Rust—无锁并发模型编程

Rust语言在并发编程领域的一大特色是其无锁并发模型，这主要得益于其所有权系统和生命周期的概念，以及对内存安全的静态保证。在Rust中，无锁编程是指在不使用传统的互斥锁、读写锁等同步原语的情况下，实现线程安全的并发数据结构和算法。下面是Rust无锁并发编程的关键点：

所有权系统

• 所有权：Rust的核心特性之一，每个值都有一个明确的所有者，当所有者超出作用域时，值会被自动清理，这减少了内存管理的复杂性和竞态条件的风险。
• 借用：通过引用和借用检查器（Borrow Checker），Rust在编译时强制执行所有权规则，确保同一时间内只有一个可变引用或多个不可变引用存在，避免数据竞争。

生命周期

• 生命周期管理：Rust的生命周期概念帮助编译器理解数据的存活时间，确保引用不会悬空，这对于无锁编程至关重要，因为它防止了并发访问已释放的内存。

原子操作

• 原子操作是无锁并发原语的核心
• 原子类型：Rust标准库提供了std::sync::atomic模块，其中包括原子整型和布尔类型，以及原子引用等。原子操作允许在多线程环境中进行安全的内存访问，而不必加锁。
• 无锁数据结构：通过原子操作和内存序（memory ordering）控制，可以构建无锁数据结构，如无锁队列、栈等，这些数据结构在多线程环境中可以安全地并发读写，而不需要显式锁。

1. Rust实现无锁并发编程的关键在于利用原子类型和原子操作。这些操作可以在多线程环境中直接在硬件层面进行，无需操作系统介入，从而避免了传统锁机制的开销和竞争条件。Rust标准库中的std::sync::atomic模块提供了多种原子类型和操作，包括：
• AtomicPtr, AtomicBool, AtomicUsize, AtomicIsize, AtomicU8...AtomicU64, AtomicI8...AtomicI64：这些类型代表可以原子地读取和修改的整数或布尔值。
• 原子操作：包括但不限于compare_and_swap (CAS)，load，store，fetch_add等，这些操作提供了在多线程环境下安全修改原子类型的方法，同时确保操作的原子性和内存顺序。
2. 利用原子操作，可以构建一系列无锁数据结构，例如：
• 无锁队列（如crossbeam-queue库中的队列）：通过CAS操作实现入队和出队操作，允许多个生产者和消费者并发操作。
• 无锁栈：同样利用原子操作来实现压栈和弹栈的原子性，确保并发安全性。
• 原子引用计数（Arc）：允许在多个所有者之间共享数据，是一种实现无锁共享的基础工具。

以下通过示例直观的观察无锁的实现：

• atomic1.rs

use std::sync::atomic::{AtomicUsize, Ordering,AtomicPtr};
use std::sync::Arc;
use std::thread;

#[derive(Clone, Debug)]
struct SharedData {
    // 使用AtomicUsize实现线程安全的计数器
    counter: Arc<AtomicUsize>,
    // 通过Arc共享不可变的字符串
    message: Arc<String>,
}

impl SharedData {
    fn new(message: &str) -> Self {
        SharedData {
            counter: Arc::new(AtomicUsize::new(0)),
            message: Arc::from(message.to_owned()),
        }
    }

    // 原子地增加计数器的值
    fn increment_counter(&self) {
        self.counter.fetch_add(1, Ordering::Relaxed);
    }

    // 获取当前计数器的值
    fn get_counter(&self) -> usize {
        self.counter.load(Ordering::SeqCst)
    }

    // 安全地获取共享的不可变消息
    fn get_message(&self) -> &str {
        &self.message
    }
}

#[test]
fn testmain() {
    // 创建共享数据实例
    let shared_data = SharedData::new("Initial Message");

    // 创建并运行线程来并发增加计数器的值
    let mut handles = vec![];
    for _ in 0..10 {
        let data_ref = shared_data.clone();
        let handle = thread::spawn(move || {
            // 增加计数器
            for _ in 0..100 {
                data_ref.increment_counter();
            }
            // 可以安全地读取但不可修改消息
            println!("Thread sees message: {}", data_ref.get_message());
        });
        handles.push(handle);
    }

    // 等待所有线程完成
    for handle in handles {
        handle.join().unwrap();
    }

    // 输出最终结果
    println!("Final Counter: {}", shared_data.get_counter());
    println!("Shared Message: {}", shared_data.get_message());
}

说明：

• 程序中通过AtomicUsize类型的counter字段实现了无锁的计数器。fetch_add方法在增加计数器时使用了原子操作，确保了即使在多线程环境下，每次增加操作也是不可分割的，避免了数据竞争和不一致，替代传统的锁机制（如互斥锁），消除了锁带来的性能开销和潜在的死锁风险。
• 使用Arc<T>（原子引用计数指针）来共享不可变数据（在这里是String类型的消息），允许多个线程安全地访问同一个数据副本，而无需额外的锁来保护数据。Arc内部通过原子操作来管理引用计数，确保了当所有引用消失时数据能够被正确清理，这也是无锁编程的一种体现，通过数据共享而非数据复制来提高效率和减少同步开销
• 通过clone方法为每个线程创建SharedData的引用，不会引起数据的深拷贝或加锁操作，这使得线程间的数据传递高效且无锁。每个线程独立地执行increment_counter操作，完全异步且无须等待其他线程释放锁资源。
• 在原子操作中选择内存序（Memory Ordering），如在fetch_add中使用了Ordering::Relaxed，在load中使用了Ordering::SeqCst保证了必要的同步要求，又避免了不必要的性能损失。

掌握上述示例中的一系列原子操作，可以举一反三，来实现rust中的无锁编程。

• Rust标准库提供了std::sync::atomic模块，但Rust标准库不直接提供针对复杂类型如String的原子操作原语，需要用户自定义实现，这里实现一个类似AtomicUsize的 AtomicString类型，应用于多线程无锁模式中，考虑到在并发原因的CAS中，并不能避免ABA问题(ABA问题这里不做详述)。所以，我在 AtomicString加入版本控制来解决这个问题。
• AtomicString.rs

use std::sync::atomic::{AtomicPtr, AtomicUsize, Ordering};
use std::sync::Arc;
use std::time::Duration;
use std::{ptr, thread};

struct AtomicString {
    ptr: Arc<AtomicPtr<String>>,
    version: Arc<AtomicUsize>,
}

impl AtomicString {
    fn new(s: String) -> Self {
        AtomicString {
            ptr: Arc::new(AtomicPtr::new(Box::into_raw(Box::new(s)))),
            version: Arc::new(AtomicUsize::new(0)),
        }
    }

    fn update(&self, new_val: String) {
        let mut spin_count = 0;
        let mut yield_count = 0;
        let new_ptr = Box::into_raw(Box::new(new_val));
        loop {
            let current_ptr = self.ptr.load(Ordering::Acquire);
            let current_version = self.version.load(Ordering::Acquire);
            let new_version = current_version + 1;

            if self
                .ptr
                .compare_exchange_weak(current_ptr, new_ptr, Ordering::Release, Ordering::Relaxed)
                .is_ok()
                && self
                    .version
                    .compare_exchange_weak(
                        current_version,
                        new_version,
                        Ordering::Release,
                        Ordering::Relaxed,
                    )
                    .is_ok()
            {
                unsafe {
                    if !current_ptr.is_null() {
                        drop(Box::from_raw(current_ptr));
                    }
                }
                break;
            } else {
                spin_count += 1;
                if spin_count >= 30 {
                    spin_count = 0;
                    yield_count += 1;
                    thread::yield_now();
                    if yield_count >= 15 {
                        thread::sleep(Duration::from_millis(1));
                        yield_count = 0;
                    }
                }
            }
        }
    }

    fn get(&self) -> Option<(String, usize)> {
        let ptr = self.ptr.load(Ordering::Acquire);
        if ptr.is_null() {
            None
        } else {
            let version = self.version.load(Ordering::Acquire);
            unsafe { Some(((*ptr).clone(), version)) }
        }
    }

}

说明：实现的核心在于update函数的实现。整个实现主要利用原子操作来实现无锁的更新和读取操作。

• new
• 接受一个String实例作为参数，将其转换为Box然后得到裸指针，用AtomicPtr持有，同时初始化版本号为0。
• update
• 自旋锁策略: 通过循环尝试更新字符串和版本号直到成功。使用compare_exchange_weak尝试原子地更新ptr和version，如果当前值未被其他线程改变，则更新成功。要说明的是，自旋锁并非必要的。自旋锁如果持续时间过长，会损耗大量CPU资源，所以我这里加入了让步策略。
• 让步策略: 当更新失败时，通过自旋（spin_count）和线程让步（thread::yield_now()）来减少CPU占用，达到一定次数后甚至短暂休眠（thread::sleep(Duration::from_millis(1))），以减少争用情况下的资源消耗。
• 释放内存: 成功更新后，通过unsafe块释放旧字符串的内存，确保内存安全。
• get
• 安全访问: 使用load(Ordering::Acquire)来获取当前字符串的指针，确保之前对字符串的更新对这次读取可见。
• 空检查与克隆: 检查指针是否为空，若非空，则通过unsafe调用(*ptr).clone()来安全地克隆出一个String实例返回。

当然，为了程序功能可以比较完整，还需要实现 Drop trait，使其在离开作用域时能及时清理释放资源。

impl Drop for AtomicString {
    fn drop(&mut self) {
        let ptr = self.ptr.load(Ordering::Relaxed);
        unsafe {
            if !ptr.is_null() {
                drop(Box::from_raw(ptr));
            }
        }
    }
}

Rust的无锁并发编程模型通过其强大的类型系统和所有权模型，在编译时提供了内存安全的并发保证，减少了运行时的开销，提升了程序的性能和可靠性。通过原子操作和精心设计的数据结构，开发者能够实现高性能的并发逻辑，避免了传统锁机制的潜在死锁和性能瓶颈。对此开发者可能需要更多深入理解并发编程的原理和Rust的特性。