面试题：Rust并发场景下处理复杂数据结构的获取与修改控制

Question

假设有一个复杂的数据结构，例如嵌套的结构体和向量组成的树状结构，需要在多线程环境下进行读取和修改操作。请阐述如何利用Rust的并发控制机制（如`Mutex`、`RwLock`等）确保数据的一致性和线程安全，并给出关键代码片段。

Answer 1

1. 利用Mutex实现线程安全：
   • Mutex（互斥锁）提供了独占访问的机制，同一时间只有一个线程可以获取锁并访问数据。这对于读 - 写操作都适用，但如果读操作频繁，会导致性能瓶颈，因为每次读都要独占锁。
   • 关键代码片段：

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

// 假设的复杂数据结构
#[derive(Debug)]
struct TreeNode {
    value: i32,
    children: Vec<Arc<Mutex<TreeNode>>>,
}

fn main() {
    let root = Arc::new(Mutex::new(TreeNode {
        value: 0,
        children: Vec::new(),
    }));

    let child = Arc::new(Mutex::new(TreeNode {
        value: 1,
        children: Vec::new(),
    }));

    {
        let mut root_guard = root.lock().unwrap();
        root_guard.children.push(child.clone());
    }

    let child_value = child.lock().unwrap().value;
    println!("Child value: {}", child_value);
}

2. 利用RwLock实现线程安全：
   • RwLock（读写锁）允许多个线程同时进行读操作，只有在写操作时才独占锁。这在读取操作远多于写操作的场景下能显著提升性能。
   • 关键代码片段：

use std::sync::{Arc, RwLock};

// 假设的复杂数据结构
#[derive(Debug)]
struct TreeNode {
    value: i32,
    children: Vec<Arc<RwLock<TreeNode>>>,
}

fn main() {
    let root = Arc::new(RwLock::new(TreeNode {
        value: 0,
        children: Vec::new(),
    }));

    let child = Arc::new(RwLock::new(TreeNode {
        value: 1,
        children: Vec::new(),
    }));

    {
        let mut root_guard = root.write().unwrap();
        root_guard.children.push(child.clone());
    }

    let child_value = child.read().unwrap().value;
    println!("Child value: {}", child_value);
}

在实际应用中，如果读操作频繁，优先考虑RwLock；如果读写操作频率相近或者写操作频繁，Mutex可能是更合适的选择。同时，要注意锁的粒度，避免不必要的性能开销。