面试题：Rust字符串在并发场景中的基本应用

Question

在Rust中，假设你有多个线程需要共享一个字符串并进行读写操作，如何利用Rust的并发原语和字符串类型确保线程安全？请给出代码示例并简要解释。

Answer 1

在Rust中，要让多个线程共享一个字符串并进行读写操作，可以使用Arc（原子引用计数）和Mutex（互斥锁）或RwLock（读写锁）来确保线程安全。以下是使用Arc和Mutex的示例：

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

fn main() {
    // 创建一个Arc<Mutex<String>>
    let shared_string = Arc::new(Mutex::new(String::from("Hello, ")));

    let mut handles = vec![];
    for _ in 0..3 {
        let shared_string_clone = Arc::clone(&shared_string);
        let handle = thread::spawn(move || {
            // 锁定Mutex以获取字符串的可变引用
            let mut s = shared_string_clone.lock().unwrap();
            s.push_str("world! ");
        });
        handles.push(handle);
    }

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

    // 主线程中打印最终结果
    println!("{}", shared_string.lock().unwrap());
}

代码解释

1. Arc<Mutex<String>>：
   • Arc（std::sync::Arc）是原子引用计数指针，用于在多个线程间安全地共享数据。
   • Mutex（std::sync::Mutex）是互斥锁，用于保护共享数据，确保同一时间只有一个线程可以访问数据。Mutex提供了lock方法，该方法返回一个Result，成功时返回一个MutexGuard智能指针，这个指针拥有对数据的独占访问权。
2. 线程创建：
   • 在循环中，通过Arc::clone复制Arc指针，以便每个线程都能持有一份指向共享数据的引用。
   • 每个线程通过shared_string_clone.lock().unwrap()获取Mutex的锁，并获得字符串的可变引用，然后修改字符串。
3. 等待线程结束：
   • 使用join方法等待所有线程完成，确保所有修改都已完成。
4. 打印最终结果：
   • 主线程中再次获取锁并打印最终的字符串。

如果读操作远多于写操作，也可以使用RwLock（读写锁）来提高效率，示例如下：

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

fn main() {
    let shared_string = Arc::new(RwLock::new(String::from("Hello, ")));

    let mut handles = vec![];
    for _ in 0..3 {
        let shared_string_clone = Arc::clone(&shared_string);
        let handle = thread::spawn(move || {
            // 读取时使用read方法获取共享引用
            let s = shared_string_clone.read().unwrap();
            println!("Read: {}", s);
        });
        handles.push(handle);
    }

    let write_handle = thread::spawn(move || {
        // 写入时使用write方法获取独占引用
        let mut s = shared_string.write().unwrap();
        s.push_str("world! ");
    });

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

    // 主线程中打印最终结果
    println!("{}", shared_string.read().unwrap());
}

RwLock解释

RwLock允许同一时间有多个线程进行读操作，但只允许一个线程进行写操作。read方法用于获取共享（只读）引用，write方法用于获取独占（可写）引用。这样在读多写少的场景下可以提高并发性能。