rust中的sync和send

[BruceChen7]

参考资料

• (upper:: rust基本使用)

如何保证共享数据多线程安全

解决的办法也很简单（理论上）：

• 共享只读数据。
• 不共享数据。
• 保护好共享的数据
• 保证数据被访问的时候是valid的

共享只读数据

• 共享只读数据就是在多线程中，只能对变量进行读操作，不能进行写操作。
• 只对数据进行只读操作呢？ 是Rust类型系统里面规定了，引用在任何时候只能是下面两种情况之一，而不能同时存在：
  • 有任意个只读引用
  • 有一个可变引用（通过这个引用可以修改引用的变量）
• 这样就会防止数据在一个线程被写，而在另外的线程被读取或者写。

(concept:: Sync 和 Send, 'static))

• 除了任何时候只能有任意个只读引用或者仅有一个可变引用（不能同时共存）的限制外，
• Rust对多线程的保证，还在于 Sync和Send, 'static。

Send

• 不共享数据就是**不要在多线程中共享变量，

• Rust对此在编译器做了保证，防止不共享的变量被共享了，而这靠的就是Send trait。

• Send在多线程程序中起到了什么作用呢？满足Send，说明这个变量可以安全的在线程间转移。

• 实现了Send trait表示是所有权类型

• 不共享数据的时候，我们可以直接将变量move给生成的线程，这样，数据就被这个线程独有了。比如

  let v = vec![1, 2, 3];
  
  let handle = thread::spawn(move || {
      println!("Here's a vector: {:?}", v);
  });
  
  handle.join().unwrap();

  • vector v 在主线程创建以后，直接move给了生成的线程，那么除了那个线程，没有其他的地方可以使用这个vector。
  • 如果其他地方使用这个vector（比如，我们在handle.join().unwrap() ）前面尝试打印vector，Rust就会报错
  • 数据要在线程之间被move需要满足Send trait。如果我们move的变量不满足Send，那么Rust将禁止程序编译通过。
    • Rc<usize>，如果move它，在多线程编程中就会报错
    • 报错的重要一句话是 Rc<i32> 不能 send 在threads safely
    • 比如上面报错的Rc。因为Rc不是多线程安全的引用计数，对应Rc并且线程安全的引用计数是Arc。
      Send：

• 满足Send约束的类型，能在多线程之间安全的排它使用（Exclusive access is thread-safe），所有权类型

• 满足Send约束的类型T，表示T和&mut T（mut表示能修改这个引用，甚至于删除即drop这个数据）这两种类型的数据能在多个线程之间传递

  • 直白些：能在多个线程之间move值以及修改引用到的值。

Sync

• 需要又读又写共享的数据时，Rust要求共享的被读写的数据满足Sync trait。
• 如果数据不满足Sync trait，但被共享于多线程中，编译器就会报错。
  • 因为只有被保护的数据才会满足Sync，而被保护了，就说明它可以安全地在多线程间共享。
    • 比如当用RefCell不能用于多线程，主要的信息是RefCell cannot be shared between threads safely
    • 因为RefCell里面的数据结构没有被保护，所以不能用于多线程中。需要使用Mutex对数据进行保护，才能将数据用于多线程中读和写。所以需要将RefCell<usize>改成Mutex<RefCell<usize>>
    • 类型的实例可以被存储在可以跨线程访问的集合中，例如sd::sync::Arc、std::sync::Mutex、std::sync::RwLock等
• Sync 和Send的关系很微妙，Sync可以理解为是Send的辅助
  • 一个类型实现了Sync trait，不一定就实现了Send trait，
  • 如果一个类型实现了Send trait，那么它一定也实现了Sync trait。
• Sync：
  • 满足Sync约束的类型，能在多线程之间安全的共享使用（Shared access is thread-safe）。
  • 满足Sync约束的类型T，只表示该类型能在多个线程中读共享，即：不能move，也不能修改，仅仅只能通过引用&T来读取这个值。
• 一个类型&T的只有在满足Send约束的条件下，类型T才能满足Sync约束 (a type T is Sync if and only if &T is Send)。即：T: Sync ≡ &T: Send。
  • 这是因为将数据的引用发送到另一个线程并不会实际移动数据，而只是共享对数据的指针。
  • 因此，如果安全地将数据的引用发送到另一个线程，则该数据本身也可以同时从多个线程访问。
• 对于那些基本的类型（primitive types）而言，比如i32类型，大多是同时满足Send和Sync这两个约束的，因为这些类型的共享引用（&）既能在多个多个线程中使用。

'static

• Send和Sync，规定了多线程中，只能使用线程安全的数据。
• 使用没有GC(Garbage Collection）的编程语言时，多线程程序还要注意保证被共享的数据在被访问的时候是有效的。如果访问无效的数据，**比如Use-after-free，那么就会有Undefined Behavior。
• 在Rust里面每一个数据都具有owner，当owner失效的时候，数据就被释放/析构。
• 如果数据被用于多线程中，那么线程要么单独own这个数据，也就是我们前文所说的数据被move到线程中；
• 要么数据具有'static的生命周期。

什么是'static的生命周期呢？

• 'static的生命周期表示 这个变量需要存活多久就可以存活多久。满足这个条件的有三种情况：
  • 这个数据存活得跟包含它的程序一样长，也就是数据在程序退出的时候才会被释放/析构。
    • 比如static的变量，它们在程序被load的时候存在，在程序被unload的时候释放；
    • 比如literal string，它们保存在程序的二进制代码中
  • 这个变量是owned type。
    • 什么是owned type呢？，就是这个变量是完全占有(own)这个数据，也就是所有权类型
    • 比如String， Vector，还有primitive type, usize, i64等等。
    • 所以编写多线程程序的时候，可以选择使用owned type将变量move到线程里面（这就是第一点不共享数据）；
    • 当数据是share onwership的时候，就使用引用计数，结合Send和Sync来进行多线程编程。
  • 'static生命周期的第三种情况是如果变量包含引用，那么它只包含其他'static生命周期的引用。
    • 显然，虽然这种情况，变量不拥有对应的数据，但是引用是'static，那么它也可以存活得想要多长就多长。

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