面试题：Rust中如何通过所有权系统避免数据竞争

Question

请简要阐述Rust所有权系统的核心原则，并说明它是怎样防止数据竞争的，可结合简单代码示例进行解释。

Answer 1

Rust所有权系统核心原则

1. 所有权：每个值在Rust中都有一个变量，称为该值的所有者。当所有者离开作用域时，该值将被释放。例如：

{
    let s = String::from("hello"); // s是"hello"这个字符串的所有者
} // s离开作用域，字符串被释放

2. 独占性：一个值在同一时间只能有一个所有者。这意味着在任何时候，只能有一个变量绑定到该值。例如：

let s1 = String::from("hello");
let s2 = s1; // s1的所有权转移给s2，此时s1不再有效
// println!("{}", s1); // 这行代码会报错，因为s1已失效

3. 借用：可以在不获取所有权的情况下使用值，称为借用。分为不可变借用和可变借用。不可变借用允许多个同时存在，但可变借用同一时间只能有一个。例如：

let s = String::from("hello");
let len = calculate_length(&s); // 不可变借用
println!("The length of '{}' is {}.", s, len); 

fn calculate_length(s: &String) -> usize {
    s.len()
}

let mut s = String::from("hello");
let r1 = &mut s; // 可变借用
*r1 = String::from("world");
// let r2 = &mut s; // 这行代码会报错，因为同一时间只能有一个可变借用

防止数据竞争

1. 数据竞争条件：数据竞争发生在多个线程同时访问同一内存位置，并且至少有一个是写操作，且没有适当的同步机制。
2. Rust的防止方式：
   • 所有权和独占性：由于同一时间只有一个所有者，避免了多个所有者同时写数据的情况。例如，当所有权转移后，原所有者不能再访问数据，就不会出现多个变量同时写同一数据的竞争。
   • 借用规则：不可变借用允许多个读取操作同时进行，因为读取不会修改数据，所以不会产生竞争。可变借用同一时间只能有一个，防止了多个写操作或者读写操作同时进行的竞争。例如在多线程场景下，如果一个线程持有可变借用（写权限），其他线程就无法获取借用（无论是可变还是不可变），从而避免了数据竞争。