《Rust Atomics and Locks》八问

[jiacai2050]

Rust 中的并发基础是什么？

Rust 中的并发基础始于主线程，它可以生成额外的线程。使用 std::thread::spawn 函数可以创建新线程，该函数接受一个函数或闭包作为参数，新线程会执行该函数或闭包。为了在线程间传递数据，可以使用 move 闭包来转移值的所有权。标准库还提供了 std::thread::Builder 用于更精细的线程控制，包括设置线程名称、栈大小以及处理生成失败的情况。

什么是作用域线程，它们如何提高安全性？

作用域线程是通过 std::thread::scope 函数创建的线程。它们的主要优势在于能够安全地借用局部变量，因为编译器可以保证这些线程不会比包含它们的那个作用域活得更久。std::thread::scope 函数接受一个闭包，该闭包获得一个代表作用域的参数，可以通过这个参数生成线程。当作用域结束时，所有未完成的线程都会被自动等待（joined）。这消除了传统线程中因为借用超出线程生命周期的变量而导致的编译器错误，从而提高了安全性。

Rust 中如何在线程间共享数据？

在 Rust 中，有几种方式可以在线程间共享数据：

• 静态值（Statics）: 静态值由整个程序“拥有”，在程序启动前就已经存在，并且永远不会被丢弃。任何线程都可以借用静态值，因为它们被保证一直存在。
• 内存泄漏（Leaking）: 使用 Box::leak 可以放弃 Box 的所有权，使其永不被丢弃，从而允许任何线程借用它。虽然名字听起来危险，但在某些场景下可以安全地用于共享数据。
• 共享引用计数（Shared Ownership and Reference Counting）: 使用 Arc（原子引用计数）可以在多个线程之间共享数据的所有权。当 Arc 的所有副本都被丢弃时，底层数据才会被清理。Arc 通常与 Mutex 或 RwLock 结合使用，以确保对共享数据的安全可变访问。

Rust 中的内部可变性是什么，它与共享和独占引用有什么关系？

内部可变性是指某些数据类型允许通过共享引用（&T）来改变其内部状态。这稍微“弯曲”了 Rust 的借用规则。虽然共享引用通常不允许变动，但具有内部可变性的类型（如 Cell, RefCell, Mutex, RwLock, Atomic* 类型）可以在某些条件下允许变动。更准确的术语是“共享”和“独占”引用：共享引用（&T）可以被复制和共享，而独占引用（&mut T）保证它是对该数据唯一的借用。在并发编程中，经常会遇到具有内部可变性的类型，通过它们可以在共享引用的情况下进行安全的变动。

Rust 中如何使用 Mutex 和 RwLock 进行同步？

Mutex（互斥锁）用于实现独占访问。当一个线程锁定一个未锁定的 Mutex 时，它立即获得锁并继续执行。当一个线程尝试锁定一个已经被锁定的 Mutex 时，该操作会阻塞，线程会进入睡眠状态，直到 Mutex 被解锁。Mutex 通常与 MutexGuard 类型结合使用，MutexGuard 提供了对被保护数据的独占引用，并且在自身超出作用域时会自动解锁 Mutex。

RwLock（读写锁）是 Mutex 的一个更复杂的版本，它区分独占访问（写入）和共享访问（读取）。它有三种状态：未锁定、被单个写者锁定、被任意数量的读者锁定。RwLock 允许多个线程同时获得共享（读取）锁，但只允许一个线程获得独占（写入）锁。这对于读操作远多于写操作的数据非常有用。与 Mutex 类似，RwLock 也使用 Guard 类型 (ReadGuard 和 WriteGuard) 来管理锁的生命周期。RwLock 的实现通常会考虑写者饥饿问题，即读者持续持有锁导致写者无法获得锁的情况。

原子操作在 Rust 中的作用是什么？

原子操作是不会被其他线程中断的操作，可以安全地用于在多个线程之间进行共享变量的读写和修改，而无需使用锁。Rust 通过 std::sync::atomic 模块提供了各种原子类型（如 AtomicBool, AtomicI32, AtomicUsize 等），它们支持原子加载、存储、交换、比较并交换以及各种“fetch-and-modify”操作（如 fetch_add, fetch_sub, fetch_or 等）。原子操作允许通过共享引用进行修改，这是通过内部可变性实现的。

内存顺序在 Rust 并发中的重要性是什么？

内存顺序（Memory Ordering）决定了原子操作对内存的可见性以及指令重排的影响。处理器和编译器为了提高性能可能会对指令进行重排。在多线程环境中，这可能导致一个线程观察到另一个线程操作内存的顺序与代码中指定的顺序不同，从而导致数据竞争和程序错误。Rust 提供了不同的内存顺序选项（如 Relaxed, Acquire, Release, AcqRel, SeqCst）来控制原子操作的内存可见性。Release 操作确保在此操作之前的所有内存写入对其他线程的 Acquire 操作可见。Acquire 操作确保在此操作之后的所有内存读取可以看到 Release 操作之前的所有内存写入。SeqCst 提供了最强的顺序保证，但也可能带来更高的性能开销。理解并正确使用内存顺序对于编写正确的无锁并发代码至关重要。

Rust 的并发原语如何与底层操作系统交互？

Rust 的标准库并发原语，如线程、Mutex、Condition Variables 和 RwLock，在不同的操作系统上通常是基于操作系统提供的底层同步原语实现的。例如，在 Linux 上，它们可能使用 futex（fast userspace mutexes）系统调用来实现线程的阻塞和唤醒。futex 允许线程在用户空间大部分时间进行同步，只有在发生竞争时才需要进入内核空间。在 Windows 上，标准库的实现可能基于 Windows API 提供的同步对象，如 SRW locks（Slim reader-writer locks），它们也是一种高效的读者-写者锁实现。通过依赖操作系统提供的低层原语，Rust 的并发库能够利用操作系统内核的调度功能来高效地管理线程和同步。