Rust?Atomics?and?Locks并發基礎實例代碼分析

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Rust 中的線程

在 Rust 中，線程是輕量級的執行單元，可以并行執行多個任務。Rust 中的線程由標準庫提供的 std::thread 模塊支持，使用線程需要在程序中引入該模塊。可以使用 std::thread::spawn() 函數創建一個新線程，該函數需要傳遞一個閉包作為線程的執行體。閉包中的代碼將在新線程中執行，從而實現了并發執行。例如：

use std::thread;
fn main() {
    // 創建一個新線程
    let handle = thread::spawn(|| {
        // 在新線程中執行的代碼
        println!("Hello from a new thread!");
    });
    // 等待新線程執行完畢
    handle.join().unwrap();
    // 主線程中的代碼
    println!("Hello from the main thread!");
}

上面的代碼創建了一個新線程，并在新線程中打印了一條消息。在主線程中，調用了 handle.join() 方法等待新線程執行完畢。在新線程執行完畢后，程序會繼續執行主線程中的代碼。

需要注意的是，Rust 的線程是“無法共享堆棧”的。也就是說，每個線程都有自己的堆棧，不能直接共享數據。如果需要在線程之間共享數據，可以使用 Rust 的線程安全原語，例如 Mutex、Arc 等。

線程作用域

在 Rust 中，std::thread::scope 是一個函數，它允許在當前作用域中創建一個新的線程作用域。在這個作用域中創建的線程將會在作用域結束時自動結束，從而避免了手動調用 join() 方法的麻煩。

std::thread::scope 函數需要傳遞一個閉包，該閉包中定義了線程的執行體。與 std::thread::spawn 不同的是，該閉包中可以訪問其父作用域中的變量。

下面是一個簡單的例子，展示了如何使用 std::thread::scope：

use std::thread;
fn main() {
    let mut vec = vec![1, 2, 3];
    thread::scope(|s| {
        s.spawn(|_| {
            vec.push(4);
        });
    });
    println!("{:?}", vec);
}

在這個例子中，我們使用 thread::scope 創建了一個新的線程作用域。在這個作用域中，我們創建了一個新的線程，并在其中向 vec 向量中添加了一個新元素。由于線程作用域在閉包執行完畢時自動結束，因此在 println! 語句中打印出的 vec 向量中并沒有包含新添加的元素。

需要注意的是，在使用 thread::scope 創建線程時，閉包的參數類型必須是 &mut std::thread::Scope，而不是 &mut 閉包中所訪問的變量的類型。這是因為 thread::scope 函數需要傳遞一個可變引用，以便在作用域結束時正確釋放線程的資源。

所有權共享

在 Rust 中，所有權共享是一種允許多個變量同時擁有同一值的所有權的方式。這種方式被稱為“所有權共享”，因為它允許多個變量共享對同一值的所有權。這是 Rust 的一項重要特性，可以幫助避免內存泄漏和數據競爭等問題。

在 Rust 中，有三種方式可以實現所有權共享：靜態變量（Statics）、內存泄漏（Leaking）和引用計數（Reference Counting）。

• 靜態變量（Statics）

靜態變量是指在程序運行期間一直存在的變量。在 Rust 中，可以使用 static 關鍵字來定義靜態變量。靜態變量在程序運行期間只會被初始化一次，且只有一個實例，所以多個變量可以共享對同一靜態變量的所有權。

以下是一個示例：

static mut COUNTER: i32 = 0;
fn main() {
    unsafe {
        COUNTER += 1;
        println!("Counter: {}", COUNTER);
    }
}

在這個例子中，我們定義了一個名為 COUNTER 的靜態變量，并使用 static mut 來表示它是一個可變的靜態變量。然后，在 main 函數中，我們通過 unsafe 代碼塊來訪問 COUNTER 變量，并將其加一。需要注意的是，在 Rust 中，訪問靜態變量是不安全的操作，所以必須使用 unsafe 代碼塊來進行訪問。

• 內存泄漏（Leaking）

內存泄漏是指在程序運行期間分配的內存沒有被釋放的情況。在 Rust 中，可以使用 Box::leak 方法來實現內存泄漏。Box::leak 方法會返回一個指向堆上分配的值的指針，但不會釋放這個值的內存。這樣，多個變量就可以共享對同一堆分配的值的所有權。

以下是一個示例：

use std::mem::forget;
fn main() {
    let value = Box::new("Hello, world!".to_string());
    let pointer = Box::leak(value);
    let reference1 = &*pointer;
    let reference2 = &*pointer;
    forget(pointer);
    println!("{}", reference1);
    println!("{}", reference2);
}

在這個例子中，我們使用 Box::new 創建一個新的堆分配的值，并將其賦值給 value 變量。然后，我們使用 Box::leak 方法來講 value 的所有權泄漏到堆上，并返回一個指向堆上分配的值的指針。接著，我們使用 &* 來將指針解引用，并將其賦值給 reference1 和 reference2 變量。最后，我們使用 std::mem::forget 函數來避免釋放

• 引用計數

引用計數是一種在 Rust 中實現所有權共享的方式，它允許多個變量共享對同一值的所有權。在 Rust 中，引用計數使用 Rc<T>（“引用計數”）類型來實現。Rc<T> 類型允許多個變量共享對同一值的所有權，但是不能在運行時進行修改，因為 Rc<T> 類型不支持內部可變性。

以下是一個示例：

use std::rc::Rc;
fn main() {
    let value = Rc::new("Hello, world!".to_string());
    let reference1 = value.clone();
    let reference2 = value.clone();
    println!("{}", reference1);
    println!("{}", reference2);
}

在這個例子中，我們使用 Rc::new 創建一個新的 Rc<String> 類型的值，并將其賦值給 value 變量。然后，我們使用 value.clone() 方法來創建 value 的兩個引用，并將它們分別賦值給 reference1 和 reference2 變量。最后，我們打印 reference1 和 reference2 變量，以顯示它們都引用了同一個值。

需要注意的是，Rc<T> 類型只能用于單線程環境，因為它不是線程安全的。如果需要在多線程環境下實現引用計數，可以使用 Arc<T>（“原子引用計數”）類型。Arc<T> 類型是 Rc<T> 的線程安全版本，它使用原子操作來實現引用計數。

借用和數據競爭

在 Rust 中，借用是一種通過引用來訪問值而不獲取其所有權的方式。借用是 Rust 中非常重要的概念，因為它可以幫助避免數據競爭的問題。

數據競爭指的是多個線程同時訪問同一個變量，且至少有一個線程正在寫入該變量。如果沒有采取適當的同步措施，數據競爭會導致未定義的行為，例如程序崩潰或產生意外的結果。

在 Rust 中，編譯器使用所有權和借用規則來防止數據競爭。具體來說，編譯器會檢查每個引用的生命周期，以確保在引用仍然有效的情況下進行訪問。如果編譯器發現了潛在的數據競爭問題，它會在編譯時發出錯誤。

以下是一個簡單的例子，說明如何使用借用來避免數據競爭問題：

use std::thread;
fn main() {
    let mut data = vec![1, 2, 3];
    let handle1 = thread::spawn(move || {
        let reference = &data;
        println!("Thread 1: {:?}", reference);
    });
    let handle2 = thread::spawn(move || {
        let reference = &data;
        println!("Thread 2: {:?}", reference);
    });
    handle1.join().unwrap();
    handle2.join().unwrap();
}

在這個例子中，我們創建了一個可變的 Vec<i32> 類型的值，并將其賦值給 data 變量。然后，我們在兩個線程中使用 thread::spawn 方法，每個線程都獲取對 data 的共享引用，并打印該引用。由于我們使用了共享引用，所以不會發生數據競爭問題。

需要注意的是，如果我們嘗試將 data 的可變引用傳遞給兩個線程中的一個或多個線程，編譯器將會在編譯時發出錯誤，因為這可能會導致數據競爭。在這種情況下，我們可以使用 Mutex<T>、RwLock<T> 或 Cell<T> 等同步原語來避免數據競爭。

內部可變

在 Rust 中，內部可變性是指在擁有不可變引用的同時，可以修改被引用的值。Rust 提供了一些內部可變性的實現方式，包括 Cell<T> 和 RefCell<T> 類型。

Cell<T> 類型提供了一種在不可變引用的情況下，修改其所持有的值的方法。它通過在不可變引用中封裝值，并使用 get 和 set 方法來實現內部可變性。以下是一個示例：

use std::cell::Cell;
fn main() {
    let number = Cell::new(42);
    let reference = &number;
    let value = reference.get();
    number.set(value + 1);
    println!("The new value is: {}", reference.get());
}

在這個例子中，我們創建了一個 Cell<i32> 類型的值，并將其賦值給 number 變量。然后，我們獲取了一個 &Cell<i32> 類型的不可變引用，并通過 get 方法獲取了 number 所持有的值。接著，我們通過 set 方法來修改 number 所持有的值。最后，我們打印了 number 所持有的新值。

RefCell<T> 類型提供了一種更靈活的內部可變性實現方式。它通過在可變和不可變引用中封裝值，并使用 borrow 和 borrow_mut 方法來實現內部可變性。以下是一個示例：

use std::cell::RefCell;
fn main() {
    let number = RefCell::new(42);
    let reference1 = &number.borrow();
    let reference2 = &number.borrow();
    let mut reference3 = number.borrow_mut();
    *reference3 += 1;
    println!("The new value is: {:?}", number.borrow());
}

在這個例子中，我們創建了一個 RefCell<i32> 類型的值，并將其賦值給 number 變量。然后，我們獲取了兩個不可變引用，并通過 borrow_mut 方法獲取了一個可變引用。接著，我們通過可變引用來修改 number 所持有的值。最后，我們打印了 number 所持有的新值。

需要注意的是，Cell<T> 和 RefCell<T> 類型都不是線程安全的。如果需要在多線程環境下使用內部可變性，可以使用 Mutex<T> 或 RwLock<T> 等同步原語。 在 Rust 中，為了保證多線程并發訪問共享數據的安全性，可以使用同步原語，例如 Mutex 和 RwLock。

Mutex 是一種互斥鎖，它允許只有一個線程訪問被保護的共享數據。在 Rust 中，可以通過標準庫中的 std::sync::Mutex 類型來實現 Mutex。以下是一個示例：

use std::sync::Mutex;
fn main() {
    let data = Mutex::new(0);
    let mut handles = vec![];
    for _ in 0..10 {
        let handle = std::thread::spawn(move || {
            let mut data = data.lock().unwrap();
            *data += 1;
        });
        handles.push(handle);
    }
    for handle in handles {
        handle.join().unwrap();
    }
    println!("Result: {}", *data.lock().unwrap());
}

在這個例子中，我們創建了一個 Mutex<i32> 類型的值，并將其賦值給 data 變量。然后，我們創建了 10 個線程，并在每個線程中獲取 data 的可變引用，并通過加 1 的方式修改其所持有的值。最后，我們等待所有線程執行完畢，并打印 data 所持有的值。

RwLock 是一種讀寫鎖，它允許多個線程同時讀取共享數據，但只允許一個線程寫入共享數據。在 Rust 中，可以通過標準庫中的 std::sync::RwLock 類型來實現 RwLock。以下是一個示例：

use std::sync::RwLock;
fn main() {
    let data = RwLock::new(0);
    let mut handles = vec![];
    for _ in 0..10 {
        let handle = std::thread::spawn(move || {
            let data = data.read().unwrap();
            println!("Thread {}: read data {}", std::thread::current().id(), *data);
        });
        handles.push(handle);
    }
    let handle = std::thread::spawn(move || {
        let mut data = data.write().unwrap();
        *data += 1;
        println!("Thread {}: write data {}", std::thread::current().id(), *data);
    });
    handles.push(handle);
    for handle in handles {
        handle.join().unwrap();
    }
}

在這個例子中，我們創建了一個 RwLock<i32> 類型的值，并將其賦值給 data 變量。然后，我們創建了 10 個線程，并在每個線程中獲取 data 的不可變引用，并打印其所持有的值。接著，我們創建了一個新的線程，并獲取 data 的可變引用，并通過加 1 的方式修改其所持有的值。最后，我們等待所有線程執行完畢。

需要注意的是，在使用 Mutex 和 RwLock 時，需要使用 unwrap() 方法來處理鎖的獲取失敗的情況。如果在獲取鎖時發生了死鎖，程序會阻塞在該位置。因此，在使用鎖時需要注意避免死鎖的情況。 在 Rust 中，為了保證線程安全和內存安全，訪問可變的共享數據通常需要使用同步原語，例如 Mutex 和 RwLock，或者通過引用計數等方式。然而，有時候我們需要在 Rust 中使用一些類似 C 的指針操作，這時就需要使用 unsafe 關鍵字來打破 Rust 的內存安全限制。

Rust 標準庫中提供了一個 Cell<T> 類型，它允許在不使用 Mutex 或 RwLock 的情況下，在多個線程之間共享可變數據。但是，由于 Cell<T> 不是線程安全的，因此在多線程環境下使用它會導致數據競爭和內存安全問題。

為了解決這個問題，Rust 提供了 UnsafeCell<T> 類型，它可以安全地包含不可變類型 T 或可變類型 &mut T，并且可以用于實現線程安全的數據結構。使用 UnsafeCell<T> 需要使用 unsafe 關鍵字，并遵循 Rust 的內存安全規則。

以下是一個示例，演示如何使用 UnsafeCell<T> 來實現一個線程安全的計數器：

rustCopy code
use std::sync::atomic::{AtomicUsize, Ordering};
use std::cell::UnsafeCell;
use std::thread;
struct Counter {
    count: UnsafeCell<usize>,
    sync: AtomicUsize,
}
impl Counter {
    fn new() -> Counter {
        Counter {
            count: UnsafeCell::new(0),
            sync: AtomicUsize::new(0),
        }
    }
    fn inc(&self) {
        let old_sync = self.sync.load(Ordering::SeqCst);
        let new_sync = old_sync.wrapping_add(1);
        while self.sync.compare_and_swap(old_sync, new_sync, Ordering::SeqCst) != old_sync {
            old_sync = self.sync.load(Ordering::SeqCst);
            new_sync = old_sync.wrapping_add(1);
        }
        let count = unsafe { &mut *self.count.get() };
        *count += 1;
        self.sync.fetch_add(1, Ordering::SeqCst);
    }
    fn get(&self) -> usize {
        let old_sync = self.sync.load(Ordering::SeqCst);
        let new_sync = old_sync.wrapping_add(1);
        while self.sync.compare_and_swap(old_sync, new_sync, Ordering::SeqCst) != old_sync {
            old_sync = self.sync.load(Ordering::SeqCst);
            new_sync = old_sync.wrapping_add(1);
        }
        let count = unsafe { &*self.count.get() };
        let result = *count;
        self.sync.fetch_add(1, Ordering::SeqCst);
        result
    }
}
fn main() {
    let counter = Counter::new();
    let mut handles = vec![];
    for _ in 0..10 {
        let handle = thread::spawn(move || {
            for _ in 0..10000 {
                counter.inc();
            }
        });
        handles.push(handle);
    }
    for handle in handles {
        handle.join().unwrap();
    }
    println!("Result: {}", counter.get());
}

在這個例子中，我們創建了一個 Counter 結構體，它包含了一個 UnsafeCell<usize> 類型的字段 count，以及一個 AtomicUsize 類型的字段 sync。 UnsafeCell<T> 類型的作用是允許對其內部的值進行修改，即使是在不可變引用的情況下。AtomicUsize 是一個原子類型，它可以在多個線程之間安全地共享一個整數值。

Counter 結構體實現了 inc 方法和 get 方法，分別用于增加計數器的值和獲取計數器的值。這些方法通過對 sync 字段進行 CAS 操作來實現線程安全，以避免競爭條件。同時，它們也使用了 UnsafeCell 來獲取計數器的可變引用。 需要注意的是，使用 UnsafeCell 時需要遵循 Rust 的內存安全規則。如果你不小心在多個線程之間訪問了同一個 UnsafeCell，那么就可能會出現數據競爭和其它的內存安全問題。因此，一定要謹慎地使用 UnsafeCell，確保正確地處理內存安全問題。

rust 中的線程安全 Send 和 Sync

在 Rust 中，線程安全是一個很重要的概念，因為 Rust 的并發模型是基于線程的。為了確保線程安全，Rust 提供了兩個 trait，分別是 Send 和 Sync。

Send trait 表示一個類型是可以安全地在線程間傳遞的。具體來說，實現了 Send trait 的類型可以被移動到另一個線程中執行，而不會出現數據競爭或其它的線程安全問題。對于基本類型（如整數、浮點數、指針等）和大多數標準庫類型，都是 Send 的。對于自定義類型，只要它的所有成員都是 Send 的，那么它也是 Send 的。

Sync trait 表示一個類型在多個線程間可以安全地共享訪問。具體來說，實現了 Sync trait 的類型可以被多個線程同時訪問，而不會出現數據競爭或其它的線程安全問題。對于大多數標準庫類型，都是 Sync 的。對于自定義類型，只要它的所有成員都是 Sync 的，那么它也是 Sync 的。

需要注意的是，Send 和 Sync trait 是自動實現的，也就是說，如果一個類型的所有成員都是 Send 或 Sync 的，那么它就是 Send 或 Sync 的，無需手動實現這兩個 trait。不過，如果一個類型包含了非 Send 或非 Sync 的成員，那么它就無法自動實現這兩個 trait，需要手動實現。

• 在實際使用中，Send 和 Sync trait 通常用于泛型類型約束和函數簽名中，以確保類型的線程安全性。比如，一個函數的參數必須是 Send 類型的，才能被跨線程調用；一個泛型類型的參數必須是 Sync 類型的，才能被多個線程同時訪問。

線程阻塞和喚醒

在 Rust 中，線程的阻塞和喚醒是通過操作系統提供的原語來實現的。操作系統提供了一些系統調用（如 pthread_cond_wait、pthread_cond_signal 等），可以讓線程進入睡眠狀態，并在條件滿足時被喚醒。這些系統調用通常被封裝在 Rust 的標準庫中，以便于使用。

除了操作系統提供的原語外，Rust 還提供了一個名為 parking_lot 的庫，用于實現線程的阻塞和喚醒。parking_lot 庫提供了兩種阻塞和喚醒線程的機制，分別是 Mutex 和 Condvar。

Mutex 是一種常見的同步原語，用于保護共享資源的訪問。當一個線程想要獲取一個被 Mutex 保護的資源時，如果該資源已經被其它線程占用，那么該線程就會被阻塞，直到該資源被釋放。Mutex 的實現通常使用了操作系統提供的原語，以確保線程的阻塞和喚醒是正確的。

Condvar 是一種條件變量，用于在特定條件滿足時喚醒等待的線程。當一個線程想要等待一個條件變量時，它會先獲取一個 Mutex，然后調用 wait 方法等待條件變量。如果條件變量未滿足，該線程就會被阻塞。當條件變量滿足時，另一個線程會調用 notify_one 或 notify_all 方法來喚醒等待的線程。Condvar 的實現通常也使用了操作系統提供的原語，以確保線程的阻塞和喚醒是正確的。

需要注意的是，parking_lot 庫雖然是 Rust 標準庫的一部分，但它并不是操作系統提供的原語，而是使用了自己的算法實現的。因此，雖然 parking_lot 庫提供了比標準庫更高效的同步機制，但在某些特定的場景下，操作系統提供的原語可能會更加適合。在選擇同步機制時，需要根據實際的需求和性能要求來進行選擇。

讀到這里，這篇“Rust Atomics and Locks并發基礎實例代碼分析”文章已經介紹完畢，想要掌握這篇文章的知識點還需要大家自己動手實踐使用過才能領會，如果想了解更多相關內容的文章，歡迎關注億速云行業資訊頻道。