Rust标准库中的同步介绍

https://doc.rust-lang.org/std/sync/index.html

有用的同步原语。

同步化的需要

从概念上讲，Rust程序是指在计算机上执行的一系列操作。程序中发生事件的时间线与代码中的操作顺序是一致的。

考虑一下下面的代码，在一些全局静态变量上进行操作。

static mut A: u32 = 0;
static mut B: u32 = 0;
static mut C: u32 = 0;

fn main() {
    unsafe {
        A = 3;
        B = 4;
        A = A + B;
        C = B;
        println!("{} {} {}", A, B, C);
        C = A;
    }
}

看起来好像是改变了一些存储在内存中的变量，进行了一次加法，结果存储在A中，变量C被修改了两次。

当只涉及到一个线程时，结果和预期的一样：7 4 4 4行被打印出来。

至于幕后会发生什么，当启用优化后，最终生成的机器代码可能会和代码中的样子大不相同。

第一个存储到C的存储可能会被移到A或B之前，就像我们写的C = 4; A = 3; B = 4一样。
A+B的赋值可能会被删除，因为和可以存储在一个临时位置，直到它被打印出来，而全局变量永远不会被更新。
最终的结果可以通过在编译时查看代码来确定，所以恒定折叠可能会把整个代码块变成一个简单的println!(“7 4 4 4”)。

编译器可以执行这些优化的任意组合，只要最终优化后的代码在执行时，产生的结果与没有优化的代码相同。

由于现代计算机的并发性，对程序执行顺序的假设往往是错误的。对全局变量的访问可能会导致非确定性的结果，即使是在编译器优化被禁用的情况下，仍然有可能引入同步bug。

需要注意的是，由于Rust的安全保证，访问全局（静态）变量需要不安全的代码，假设我们没有使用本模块中的任何同步基元，那么访问全局（静态）变量就需要不安全的代码。

越级执行

由于各种原因，指令的执行顺序可能与我们定义的顺序不同。

编译器重排序：如果编译器可以在更早的时候发出指令，它就会尝试这样做。例如，它可能会在代码块的顶部吊起内存负载，这样CPU就可以开始从内存中预取值。
在单线程场景中，当编写信号处理程序或某些类型的低级代码时，这可能会引起问题。使用编译器栅栏来防止这种重新排序。
单个处理器执行指令的顺序失序。现代CPU能够超尺度执行，即可能同时执行多条指令，即使机器代码描述的是一个顺序过程。

这种重排序是由CPU透明地处理的。

一个多处理器系统同时执行多个硬件线程的情况。在多线程场景中，可以使用两种基元来处理同步问题。
- 内存栅栏，确保内存访问以正确的顺序被其他CPU看到。
- 二是原子操作，以确保同时访问同一内存位置不会导致非定义行为。

更高层次的同步对象

大多数低级的同步原语都相当容易出错，使用起来也不方便，这也是为什么标准库也暴露了一些更高级别的同步对象的原因。

这些抽象对象可以从低级原语中构建出来。为了提高效率，标准库中的同步对象通常是在操作系统内核的帮助下实现的，当线程在获取锁时被阻塞时，内核能够对线程进行重新安排。

下面是可用的同步对象的概述：

Arc：原子引用计数（Atomically Reference-Counted）指针，可以在多线程环境下使用，以延长某些数据的使用寿命，直到所有线程都使用完为止。
Barrier：屏障。确保多个线程相互等待对方到达程序中的某个点，然后再一起继续执行。
Condvar：条件变量，提供在等待事件发生时阻止一个线程的能力。
mpsc：多生产者，单消费（Multi-producer, single-consumer）队列，用于基于消息的通信。可以提供轻量级的线程间同步机制，代价是增加一些额外的内存。
互斥机制(Mutex)。互斥机制，确保每次最多只有一个线程能够访问一些数据。
Once：用于全局变量的线程安全的一次性初始化。
RwLock：用于全局变量的初始化。提供了一个相互排斥机制，允许多个读同时访问，同时一次只允许一个写。在某些情况下，这可能比mutex更有效。