面试题：Rust中如何检测数据竞争

Question

在Rust编程中，简要描述你所知道的检测数据竞争的工具和方法，并举例说明如何使用其中一种工具来发现代码中的数据竞争问题。

Answer 1

检测数据竞争的工具和方法

1. Rust 编译器：Rust 编译器通过所有权和借用规则，在编译时检测大部分数据竞争问题。例如，不允许同时存在可变引用和不可变引用，或者多个可变引用指向同一数据，以此从根本上避免许多常见的数据竞争场景。
2. Rust Analyzer：这是一个 Rust 语言的 IDE 插件，它在代码编辑过程中，通过静态分析帮助开发者发现潜在的数据竞争风险，实时给出警告。
3. thread sanitizer（TSAN）：这是一个运行时工具，能够检测出在多线程程序中发生的数据竞争。它会在程序运行时监控内存访问，识别出可能导致数据竞争的并发访问。

使用 thread sanitizer 发现数据竞争问题示例

1. 安装：确保你的系统安装了支持 thread sanitizer 的编译器，在 Linux 系统上，gcc 和 clang 通常支持。例如，在 Ubuntu 上，可以通过 sudo apt-get install clang 安装 clang。
2. 编译运行 Rust 程序：假设我们有如下代码：

use std::thread;

fn main() {
    let mut data = 0;
    let handle = thread::spawn(|| {
        data += 1;
    });
    data += 1;
    handle.join().unwrap();
}

这段代码试图在主线程和新线程中同时修改 data，这会导致数据竞争。 编译时，在 Rust 项目根目录下，使用 RUSTFLAGS="-Zsanitizer=thread" 编译选项，例如：

RUSTFLAGS="-Zsanitizer=thread" cargo build

运行生成的可执行文件（假设可执行文件名为 target/debug/your_binary）：

./target/debug/your_binary

运行结果会输出数据竞争相关的错误信息，类似如下：

WARNING: ThreadSanitizer: data race (pid=XXXX)
  Write of size 4 at 0x7f9f2c800000 by main thread:
    #0 main::main /path/to/your/file.rs:X:9
    #1 core::ops::function::FnOnce::call_once{{vtable.shim}} /rustc/XXXX/src/libcore/ops/function.rs:227:5
    #2 std::sys_common::backtrace::__rust_begin_short_backtrace /rustc/XXXX/src/libstd/sys_common/backtrace.rs:126:18
    #3 std::rt::lang_start::{{closure}} /rustc/XXXX/src/libstd/rt.rs:64:20
    #4 std::rt::lang_start_internal /rustc/XXXX/src/libstd/rt.rs:49:48
    #5 std::rt::lang_start /rustc/XXXX/src/libstd/rt.rs:63:5
    #6 main /home/user/.rustup/toolchains/XXXX/lib/rustlib/x86_64-unknown-linux-gnu/lib/libstd-XXXX.so:?
    #7 __libc_start_main /build/glibc-SOURCE/glibc-2.31/csu/../csu/libc-start.c:308:16
    #8 _start /build/glibc-SOURCE/glibc-2.31/csu/../sysdeps/x86_64/elf/start.S:120:23

  Previous write of size 4 at 0x7f9f2c800000 by thread T1:
    #0 <unknown> /path/to/your/file.rs:X:5
    #1 std::sys::unix::thread::Thread::new::thread_start /rustc/XXXX/src/libstd/sys/unix/thread.rs:106:17

  Location is heap block of size 4 at 0x7f9f2c800000 allocated by main thread:
    #0 <unknown> /path/to/your/file.rs:X:3
    #1 std::sys::unix::thread::Thread::new::thread_start /rustc/XXXX/src/libstd/sys/unix/thread.rs:106:17

SUMMARY: ThreadSanitizer: data race /path/to/your/file.rs:X:9 in main::main

这些信息指出了数据竞争发生的位置、涉及的线程以及相关的代码行。