面试题：Rust 线程安全场景下 Send 和 Sync 特质的应用与理解

Question

解释 Rust 中 Send 和 Sync 这两个特质的作用是什么？在多线程编程里，当我们自定义一个类型时，如何判断它是否自动实现了 Send 和 Sync 特质？如果没有自动实现，该如何手动实现以确保线程安全？请举例说明。

Answer 1

Send 和 Sync 特质的作用

1. Send 特质：
   • Send 特质表明实现了该特质的类型的值可以安全地在线程间传递。也就是说，如果一个类型 T 实现了 Send，那么可以将 T 类型的值移动到另一个线程。
   • 大部分 Rust 类型默认实现了 Send，例如基本类型（i32，f64 等）、元组（如果元组中的所有元素都实现了 Send）、Vec（如果其元素类型实现了 Send）等。
2. Sync 特质：
   • Sync 特质表明实现了该特质的类型的值可以安全地被多个线程共享。如果一个类型 T 实现了 Sync，那么 &T 可以在多个线程间共享。
   • 同样，许多 Rust 类型默认实现了 Sync，例如基本类型、元组（如果元组中的所有元素都实现了 Sync）、Vec（如果其元素类型实现了 Sync）等。

判断自定义类型是否自动实现 Send 和 Sync 特质

1. 自动实现规则：
   • 如果一个类型的所有字段都实现了 Send，那么这个类型自动实现 Send。例如：

   struct MyStruct {
       num: i32,
       str: String,
   }
   // i32 和 String 都实现了 Send，所以 MyStruct 自动实现 Send
   

   • 如果一个类型的所有字段都实现了 Sync，那么这个类型自动实现 Sync。例如：

   struct MyOtherStruct {
       num: i32,
       str: &'static str,
   }
   // i32 和 &'static str 都实现了 Sync，所以 MyOtherStruct 自动实现 Sync
   

2. 不能自动实现的情况：
   • 当类型包含内部可变性且没有适当的同步机制时，通常不会自动实现 Sync。例如 Rc（引用计数指针），它没有内部同步机制，所以没有实现 Sync。因为多个线程同时访问 Rc 的引用计数可能会导致数据竞争。
   • 当类型包含指向线程本地数据（如 ThreadLocal）的指针时，不会自动实现 Send，因为这种数据不能在线程间安全传递。

手动实现 Send 和 Sync 特质以确保线程安全

1. 手动实现 Send：
   • 假设我们有一个自定义类型，它包含一个 Mutex 来保护内部数据，并且我们想手动实现 Send。

   use std::sync::Mutex;
   
   struct MyCustomType {
       data: Mutex<String>,
   }
   
   // 手动实现 Send
   unsafe impl Send for MyCustomType {}
   

   • 这里手动实现 Send 是安全的，因为 Mutex 提供了线程安全的访问机制。我们必须使用 unsafe 块，因为手动实现 Send 和 Sync 是不安全的操作，Rust 编译器无法完全验证其正确性。
2. 手动实现 Sync：
   • 同样对于上面的 MyCustomType，如果我们也想手动实现 Sync：

   use std::sync::Mutex;
   
   struct MyCustomType {
       data: Mutex<String>,
   }
   
   // 手动实现 Sync
   unsafe impl Sync for MyCustomType {}
   

   • 这里手动实现 Sync 也是安全的，因为 Mutex 保证了对内部数据的线程安全访问。同样使用 unsafe 块来手动实现。

通过以上方式，我们可以理解和处理 Rust 中 Send 和 Sync 特质在多线程编程中的应用。