التزامن

تتبع السلطان نموذج Rust في الخيوط والعمليات الذرية والحالة المشتركة (std::thread، std::sync، std::sync::atomic، std::sync::mpsc)، وتأخذ وقت التشغيل في Go مرجعا لطبقة نظام التشغيل (بدء الخيط، وfutex، والسيمافور). وقد كُيِّف هذا التصميم مع نظام الملكية في السلطان، وهو نظام بلا سمات (traits) ولا يشغّل أي مُتلِف (destructor) يكتبه المستخدم. تشرح هذه الصفحة كل أداة من أدوات التزامن، وطبقة نظام التشغيل التي تحتها، والفحص الذي يجري وقت الترجمة على ما يجوز للخيط أن يلتقطه، والحدود الحالية. وهي موجهة إلى المبرمجين الذين يتشاركون البيانات بين الخيوط، وإلى من يعملون على std.sync.

الوحدات#

برنامج أول#

عدّاد محمي بقفل، تتشاركه أربعة خيوط عبر مشترك، ويزيده كل خيط منها. يملك كل خيط نسخة من مشترك، ولا يُمسك القفل إلا داخل الدالة المغلقة المعطاة إلى نفذ_مع_القفل.

استورد المكتبة.sync.arc;
استورد المكتبة.sync.mutex;
استورد المكتبة.thread.thread;
استورد المكتبة.تنسيق.fmt;

عرف زد(ق: &متغير ص64): فراغ { *ق := *ق + 1; }
عرف اقرأ(ق: &متغير ص64): ص64 { أرجع *ق; }

عرف أضف_ألفا(ق: &مشترك<قفل<ص64>>): فراغ {
    دع ف: متغير ص64 = 0;
    طالما (ف < 1000) {
        نفذ_مع_القفل(اقرأ_مشترك(ق), دالة(س: &متغير ص64): فراغ -> زد(س));
        ف := ف + 1;
    }
}

عرف الرئيسية(): ص32 {
    دع العداد: مشترك<قفل<ص64>> = أنشئ_مشترك(أنشئ_قفل(0 مثل ص64));
    دع المقابض: متغير متجه مقبض_خيط = [];
    دع خ: متغير ص32 = 0;
    طالما (خ < 4) {
        دع نسختي: مشترك<قفل<ص64>> = استنسخ_مشترك(&العداد);
        طابق أطلق(دالة(): فراغ -> أضف_ألفا(&نسختي)) مع
        | نتيجة.نجح(م) -> { ألحق(المقابض, م); }
        | نتيجة.خطأ(_) -> { أرجع 1; };
        خ := خ + 1;
    }
    دع ض: متغير طبيعي = 0;
    طالما (ض < (الطول(المقابض) مثل طبيعي)) {
        انضم(&متغير المقابض[ض]);
        ض := ض + 1;
    }
    دع المجموع: ص64 = نفذ_مع_القفل(اقرأ_مشترك(&العداد), دالة(س: &متغير ص64): ص64 -> اقرأ(س));
    دع ر: نتيجة طبيعي, خطأ_تنسيق = اطبع_سطرا_منسقا(«المجموع = {}», [قيمة_تنسيق.ص64(المجموع)]);
    أرجع 0;
}

يطبع البرنامج المجموع، وهو 4000.

العمليات الذرية#

توفر std.sync.atomic أعدادا صحيحة ذرية (ذرة_ط64، وذرة_ط32، وذرة_طبيعي) مع عمليات القراءة، والكتابة، والتبديل، والمقارنة ثم التبديل (compare-exchange)، والجلب مع الجمع (fetch-add)، وسياج الذاكرة. ولـ ذرة_ط64 أيضا الجلب مع «و» البتية والجلب مع «أو» البتية، وله صيغ بمؤشر تأخذ خلية *متغير. وتتبع الترتيبات Ordering في Rust:

هذه العمليات دوال مدمجة في المترجم (intrinsics): بدائي_ذري_حمل، وبدائي_ذري_خزن، وبدائي_ذري_تبديل، وبدائي_ذري_قارن_وبدل، وبدائي_ذري_جلب_جمع، والعمليات البتية بدائي_ذري_جلب_و وبدائي_ذري_جلب_أو وبدائي_ذري_جلب_أو_حصري (الجلب مع «أو» الحصرية)، وبدائي_سياج_ذاكرة (السياج). وهي، على خلاف كل عملية أخرى، تقرأ العدد الصحيح الذي يشير إليه مرجع مشترك وتكتب فيه. هذه هي النقطة السليمة الوحيدة للتعديل من خلال مرجع مشترك (interior mutability)، كما في Rust حيث تأخذ العمليات الذرية &self. وتقبل الواجهة الأمامية للمترجم مرجعا مشتركا & إلى عدد صحيح من 32 بتا أو 64 بتا أو بحجم المؤشر بوصفه المعامل الأول.

تخفض كل خلفية للمترجم هذه الدوال المدمجة إلى التعليمات الذرية في المعمارية بقوة الاتساق التسلسلي. يُمرَّر الترتيب المطلوب إلى الخلفية، لكن الخلفيات تعامل كل ترتيب على أنه ترتيب_ذاكرة.تسلسلي، وهذا سليم دائما.

خيوط نظام التشغيل#

توفر std.thread ما يلي:

تعيد أطلق قيمة نتيجة خطؤها هو إخفاق المنصة في بدء خيط.

دعم المنصات#

في std.os.threads فرع محروس واحد لكل نظام تشغيل. ويبدأ كل نظام الخيط بالآلية التي يستخدمها وقت التشغيل الخاص به.

طبقة الخيوط في Linux#

تبدأ طبقة Linux (library/std/os/platform/unix/linux/threads.sn) الخيط بالطريقة التي يتبعها وقت التشغيل في Go وmusl. يحصل الخيط على مكدس حجمه 2 MiB محجوز بـ mmap مع صفحة حماية PROT_NONE، وعلى clone بالأعلام CLONE_VM|FS|FILES|SIGHAND|THREAD|SYSVSEM|PARENT_SETTID|CHILD_CLEARTID. واستدعاء clone هو الدالة المدمجة في المترجم بدائي_استنسخ_خيط_نواة: يشغّل الخيط الابن الدالة المغلقة على المكدس الجديد ثم ينهي الخيط. وتنتظر انضم على خلية tid التي تصفّرها النواة حين يخرج الخيط.

يختلف تفصيلان بين المعماريات. توضع خلية tid في آخر خانتين من وسائط clone كلتيهما، لأنهما (child_tid, tls) على x86_64 و(tls, child_tid) على المعماريات asm-generic (aarch64، وriscv64، وloongarch64)؛ وتُتجاهل خانة tls دون CLONE_SETTLS. وتفحص انضم الكلمة كاملة، لأن tid النواة ذا الـ 32 بتا يقع في النصف الأعلى على الأجهزة التي تضع البايت الأعلى أولًا (big-endian) مثل s390x وsparc64.

حجز المكدس مشترك مع طبقة FreeBSD: تأخذ mmap وmprotect وmunmap الوسائط نفسها هناك، وتأتي الأعلام من UAPI النواة المختارة.

ملكية الدالة المغلقة#

يملك الخيط دالته المغلقة، كما تُنقل FnOnce في Rust إلى الخيط. توضع الدالة المغلقة في خلية على الكومة تملكها دالة الدخول المغلقة الخاصة بالخيط. تُخرج دالة الدخول الدالة المغلقة بالتبديل، وتشغّلها، وتتلفها حين تعود، فيُحرَّر كل ما التقطته الدالة المغلقة (نسخة من مشترك، أو مرسل قناة) عند انتهاء الخيط، لا عند الانضمام إليه ولا بحسب حدوثه. وتعيد انضم آخر مرجع لدالة الدخول، بعد بنائه من عنوانه بـ بدائي_دالة_من_عنوان، فتُحرَّر دالة الدخول وخليتها. أما الخيط المنفصل فلا يسرّب إلا دالة الدخول (كتلتين صغيرتين).

النتائج والانهيار#

الدالة المغلقة المعطاة إلى أطلق لا تعيد قيمة عبر انضم؛ أما أطلق_بقيمة وانضم_بقيمة فتعيدان القيمة عبر حالة مشتركة. وإنهيار في أي خيط ينهي العملية كلها (panic=abort)، فلا ترى انضم أبدا خطأ خيط، ولا يمكن أن يُعلَّم قفل بأنه معطوب بسبب انهيار حدث وهو ممسوك (poisoning).

الانتظار والإيقاظ#

std.os.wait_address هي أداة الحجب الوحيدة التي تُبنى عليها كل أنواع std.sync، على غرار sys/sync/futex في Rust وruntime/sema في Go.

فحص القيمة والنوم خطوة واحدة في النواة، فلا يضيع أبدا إيقاظ يقع بين قراءة المستدعي وانتظاره. وقد يعود الانتظار دون سبب، ولذلك يكرر المستدعون الحلقة على شرطهم.

تحمل استدعاءات النواة عقودا للذاكرة (توقيع_عملية_نواة_لينكس: الخلية ذات 4 بايتات، وtimespec ذو 16 بايتا)، كما يحملها كل استدعاء نواة في المكتبة القياسية يأخذ مؤشرا.

الملكية المشتركة#

مشترك<ق> هو Arc<T> في Rust: قيمة واحدة على الكومة، وأي عدد من المقابض، وعدّاد مراجع ذري، وتُتلَف القيمة مرة واحدة بالضبط مع آخر مقبض.

لا تشغّل السلطان أي مُتلِف يكتبه المستخدم، ولذلك فالعدّاد والإتلاف من شأن بيئة دالة مغلقة. يحمل المقبض دالة مغلقة واحدة تملك بيئتُها القيمةَ المغلفة (التقاط بالنقل). وعدّاد المراجع في البيئة هو العدّاد القوي: تعدّ الدوال المغلقة مراجعها ذريا (LOCK XADD، وLDADDAL أو حلقة LDAXR/STLXR، وatomicrmw في LLVM)، ونسخ المقبض يضيف مرجعا، وإتلافه يزيل مرجعا، ويتلف مُتلِف البيئة القيمةَ المغلفة مع آخر مرجع. وتجيب الدالة المغلقة بعنوان القيمة المغلفة.

لا يُوصَل إلى القيمة إلا عبر مرجع مشترك. والتعديل عبر الخيوط يمر بقفل، أو بقفل قراءة وكتابة، أو بعدد ذري داخل مشترك. وعدد_مراجع_مشترك غير متاحة في المفسر: فهي تقرأ خانة العدد عبر عنوان الدالة المغلقة، وعناوين الدوال المغلقة في المفسر مقابض لا ذاكرة.

القفل#

قفل<ق> هو قفل futex في Rust (sys/sync/mutex/futex.rs، المبني على ورقة Ulrich Drepper "Futexes Are Tricky"). الحالة 0 حين يكون مفتوحا، و1 حين يكون مقفلا، و2 حين يكون مقفلا وله منتظرون. القفل دون تنافس عملية مقارنة وتبديل واحدة، وفتحه دون تنافس عملية تبديل واحدة، دون أي استدعاء نظام. أما القفل مع التنافس فيدور 100 جولة، ثم يجعل الحالة 2 وينام؛ وفتح القفل الذي يجد الحالة 2 يوقظ نائما واحدا.

لا يُوصَل إلى القيمة إلا داخل دالة مغلقة تعمل والقفل ممسوك: نفذ_مع_القفل(&م, دالة(&متغير ق): ن): ن، أو حاول_القفل، التي تجيب بـ اختياري.لا_شيء حين يمسك خيط آخر القفل. هذا هو MutexGuard في Rust محصورا في استدعاء واحد، لأن السلطان لا تشغّل شيئا عند الخروج من النطاق: فلا يمكن نسيان فتح القفل، ولا يعيش مرجع إلى القيمة بعد القفل. وتبلّغ هل_القفل_مأخوذ عن الحالة.

ولا يُعلَّم القفل بأنه معطوب أبدا، لأن الانهيار ينهي العملية. والقفل يُنقل لكنه لا يُنسخ أبدا (تجعله علامة متجه لا يُحجز أبدا قيمة مملوكة)، ويُتشارك عبر مشترك (مشترك<قفل<ق>>)، كما في Rust.

قفل القراءة والكتابة#

قفل_قراءة_كتابة<ق> كلمة futex واحدة: 0 حين يكون حرا، وعدد القرّاء حين يكون فيه قرّاء، و0xFFFFFFFF لكاتب. ويكون الوصول عبر نفذ_مع_قراءة ونفذ_مع_كتابة. وهو أبسط من قفل القراءة والكتابة المبني على futex في Rust (RwLock): لا أولوية فيه للكاتب، فقد يؤخر تدفق متواصل من القرّاء الكاتبَ.

شرط الانتظار#

شرط_انتظار هو متغير الشرط المبني على futex في Rust (Condvar): رقم تسلسل من 32 بتا. تقرأ انتظر_الشرط(&ش, &م) الرقم، وتفتح القفل، وتنام ما دام الرقم لم يتغير، ثم تأخذ القفل من جديد. ويزيد التنبيه الرقم ويوقظ نائما واحدا (نبه_واحدا) أو الجميع (نبه_الكل).

يُستدعى الانتظار والقفل ممسوك، داخل الدالة المغلقة المعطاة إلى نفذ_مع_القفل على القفل نفسه. ويبقى مرجع الدالة المغلقة إلى القيمة صالحا، لأن القفل يكون ممسوكا من جديد حين يعود الانتظار. وتجيب انتظر_الشرط_بمهلة عما إذا انقضت مهلة الانتظار؛ وتكرر انتظر_طالما الحلقة على شرط يخص القيمة المحمية.

التهيئة لمرة واحدة#

مرة هو Once المبني على futex في Rust: 0 غير مكتمل، و1 قيد التشغيل، و2 قيد التشغيل وله نائمون، و3 مكتمل. تشغّل نفذ_مرة دالتها المغلقة مرة واحدة بالضبط مهما تسابق من خيوط، وينام الباقون حتى تكتمل. ومرة المكتملة كلفتها قراءة واحدة بترتيب الاكتساب.

تخزن خلية_مرة<ق> (OnceLock في Rust) قيمتها في متجه لا يزيد على عنصر واحد خلف مشترك. والعنصر موضع في الذاكرة، فتعيره اقرأ_خلية_مرة واقرأ_أو_هيئ_خلية_مرة في مكانه، ولا يكبر المتجه أبدا بعد الإلحاق الوحيد، فيبقى عنوانه ثابتا. وترفض اضبط_خلية_مرة قيمة ثانية.

القنوات#

تعيد قناة<ق>() وقناة_متزامنة<ق>(الحد) الطرفين كليهما (طرفا_قناة)، ويفككهما نمط: | { المرسل: م, المستلم: س } -> …. وتنشئ مستلم_قناة ومرسل_لمستلم الطرفين واحدا بعد الآخر. للقناة مرسلون كثيرون (استنسخ_مرسل) ومستلم واحد، وهي تسلّم القيم لكل مرسل بترتيب إرسالها (FIFO).

تعيد أرسل القيمة بوصفها الخطأ إذا زال المستلم. وتبلّغ حاول_الإرسال عن ممتلئة أو منقطعة، مع القيمة. وتفشل استقبل إذا زال كل المرسلين ولم يبق شيء في الطابور. وتبلّغ حاول_الاستقبال واستقبل_بمهلة عن الفراغ، أو انقضاء المهلة، أو الانقطاع، مستخدمة أنواع الأخطاء في mpsc الخاصة بـ Rust (خطأ_محاولة_استقبال، وخطأ_استقبال_بمهلة، وخطأ_استقبال، وخطأ_محاولة_إرسال).

التنفيذ#

تقع الحالة المشتركة خلف مشترك. وهي طابور من متجهين: تُلحق القيم بصندوق وارد، وتُسحب من صندوق صادر يُعاد ملؤه من الوارد، فكل قيمة تُنقل ولا تُنسخ أبدا. ويحمي الطابورَ القفلُ ذو الحالات الثلاث، وترافقه كلمتا تسلسل futex: "قيمة متاحة" و"خانة فارغة".

الانقطاع دون مُتلِفات#

تعدّ القناة طرفيها برمزين مشتركين (من نوع مشترك). كل رمز تحمله الحالة المشتركة ويحمله كل مرسل (أو المستلم)، فعدد المرسلين الأحياء هو العدّاد القوي لرمز المرسل ناقصا ما تحمله الحالة نفسها. والطرف المعطى إلى أسقط_مرسل أو أسقط_مستلم يُتلف هناك ويُوقظ الطرف الآخر فورا. أما الطرف الذي يُتلف ضمنيا، بخيط ينتهي أو نطاق ينتهي، فيلاحظه الخيط المنتظر خلال بضع ميلي ثوان، لأن المنتظر يعيد فحص العدّادات بين فترات نوم محدودة (1 ms تتضاعف حتى 32 ms). والأطراف غير قابلة للنسخ، فالدالة المغلقة المُطلقة في خيط تنقل الطرف الذي تلتقطه.

الحد 0 يحمل قيمة واحدة: قناة rendezvous في Rust، التي يلتقي فيها المرسل والمستلم مباشرة، غير منفذة.

الخلو من سباق البيانات: فحص الالتقاط عند الإطلاق#

لا يجوز للدالة المغلقة المسلَّمة إلى خيط آخر أن تلتقط إلا ما يجوز له عبور الخيوط، وهذا هو F: Send + 'static في Rust. يرفض المترجم دالة مغلقة تلتقط:

• مؤشرا خاما، إلا إذا وقع الإطلاق داخل غير_آمن؛
• مرجعا مستعارا أو شريحة؛
• متغير وحدة قابلا للكتابة يستخدمه جسمها خارج كتلة غير آمنة.

لكل حالة تشخيصها الخاص، بالعربية والإنجليزية: SULTANC-THREAD-CAPTURE-RAW-POINTER، وSULTANC-THREAD-CAPTURE-REFERENCE، وSULTANC-THREAD-CAPTURE-NON-ATOMIC-SHARED. وتُستنتج الاستدعاءات التي ترسل دالة مغلقة من الدوال المدمجة الخاصة بعناوين الدوال المغلقة، لا من قائمة بالأسماء. والقواعد، وطريقة الاستنتاج، وحدودهما في نظام الأنواع.

تبقى الدوال المدمجة الخاصة بالخيوط نفسها خلف غير_آمن: فـ بدائي_استنسخ_خيط_نواة تشغّل شيفرة على مكدس يقدمه المستدعي، وبدائي_دالة_من_عنوان تعيد بناء دالة مغلقة من عنوان. وتسريب قيمة مغلفة (بدائي_سرب_قيمة) دالة مدمجة غير آمنة كذلك.

الحالة على مستوى العملية#

جُعل جدولان على مستوى العملية آمنين مع الخيوط.

• يخدم مخصِّص الذاكرة (library/std/os/allocation.sn) كل الخيوط. يضبط أول إطلاق علَما يفعّل قفلا حول الحجز وإعادة الحجز والتحرير؛ والبرنامج الذي لا يطلق خيطا أبدا يدفع تفرعا واحدا. وتكشف هل_بدأت_خيوط هذا العلم. والقفل هو بروتوكول futex ذو الحالات الثلاث الخاص بـ قفل على كلمة وحدة من 32 بتا: عملية مقارنة وتبديل واحدة حين يكون حرا، و100 دورة على الأكثر حين يكون ممسوكا، ثم نوم في النواة (os.platform.*.wait_address، الاستدعاءات بلا مهلة، وهي لا تحجز شيئا)، فلا يستهلك الخيط المنتظر وقت المعالج. ومع ذلك تتشارك كل الخيوط القفل الواحد؛ وذاكرة مؤقتة (cache) لكل خيط كانت ستزيله من أغلب عمليات الحجز.
• يأخذ جدول البيئة (std.env.table؛ وهو ENV_LOCK في Rust وenvLock في Go) قفلا واحدا على مستوى العملية لكل قراءة وكتابة متى وُجد خيط، مستخدما البروتوكول ذا الحالات الثلاث على متغير وحدة عددي (انتظر_عند_الخلية). وقبل أول خيط لا يؤخذ أي قفل.

استطلاع الجاهزية#

تتيح std.os.poll (على غرار mio في Rust وnetpoller في Go) لخيط واحد أن يخدم مقابس كثيرة غير حاجبة: epoll على Linux وAndroid، وkqueue على FreeBSD (باستدعاءات النظام) وmacOS (عبر libSystem). وتبلّغ Windows والأهداف الأخرى أن هل_المستطلع_مدعوم خطأ؛ فـ Windows تحتاج IOCP، وهو نموذج إكمال.

التسجيلات لمرة واحدة (EPOLLONESHOT، EV_ONESHOT): يعطّل الحدثُ واصفه حتى يُعاد تسليحه، فتستطيع خيوط عدة أن تنتظر على مستطلع واحد، ويصل كل واصف إلى واحد منها في كل مرة. والاهتمام إما بالقراءة أو بالكتابة، لا بهما معا، للسبب نفسه (فقد ينطلق مرشحان من kqueue على خيطين). ويملك كل خيط منتظر مخزن أحداثه (أنشئ_مخزن_أحداث_مستطلع)، فلا يحجز الانتظار ذاكرة. وتتعرف هل_خطأ_سيحظر على خطأ «العملية ستحجب» (would-block) الخاص بالهدف.

وتُبنى عليها شغل_خادم_ويب_بأحداث في std.http.server. يملك كل خيط عامل (عددها الافتراضي هو التوازي المتاح) مستطلعه وجدول اتصالاته. ومع SO_REUSEPORT موزِّع (Linux وFreeBSD) يربط كل عامل مستمعه أيضا (شظية لكل نواة) ويقبل منه حتى يصير على وشك الحجب. وفي غيرهما (macOS) مستمع واحد، والعامل الذي يستنزفه يأخذ دفعة الاتصالات كلها؛ لذا، كمستقبِلات libuv وtokio، يقتصر الخيط المستدعي على القبول ويسلّم كل اتصال إلى العامل الأقل اتصالات مفتوحة (والمتساوون بالدور)، في جدول ذلك العامل ومستطلعه، حيث يبقى. ولا تراقب العمال المستمع، فلا تلمس أحداث الاتصال ولا إعادة تسليحه ولا تحديثات جدوله إلا مستطلع عامله وقفله. ويقرأ العامل حتى يصير المقبس على وشك الحجب، ويشغّل المعالج لكل طلب HTTP/1 مكتمل، ويكتب دون حجب (ينتظر الخرج غير المرسل قابلية الكتابة)، ثم يعيد تسليح الاتصال. ولا تحتجز الاتصالات الخاملة أي خيط. وتُتشارك الحالة على شكل مشترك<S>. ويغادر اتصال h2c المستطلع إلى خادم HTTP/2 الحاجب على عامله؛ وما زال HTTPS يستخدم شغل_خادم_ويب_آمن التسلسلية. ودون مستطلع تشغّل الدالة شغل_خادم_ويب.

المهام غير المتزامنة#

تشغّل std.async.runtime مهام كثيرة على خيط واحد، كـ goroutines في Go على P واحد، أو الخيوط الافتراضية في Java، أو coroutines في Lua. والمهام ذات مكدس (stackful): لكل منها مكدسها (256 KiB محجوزة، أدناها 64 KiB حارس لا يُوصل إليه، وتثبّت النواة الصفحات عند أول لمس)، فالشفرة داخل المهمة شفرة عادية ولا تُوسم أي دالة بأنها غير متزامنة. والاستدعاء الذي يحتاج إلى الانتظار يعلّق مهمته فقط:

وتقدم std.async.net استدعاءات TCP من std.net.tcp على مقابس غير حاجبة: اربط_مستمع_غير_متزامن، واقبل_غير_متزامن، واتصل_غير_متزامن، واقرأ_غير_متزامن، واكتب_غير_متزامن، واكتب_الكل_غير_متزامن، وأغلق_غير_متزامن، وأغلق_مستمعا_غير_متزامن. والاستدعاء الذي كان سيحجب يعلّق المهمة حتى يبلّغ المستطلع أن المقبس جاهز، ثم يعيد المحاولة.

استورد std.async.runtime;

عرف بطيء(ن: عدد): عدد { نم_مهمة(40000000); أرجع ن; }

عرف الرئيسية(): عدد {
    دع أ: متغير مهمة<عدد> = أطلق_مهمة(دالة(): عدد -> بطيء(1));
    دع ب: متغير مهمة<عدد> = أطلق_مهمة(دالة(): عدد -> بطيء(2));
    // تنامان معا: نحو 40 ms في المجموع.
    طابق انتظر_مهمة(&متغير أ) مع
    | اختياري.موجود(س) -> { طابق انتظر_مهمة(&متغير ب) مع
        | اختياري.موجود(ص) -> { أرجع س + ص; }
        | اختياري.لا_شيء -> { أرجع -1; }; }
    | اختياري.لا_شيء -> { أرجع -1; };
}

يعمل المجدول على الخيط الذي تنتظر شفرته من خارج كل المهام (الشفرة الرئيسية تنتظر مهمة، أو تحجب على مقبس بالاستدعاءات نفسها): أثناء انتظارها تعمل المهام الجاهزة بالدور، الأول فالأول، وحين لا تكون مهمة جاهزة ينام الخيط في المستطلع (io_uring أو epoll على Linux، وkqueue على FreeBSD وmacOS) حتى يجهز مقبس أو يحين أقرب مؤقت. ومجدول واحد يخدم العملية، والمهمة تتبع الخيط الذي يقودها. وحين تنتظر كل المهام ولا يستطيع مقبس ولا مؤقت إيقاظ إحداها (مهمة تنتظر نفسها، أو دورة انتظارات) ينهار البرنامج برسالة بدل أن يتوقف إلى الأبد.

التبديل نداء إلى بدل_سياق_المهام_التشغيل، الذي تستبدل الخلفيات جسمه بشفرة آلة ثابتة: يدفع السجلات المحفوظة عند المستدعى (rbx وrbp وr12-r15 على x86_64؛ وx19-x30 وd8-d15 على arm64)، ويخزن مؤشر المكدس، ويحمّل مؤشر المهمة الأخرى ويسترجع سجلاتها. ويعود الإطار الأول لمهمة جديدة إلى منصة (trampoline) تستدعي الدالة المغلقة للمهمة. ويصدره مشفرا x86_64 وarm64 الأصليان ومزود LLVM (دالةً عارية naked) على أهداف System V x86_64 وAAPCS64. ويبدل المفسر المهام أيضا بتبديل مكادس أطره (انظر المفسر). وفي غيرها (wasm32، وWindows، والمعماريات الأخرى) تعيد المهام_مدعومة خطأ، وتشغّل أطلق_مهمة المهمة حتى نهايتها فورا، فيعمل البرنامج نفسه، مهمة بعد مهمة، ويحجب كل انتظار الخيط.

وتُفحص الدالة المغلقة الممررة إلى أطلق_مهمة كدالة الخيط (فحص الالتقاط عند الإطلاق): فالمهمة تعيش بعد إطار المستدعي.

وتخدم شغل_خادم_ويب_غير_متزامن في std.http.server كل اتصال مقبول في مهمة خاصة به عبر الناقل تي_سي_بي_غير_متزامن، فيحتجز العميل الخامل أو البطيء مكدس مهمة لا خيطا، ويتشارك HTTP/1 وh2c خيطا واحدا. وتفحص طلب الإيقاف مرة كل 250 ms على الأقل.

المفسر#

ينفذ sultanc run على خيط واحد من خيوط نظام التشغيل. تعمل العمليات الذرية على شكل قراءة وتعديل وكتابة عادية، وتعمل القراءات في قفل، وقفل_قراءة_كتابة، وشرط_انتظار (التنبيه)، ومرة، وخلية_مرة، ومشترك، وتتفق نتائجها مع الشيفرة الأصلية؛ وtests/*/stdlib/behavior/sync_single_thread.sn زوج تفاضلي. ولا يبدأ هناك خيط، فيعيد أطلق خطأ بدل أن يوقف البرنامج: يجيب clone في النواة بـENOSYS على لينكس، وعلى macOS وويندوز لا مدخل C للدالة المغلقة المفسَّرة، وتفحص المكتبة القياسية ذلك قبل أن تحجز شيئا. ويأخذ المستدعي الذي له بديل ذلك البديل: تخدم خوادم HTTP في المكتبة القياسية على الخيط المستدعي، وتغلق حلقة الأحداث المجزأة مستمعَ SO_REUSEPORT ومستطلعَ كل جزء لم يبدأ خيطه (وإلا سلّمت النواة ذلك المستمع اتصالات لا يقبلها أحد). والبرنامج الذي حجب SIGINT وSIGTERM لخيط مراقبة لم يبدأ يرفع حجبهما بـ ارفع_حجب_إشارات_الإيقاف (std.os.signal)، فيوقفه Ctrl+C فورا.

وعلى لينكس تتبدل المهام غير المتزامنة تحت المفسر كما تتبدل أصليا (compiler/interpreter/execution/task_switch.sn). فالمفسر يملك أطره، والمهمة مكدس أطر آخر: يضع نداءُ روتين التبديل المكدسَ الجاري جانبا في جدول، ويترك رمزه (فهرسا موسوما لا عنوانا قابلا للربط) في كلمة الحفظ، ثم يستأنف المكدس الذي يسميه رمز، أو يبدأ مهمة جديدة من الدالة المغلقة التي وضعتها المكتبة القياسية في أول إطار للمهمة. ويُحل المكان الواقع في مكدس معلق (محلي مهمة تستعيره مهمة أخرى) هناك. وتعيد الدوال المدمجة الخاصة بعناوين الدوال المغلقة مقابض موسومة لدوال المفسر المغلقة، وبها تحفظ المكتبة مدخل المهمة؛ وتُرفض قراءة ذاكرة الآلة عبر مقبض كهذا (عدد_مراجع_مشترك، والقنوات التي تعدّ أطرافها بها) بدل أن يتعطل المفسر. والمستطلع epoll: فـio_uring يشارك حلقات يربطها النواة في العملية ويحدّثها بعمليات ذرية، فيعيد io_uring_setup تحت المفسر ENOSYS ويأخذ std.os.poll بـepoll. ومكدس المهمة ذاكرة آلة تربطها المكتبة القياسية، ولا يصل إليها المفسر إلا على لينكس؛ فعلى macOS وويندوز يجيب المفسر بأن المهام لا تتبدل، ويشغّل أطلق_مهمة كل مهمة حتى تكتمل فورا، كما على wasm32. وtests/*/stdlib/behavior/async_task_switch.sn زوج تفاضلي، ويعمل اختبار خادم HTTP غير المتزامن تحت sultanc run أيضا. وقد تخفق تأكيدات التوقيت المكتوبة لسرعة الشيفرة الأصلية (ثلاث نومات من 40 ms في أقل من 100 ms) في المفسر لأنه أبطأ.

التحقق#

الاختبارات في tests/{ar,en}/stdlib/behavior/:

اختبارات الرفض هي tests/*/diagnostics/safety/thread_capture_{raw_pointer,reference,global}.sn، واختبار القبول هو tests/*/compiler/semantic/thread_capture_allowed.sn.

الحدود#

• لا يرى فحص الالتقاط عند الإطلاق ما وراء دالة مغلقة ممررة في متغير، أو دالة مغلقة ملتقطة، أو استدعاء يلمس متغير وحدة قابلا للكتابة. ويتتبع Rust هذه الحالات بالسمات التلقائية (auto traits) على أنواع الدوال المغلقة.
• تحتاج الخيوط ذات النطاق (thread::scope) إلى دعم للمناطق وأعمار المراجع لا يعبّر عنه فاحص الملكية بكلفة منخفضة. ولا توجد متغيرات محلية للخيط (thread-locals)، ولا حواجز (barriers)، ولا WaitGroup.
• تتجاهل العمليات الذرية الترتيبات الأضعف وتستخدم ترتيب_ذاكرة.تسلسلي دائما.
• لا أولوية للكاتب في قفل القراءة والكتابة.
• تلاحظ القنوات الطرف المُتلَف ضمنيا بالاستطلاع، خلال 32 ms.
• تخدم شغل_خادم_ويب وشغل_خادم_ويب_آمن اتصالا واحدا في كل مرة؛ وتخدم شغل_خادم_ويب_بأحداث المبنية على الأحداث HTTP/1 بالتزامن، لكن اتصال h2c يحتجز عامله، وTLS ليس مبنيا على الأحداث بعد، ولا مستطلع في Windows (IOCP).
• الخيوط غير متاحة على WASI، ولا على الأهداف المستقلة عن نظام التشغيل، ولا في المفسر.
• تعمل المهام غير المتزامنة على خيط واحد في العملية (لا سرقة عمل بين الخيوط)، وتنتظر مهمةٌ واحدة مهمةً معينة في كل مرة، وتحجب اتصل_غير_متزامن أثناء المصافحة، ولا تتبدل المهام على Windows ولا wasm32 ولا أهداف 32 بت.

انظر أيضا#

• نظام الأنواع: قواعد الالتقاط.
• الملكية: النقل، والاستعارة، ولماذا تملك الدوال المغلقة ما تلتقطه.
• تغطية المكتبة القياسية: موقع std.sync وstd.thread إلى جانب Rust وGo.
• اعتماديات المنصات: استدعاءات النظام تحت طبقتي الانتظار والإيقاظ والخيوط.