Rust Atomics and Locks 源码解读

2023-02-27 11:02:43 rust 源码解读

正文

在 Rust 中，原子性操作是指在多线程并发环境下对共享数据进行操作时，保证操作的原子性，即不会出现数据竞争等问题。Rust 提供了原子类型和原子操作来支持多线程并发编程。

Rust 的原子类型包括 AtomicBool、AtomicIsize、AtomicUsize、AtomicPtr 等。这些类型的实现都使用了底层的原子操作指令，保证了它们的读写操作是原子的，不会被其他线程中断。

在 Rust 中，原子操作由 std::sync::atomic 模块提供。该模块提供了一系列原子操作函数，包括：

load：原子读取一个原子类型的值。
store：原子写入一个原子类型的值。
swap：原子交换一个原子类型的值。
compare_and_swap：原子比较并交换一个原子类型的值。
fetch_add、fetch_sub、fetch_and、fetch_or、fetch_xor 等：原子地对一个原子类型进行加减、位运算等操作。

需要注意的是，原子操作并不是万能的，不能完全避免所有的数据竞争问题。例如，如果多个线程都对同一个原子类型进行操作，就有可能出现ABA问题。为了避免这种问题，Rust 还提供了 std::sync::Arc、std::sync::Mutex、std::sync::RwLock 等同步原语，可以更好地保证线程安全。

总之，Rust 的原子类型和原子操作可以让我们在多线程并发编程中更加安全和高效地操作共享数据。但需要注意，正确地使用原子类型和原子操作需要对并发编程有深刻的理解，并避免过度依赖原子操作来避免竞态条件。

load 和 store

load 和 store 是原子类型的两个基本操作函数。load 函数用于原子地读取一个原子类型的值，而 store 函数用于原子地写入一个原子类型的值。

下面是具体的代码案例：

use std::sync::atomic::{AtomicI32, Ordering};
fn main() {
    // 创建一个原子整数类型，并设置初始值为 42
    let counter = AtomicI32::new(42);
    // 原子地读取计数器的值
    let value = counter.load(Ordering::Relaxed);
    println!("counter value: {}", value);
    // 原子地将计数器的值增加 10
    counter.store(value + 10, Ordering::Relaxed);
    // 原子地读取计数器的新值
    let new_value = counter.load(Ordering::Relaxed);
    println!("new counter value: {}", new_value);
}

在这个例子中，我们创建了一个原子整数类型 AtomicI32，并设置初始值为 42。接着，我们使用 load 函数原子地读取了计数器的值，并使用 store 函数原子地将计数器的值增加 10。最后，我们又使用 load 函数原子地读取了计数器的新值，并打印输出。

需要注意的是，load 和 store 函数都需要指定一个 Ordering 参数。Ordering 参数用于指定原子操作的内存顺序，可以控制不同线程之间的操作顺序，以及对其他共享变量的影响。具体来说，Ordering 参数有以下几种取值：

Relaxed：表示对内存顺序没有任何要求。
Acquire：表示读取操作需要获取锁或同步，用于同步其他线程对内存的修改。
Release：表示写入操作需要释放锁或同步，用于同步其他线程对内存的读取。
AcqRel：表示既需要获取锁或同步，又需要释放锁或同步。
SeqCst：表示需要严格按照顺序执行所有原子操作。

一般来说，使用 Relaxed 内存顺序可以获得最好的性能，但可能会出现一些意想不到的行为。而使用 SeqCst 内存顺序可以获得最严格的同步语义，但也会牺牲一些性能。具体使用哪种内存顺序需要根据具体情况进行权衡。

使用 AtomicBool实现通知线程停止的案例

use std::sync::atomic::{AtomicBool, Ordering};
use std::sync::Arc;
use std::thread;
fn main() {
    // 创建一个原子布尔类型，并设置初始值为 false
    let running = Arc::new(AtomicBool::new(true));
    // 创建一个新线程，用于执行耗时的操作
    let running_clone = Arc::clone(&running);
    let handle = thread::spawn(move || {
        loop {
            // 检查是否需要停止运行
            if !running_clone.load(Ordering::Relaxed) {
                break;
            }
            // 执行耗时的操作
            println!("working...");
            // 模拟耗时操作
            thread::sleep(std::time::Duration::from_secs(1));
        }
    });
    // 等待一段时间后通知线程停止运行
    thread::sleep(std::time::Duration::from_secs(5));
    running.store(false, Ordering::Relaxed);
    // 等待线程执行完毕
    handle.join().unwrap();
}

在这个例子中，我们创建了一个原子布尔类型 AtomicBool，并设置初始值为 true。接着，我们创建了一个新线程，用于执行耗时的操作。在循环中，我们首先检查 running 变量的值，如果为 false，则退出循环，停止运行。否则，我们执行耗时的操作，并模拟一秒钟的等待时间。

在主线程中，我们等待 5 秒钟后，将 running 变量的值设为 false，通知线程停止运行。最后，我们等待线程执行完毕，并调用 join 方法等待线程结束。

需要注意的是，我们在设置 running 变量的值时使用了 Ordering::Relaxed，这意味着对 running 变量的修改不需要同步到其他线程中。在这个例子中，由于只有一个线程在修改 running 变量的值，因此使用 Relaxed 订单是安全的。如果在实际代码中需要更强的同步保证，应该使用更高级别的 Ordering 订单，例如 Ordering::Acquire 和 Ordering::Release。

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使用 AtomicBool实现通知线程停止的案例