moved into the
-    //@ closure. This means we need to do the `clone` *first*, otherwise we would lose our `options` to the
-    //@ new thread!
-    let options1 = options.clone();
-    let handle1 = thread::spawn(move || read_files(options1, line_sender));
-
-    // Same with the filter thread.
-    let options2 = options.clone();
-    let handle2 = thread::spawn(move || {
-        filter_lines(options2, line_receiver, filtered_sender)
-    });
-
-    // And the output thread.
-    let options3 = options.clone();
-    let handle3 = thread::spawn(move || output_lines(options3, filtered_receiver));
-
-    // Finally, wait until all three threads did their job.
-    handle1.join().unwrap();
-    handle2.join().unwrap();
-    handle3.join().unwrap();
+// Time for a demo!
+fn demo(c: &mut Callbacks) {
+    c.register(|val| println!("Callback 1: {}", val));
+    c.call(0); c.clone().call(1);
 }
 
 }
 
-// Now we have all the pieces together for testing our rgrep with some hard-coded options.
-//@ We need to call `to_string` on string literals to convert them to a fully-owned `String`.
 pub fn main() {
 pub fn main() {
-    let options = Options {
-        files: vec!["src/part10.rs".to_string(),
-                    "src/part11.rs".to_string(),
-                    "src/part12.rs".to_string()],
-        pattern: "let".to_string(),
-        output_mode: Print
-    };
-    run(options);
+    let mut c = Callbacks::new();
+    demo(&mut c);
 }
 
 }
 
-// **Exercise 12.1**: Change rgrep such that it prints not only the matching lines, but also the name of the file
-// and the number of the line in the file. You will have to change the type of the channels from `String` to something
-// that records this extra information.
-
-//@ ## Ownership, Borrowing, and Concurrency
-//@ The little demo above showed that concurrency in Rust has a fairly simple API. Considering Rust has closures,
-//@ that should not be entirely surprising. However, as it turns out, Rust goes well beyond this and actually ensures
-//@ the absence of data races. <br/>
-//@ A data race is typically defined as having two concurrent, unsynchronized
-//@ accesses to the same memory location, at least one of which is a write. In other words, a data race is mutation in
-//@ the presence of aliasing, which Rust reliably rules out! It turns out that the same mechanism that makes our single-threaded
-//@ programs memory safe, and that prevents us from invalidating iterators, also helps secure our multi-threaded code against
-//@ data races. For example, notice how `read_files` sends a `String` to `filter_lines`. At run-time, only the pointer to
-//@ the character data will actually be moved around (just like when a `String` is passed to a function with full ownership). However,
-//@ `read_files` has to *give up* ownership of the string to perform `send`, to it is impossible for an outstanding borrow to
-//@ still be around. After it sent the string to the other side, `read_files` has no pointer into the string content
-//@ anymore, and hence no way to race on the data with someone else.
-//@ 
-//@ There is a little more to this. Remember the `'static` bound we had to add to `register` in the previous part, to make
-//@ sure that the callbacks do not reference any pointers that might become invalid? This is just as crucial for spawning
-//@ a thread: In general, that thread could last for much longer than the current stack frame. Thus, it must not use
-//@ any pointers to data in that stack frame. This is achieved by requiring the `FnOnce` closure passed to `thread::spawn`
-//@ to be valid for lifetime `'static`, as you can see in [its documentation](http://doc.rust-lang.org/stable/std/thread/fn.spawn.html).
-//@ This avoids another kind of data race, where the thread's access races with the callee deallocating its stack frame.
-//@ It is only thanks to the concept of lifetimes that this can be expressed as part of the type of `spawn`.
-
-//@ ## Send
-//@ However, the story goes even further. I said above that `Arc` is a thread-safe version of `Rc`, which uses atomic operations
-//@ to manipulate the reference count. It is thus crucial that we don't use `Rc` across multiple threads, or the reference count may
-//@ become invalid. And indeed, if you replace `Arc` by `Rc` (and add the appropriate imports), Rust will tell you that something
-//@ is wrong. That's great, of course, but how did it do that?
-//@ 
-//@ The answer is already hinted at in the error: It will say something about `Send`. You may have noticed that the closure in
-//@ `thread::spawn` does not just have a `'static` bound, but also has to satisfy `Send`. `Send` is a trait, and just like `Copy`,
-//@ it's just a marker - there are no functions provided by `Send`. What the trait says is that types which are `Send`, can be
-//@ safely sent to another thread without causing trouble. Of course, all the primitive data-types are `Send`. So is `Arc`,
-//@ which is why Rust accepted our code. But `Rc` is not `Send`, and for a good reason!
+// ## Interior Mutability
+//@ Of course, the counting example from last time does not work anymore: It needs to mutate the environment, which a `Fn`
+//@ cannot do. The strict borrowing Rules of Rust are getting into our way. However, when it comes to mutating a mere number
+//@ (`usize`), there's not really any chance of problems coming up. Everybody can read and write that variable just as they want.
+//@ So it would be rather sad if we were not able to write this program. Lucky enough, Rust's standard library provides a
+//@ solution in the form of `Cell<T>`. This type represents a memory cell of some type `T`, providing the two basic operations
+//@ `get` and `set`. `get` returns a *copy* of the content of the cell, so all this works only if `T` is `Copy`.
+//@ `set`, which overrides the content, only needs a *shared borrow* of the cell. The phenomenon of a type that permits mutation through
+//@ shared borrows (i.e., mutation despite the possibility of aliasing) is called *interior mutability*. You can think
+//@ of `set` changing only the *contents* of the cell, not its *identity*. In contrast, the kind of mutation we saw so far was
+//@ about replacing one piece of data by something else of the same type. This is called *exterior mutability*. <br/>
+//@ Notice that it is impossible to *borrow* the contents of the cell, and that is actually the key to why this is safe.
+
+// So, let us put our counter in a `Cell`, and replicate the example from the previous part.
+fn demo_cell(c: &mut Callbacks) {
+    {
+        let count = Cell::new(0);
+        // Again, we have to move ownership if the `count` into the environment closure.
+        c.register(move |val| {
+            // In here, all we have is a shared borrow of our environment. But that's good enough for the `get` and `set` of the cell!
+            //@ At run-time, the `Cell` will be almost entirely compiled away, so this becomes pretty much equivalent to the version
+            //@ we wrote in the previous part.
+            let new_count = count.get()+1;
+            count.set(new_count);
+            println!("Callback 2: {} ({}. time)", val, new_count);
+        } );
+    }
+
+    c.call(2); c.clone().call(3);
+}
+
+//@ It is worth mentioning that `Rc` itself also has to make use of interior mutability: When you `clone` an `Rc`, all it has available
+//@ is a shared borrow. However, it has to increment the reference count! Internally, `Rc` uses `Cell` for the count, such that it
+//@ can be updated during `clone`.
+
+// ## `RefCell`
+//@ As the next step in the evolution of `Callbacks`, we could try to solve this problem of mutability once and for all, by adding `Cell`
+//@ to `Callbacks` such that clients don't have to worry about this. However, that won't end up working: Remember that `Cell` only works
+//@ with types that are `Copy`, which the environment of a closure will never be. We need a variant of `Cell` that allows borrowing its
+//@ contents, such that we can provide a `FnMut` with its environment. But if `Cell` would allow that, we could write down all those
+//@ crashing C++ programs that we wanted to get rid of.
 //@ 
 //@ 
-//@ Now, `Send` as a trait is fairly special. It has a so-called *default implementation*. This means that *every type* implements
-//@ `Send`, unless it opts out. Opting out is viral: If your type contains a type that opted out, then you don't have `Send`, either.
-//@ So if the environment of your closure contains an `Rc`, it won't be `Send`, preventing it from causing trouble. If however every
-//@ captured variable *is* `Send`, then so is the entire environment, and you are good.
+//@ This is the point where our program got too complex for Rust to guarantee at compile-time that nothing bad will happen. Since we don't
+//@ want to give up the safety guarantee, we are going to need some code that actually checks at run-time that the borrowing rules
+//@ are not violated. Such a check is provided by `RefCell<T>`: Unlike `Cell<T>`, this lets us borrow the contents, and it works for
+//@ non-`Copy` `T`. But, as we will see, it incurs some run-time overhead.
+
+// Our final version of `Callbacks` puts the closure environment into a `RefCell`.
+#[derive(Clone)]
+struct CallbacksMut {
+    callbacks: Vec<Rc<RefCell<FnMut(i32)>>>,
+}
+
+impl CallbacksMut {
+    pub fn new() -> Self {
+        CallbacksMut { callbacks: Vec::new() }
+    }
+
+    pub fn register<F: FnMut(i32)+'static>(&mut self, callback: F) {
+        let cell = Rc::new(RefCell::new(callback));                 /*@*/
+        self.callbacks.push(cell);                                  /*@*/
+    }
+
+    pub fn call(&mut self, val: i32) {
+        for callback in self.callbacks.iter() {
+            // We have to *explicitly* borrow the contents of a `RefCell` by calling `borrow` or `borrow_mut`.
+            //@ At run-time, the cell will keep track of the number of outstanding shared and mutable borrows,
+            //@ and panic if the rules are violated. <br />
+            //@ For this check to be performed, `closure` is a *guard*: Rather than a normal borrow, `borrow_mut` returns
+            //@ a smart pointer (`RefMut`, in this case) that waits until is goes out of scope, and then
+            //@ appropriately updates the number of active borrows.
+            //@ 
+            //@ Since `call` is the only place that borrows the environments of the closures, we should expect that
+            //@ the check will always succeed. However, this function would still typecheck with an immutable borrow of `self` (since we are
+            //@ relying on the interior mutability of `RefCell`). Under this condition, it could happen that a callback
+            //@ will in turn trigger another round of callbacks, so that `call` would indirectly call itself.
+            //@ This is called reentrancy. It would imply that we borrow the closure a second time, and
+            //@ panic at run-time. I hope this also makes it clear that there's absolutely no hope of Rust
+            //@ performing these checks statically, at compile-time: It would have to detect reentrancy!
+            let mut closure = callback.borrow_mut();
+            // Unfortunately, Rust's auto-dereference of pointers is not clever enough here. We thus have to explicitly
+            // dereference the smart pointer and obtain a mutable borrow of the content.
+            (&mut *closure)(val);
+        }
+    }
+}
+
+// Now we can repeat the demo from the previous part - but this time, our `CallbacksMut` type
+// can be cloned.
+fn demo_mut(c: &mut CallbacksMut) {
+    c.register(|val| println!("Callback 1: {}", val));
+    c.call(0);
+
+    {
+        let mut count: usize = 0;
+        c.register(move |val| {
+            count = count+1;
+            println!("Callback 2: {} ({}. time)", val, count);
+        } );
+    }
+    c.call(1); c.clone().call(2);
+}
+
+// **Exercise 12.1**: Change the type of `call` to ask only for a shared borrow. Then write some piece of code using only the available, public
+// interface of `CallbacksMut` such that a reentrant call to `call` is happening, and the program aborts because the `RefCell` refuses to hand
+// out a second mutable borrow to its content.
 
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Rust-101: A Rust Tutorial