面试题：Rust线程间数据共享与同步

Question

假设你有一个共享的可变数据结构，在多个Rust线程间访问，可能会出现数据竞争问题。请描述使用`Mutex`结合`Thread`类型来安全共享数据的步骤，并给出代码示例。同时说明`Mutex`的工作原理以及`lock`方法的作用。

Answer 1

使用Mutex结合Thread类型安全共享数据的步骤

1. 引入必要的模块：在Rust中，需要引入std::sync::{Mutex, Thread}模块，用于处理线程和互斥锁。
2. 创建共享数据和Mutex：定义一个共享的数据结构，并使用Mutex将其包裹起来，这样可以保证在同一时间只有一个线程能够访问该数据。
3. 创建线程：使用Thread::spawn创建多个线程，每个线程在访问共享数据之前，需要先获取Mutex的锁。
4. 获取锁并访问数据：在线程内部，使用lock方法获取Mutex的锁。如果锁可用，该方法会返回一个LockResult，通过unwrap方法可以获取到锁对象，进而访问共享数据。如果锁不可用，线程会被阻塞，直到锁被释放。
5. 释放锁：当线程完成对共享数据的访问后，Mutex的锁会自动释放（通过Drop trait），其他线程就有机会获取锁并访问数据。

代码示例

use std::sync::{Mutex, Thread};

fn main() {
    // 创建共享数据和Mutex
    let shared_data = Mutex::new(0);

    let handles: Vec<_> = (0..10).map(|_| {
        let data = shared_data.clone();
        Thread::spawn(move || {
            // 获取锁并访问数据
            let mut num = data.lock().unwrap();
            *num += 1;
            println!("Thread incremented data to: {}", *num);
        })
    }).collect();

    for handle in handles {
        handle.join().unwrap();
    }

    let final_value = shared_data.lock().unwrap();
    println!("Final value of shared data: {}", *final_value);
}

Mutex的工作原理

Mutex（互斥锁）是一种同步原语，它通过内部的一个标志位来表示锁的状态。当一个线程尝试获取锁时，Mutex会检查这个标志位。如果标志位表示锁是空闲的，Mutex会将标志位设置为锁定状态，并允许线程继续执行。如果标志位表示锁已经被占用，线程会被阻塞，放入一个等待队列中。当持有锁的线程释放锁时，Mutex会将标志位设置为空闲状态，并从等待队列中唤醒一个线程，让它获取锁。

lock方法的作用

lock方法用于尝试获取Mutex的锁。如果锁当前可用，lock方法会返回一个LockResult，其中包含一个代表锁的智能指针（MutexGuard）。这个智能指针实现了Deref和DerefMut trait，因此可以像操作原始数据一样操作共享数据。当MutexGuard离开作用域时，其Drop实现会自动释放锁。如果锁当前不可用，lock方法会阻塞当前线程，直到锁被释放。