Rust Atomics and Locks内存序Memory Ordering详解

2023-02-27 11:02:28 内存详解 Atomics

Rust内存序

Memory Ordering规定了多线程环境下对共享内存进行操作时的可见性和顺序性，防止了不正确的重排序（Reordering）。

重排序和优化

重排序是指编译器或CPU在不改变程序语义的前提下，改变指令的执行顺序。在单线程环境下，重排序可能会带来性能提升，但在多线程环境下，重排序可能会破坏程序的正确性，导致数据竞争、死锁等问题。

Rust提供了多种内存序，包括Acquire、Release、AcqRel、SeqCst等。这些内存序规定了在不同情况下，线程之间进行共享内存的读写时应该保持的顺序和可见性。

除了内存序之外，编译器还可以进行优化，例如常数折叠、函数内联等。这些优化可能会导致指令重排，从而影响多线程程序的正确性。为了避免这种情况，Rust提供了关键字volatile和compiler_fence来禁止编译器进行优化，保证程序的正确性。

总的来说，Rust的内存序机制和优化控制机制可以帮助程序员在多线程环境下编写高效且正确的程序。下面是一个简单的 Rust 代码示例，它演示了 Rust 中的代码重新排序和优化如何影响程序行为：

use std::sync::{Arc, Mutex};
use std::thread;
fn main() {
    let shared_counter = Arc::new(Mutex::new(0));
    let mut threads = vec![];
    for i in 0..10 {
        let counter = shared_counter.clone();
        let t = thread::spawn(move || {
            let mut num = counter.lock().unwrap();
            *num += i;
        });
        threads.push(t);
    }
    for t in threads {
        t.join().unwrap();
    }
    let final_counter = shared_counter.lock().unwrap();
    println!("Final value: {}", *final_counter);
}

在这个示例中，我们创建了一个共享计数器 shared_counter，它被多个线程并发地访问和修改。为了保证线程安全，我们使用了一个 Mutex 来对计数器进行互斥访问。

在主线程中，我们创建了 10 个子线程，并让它们分别增加计数器的值。然后我们等待所有线程都执行完毕后，打印出最终的计数器值。

在这个示例中，由于 Rust 的内存序保证，所有对共享变量的访问和修改都按照程序中的顺序进行。也就是说，每个线程增加计数器的值的操作不会重排到其他线程之前或之后的位置。

不过，如果我们在代码中加入一些优化指令，就可能会破坏这种顺序。比如，下面这段代码就使用了 fence 指令来保证所有线程对共享变量的修改都在主线程中得到了同步：

use std::sync::{Arc, Mutex};
use std::thread;
fn main() {
    let shared_counter = Arc::new(Mutex::new(0));
    let mut threads = vec![];
    for i in 0..10 {
        let counter = shared_counter.clone();
        let t = thread::spawn(move || {
            let mut num = counter.lock().unwrap();
            *num += i;
            std::sync::atomic::fence(std::sync::atomic::Ordering::SeqCst);
        });
        threads.push(t);
    }
    for t in threads {
        t.join().unwrap();
    }
    let final_counter = shared_counter.lock().unwrap();
    println!("Final value: {}", *final_counter);
}

在这个示例中，我们在每个子线程结束时都加入了一个 fence 指令，来确保所有线程对共享变量的修改都在主线程中得到了同步。这样一来，虽然所有线程对计数器的修改仍然是并发进行的，但它们对计数器的修改操作的顺序可能会被重新排序，从而导致最终的计数器值与期望值不同。但是，这可能是由于编译器的优化策略和硬件平台的差异所导致的。在某些情况下，编译器可能会选择不进行代码重排或重新优化，因为这可能会影响程序的正确性。但是，在其他情况下，编译器可能会根据其优化策略和目标平台的特性来对代码进行重排和重新优化，这可能会导致程序的行为发生变化。

happens-before

Rust内存模型中的“happens-before”原则指的是，如果一个操作A happens before 另一个操作B，那么A在时间上先于B执行，而且A对内存的影响对于B是可见的。这个原则被用来解决多线程环境下的数据竞争问题，确保程序的执行顺序是有序的，避免出现未定义的行为。

具体来说，Rust内存模型中的happens-before原则包括以下几个方面：

内存同步操作：Rust的内存同步操作（如acquire、release、acqrel、seq_cst）会创建一个happens-before的关系，保证该操作之前的所有内存访问对该操作之后的内存访问都是可见的。
锁机制：Rust的锁机制（如Mutex、RwLock）也会创建happens-before的关系，保证锁内的操作是有序的，避免数据竞争问题。
线程的启动和结束：Rust的线程启动函数（如thread::spawn）会创建happens-before的关系，保证线程启动之前的所有内存访问对于该线程中的所有操作都是可见的。线程结束时也会创建happens-before的关系，保证该线程中的所有操作对于其他线程都是可见的。
Atomics：Rust的原子类型（如AtomicBool、AtomicUsize）也会创建happens-before的关系，保证对于同一个原子变量的多次操作是有序的，避免数据竞争问题。

总之，Rust内存模型中的happens-before原则确保程序的执行顺序是有序的，避免出现未定义的行为，从而帮助开发者避免数据竞争问题。

Relexed Ordering

在 Rust 中，Relaxed Ordering 是一种较弱的内存顺序，它允许线程在不同于程序中写入顺序的顺序中读取或写入数据，但不会导致未定义的行为。

Relaxed Ordering 主要应用于不需要同步的操作，比如单线程的计数器、读取全局配置等场景。使用 Relaxed Ordering 可以避免不必要的内存屏障，提高程序的性能。

在 Rust 中，可以通过 std::sync::atomic::AtomicXXX 类型来使用 Relaxed Ordering。比如下面这个示例：

use std::sync::atomic::{AtomicUsize, Ordering};
fn main() {
    let counter = AtomicUsize::new(0);
    counter.fetch_add(1, Ordering::Relaxed);
    let value = counter.load(Ordering::Relaxed);
    println!("counter: {}", value);
}

在这个示例中，我们使用 AtomicUsize 类型创建了一个计数器 counter，然后使用 fetch_add 方法对计数器进行自增操作，并使用 load 方法读取当前计数器的值。在 fetch_add 和 load 方法中，我们使用了 Ordering::Relaxed 参数，表示这是一个 Relaxed Ordering 的操作，不需要执行额外的内存屏障。

需要注意的是，使用 Relaxed Ordering 时需要保证程序中不存在数据竞争。如果存在数据竞争，就可能会导致内存重排和未定义的行为。因此，建议仅在确信不会出现数据竞争的情况下使用 Relaxed Ordering。

Release 和 Acquire Ordering

在 Rust 中，Release 和 Acquire Ordering 通常用于实现同步原语，例如 Mutex 和 Atomic 原子类型，以确保线程之间的正确同步。

Acquire Ordering 表示一个读取操作所需的同步操作。在读取操作之前，必须确保任何在之前的写入操作都已经完成，并且这些写入操作对其他线程可见。在 Acquire Ordering 中，读取操作前的任何写入操作都不能被重排序到读取操作之后。

Release Ordering 表示一个写入操作所需的同步操作。在写入操作之后，必须确保任何在之后的读取操作都能够看到这个写入操作的结果，并且这个写入操作对其他线程可见。在 Release Ordering 中，写入操作后的任何读取操作都不能被重排序到写入操作之前。

下面是一个简单的示例，说明了如何使用 Release 和 Acquire Ordering 来同步多个线程对共享状态的访问：

use std::sync::atomic::{AtomicUsize, Ordering};
use std::thread;
static SHARED_STATE: AtomicUsize = AtomicUsize::new(0);
fn main() {
    let mut threads = Vec::new();
    for i in 0..5 {
        let thread = thread::spawn(move || {
            let mut local_state = i;
            // 等待其他线程初始化
            thread::sleep_ms(10);
            // 将本地状态更新到共享状态中
            SHARED_STATE.store(local_state, Ordering::Release);
            // 读取共享状态中的值
            let shared_state = SHARED_STATE.load(Ordering::Acquire);
            println!("Thread {}: Shared state = {}", i, shared_state);
        });
        threads.push(thread);
    }
    for thread in threads {
        thread.join().unwrap();
    }
}

在这个例子中，五个线程将本地状态更新到共享状态中，并读取其他线程更新的共享状态。为了确保正确的同步，我们使用 Release Ordering 来保证写入操作的同步，Acquire Ordering 来保证读取操作的同步。在每个线程中，我们使用 thread::sleep_ms(10) 使所有线程都能够开始执行，并等待其他线程完成初始化。在主线程中，我们使用 join 等待所有线程完成。运行此程序，输出可能类似于以下内容：

Thread 0: Shared state = 3
Thread 1: Shared state = 0
Thread 2: Shared state = 2
Thread 3: Shared state = 1
Thread 4: Shared state = 4

这表明每个线程都能够正确地读取其他线程更新的共享状态，并且写入操作在读取操作之前完成。

SeqCst Ordering

SeqCst是Rust内存模型中的一种内存顺序，它保证了所有的操作都按照顺序执行。SeqCst可以用于实现最严格的同步，因为它确保了所有线程都看到相同的执行顺序，因此被广泛用于实现同步原语。如果无法确认使用哪种排序的话，可以直接使用SeqCst

使用SeqCst内存顺序时，读操作和写操作的执行顺序都是全局可见的，因此可以避免数据竞争和其他问题。但是SeqCst内存顺序会导致一些性能问题，因为它要求所有线程都同步执行，这可能会导致一些线程被阻塞。

以下是一个简单的示例，展示了如何在Rust中使用SeqCst内存顺序：

use std::sync::atomic::{AtomicBool, Ordering};
fn main() {
    let val = AtomicBool::new(false);
    val.store(true, Ordering::SeqCst);
    let result = val.load(Ordering::SeqCst);
    println!("Result: {}", result);
}

在这个示例中，我们创建了一个AtomicBool类型的变量val，并将其初始值设置为false。然后，我们使用store方法将其值设置为true，并使用load方法读取它的值。在这里，我们使用了SeqCst内存顺序，以确保所有线程都按顺序执行。在这个例子中，程序会输出Result: true，因为我们使用了SeqCst内存顺序，保证了所有线程都看到相同的执行顺序。

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