面试题：Rust中UnsafeCell与并发安全

Question

假设你正在编写一个多线程环境下使用UnsafeCell的程序，为了保证线程安全，你需要采取哪些措施？请详细阐述并给出代码示例，同时说明如何避免数据竞争。

Answer 1

1. 措施阐述
   • 使用互斥锁（Mutex）：在访问UnsafeCell内部数据时，通过互斥锁来确保同一时间只有一个线程可以访问。互斥锁会阻止其他线程进入临界区，从而避免数据竞争。
   • 使用原子操作：对于简单的数据类型，如整数等，可以使用原子操作。原子操作在硬件层面保证了操作的原子性，即不可分割性，不会被其他线程打断，避免数据竞争。
2. 代码示例（以Rust语言为例）

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

fn main() {
    let shared_data = Arc::new(Mutex::new(UnsafeCell::new(0)));
    let mut handles = vec![];

    for _ in 0..10 {
        let data = shared_data.clone();
        let handle = thread::spawn(move || {
            let mut data_ref = unsafe { &mut *data.lock().unwrap().get() };
            *data_ref += 1;
        });
        handles.push(handle);
    }

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

    let result = unsafe { *shared_data.lock().unwrap().get() };
    println!("Final result: {}", result);
}

在上述代码中：

• Arc用于在多个线程间共享数据，Mutex用于保证同一时间只有一个线程能访问UnsafeCell。
• 通过lock方法获取锁，进入临界区，访问UnsafeCell内部数据并修改。

3. 避免数据竞争
   • 使用同步原语：如上述代码使用Mutex，它通过加锁和解锁机制，使得只有持有锁的线程能访问共享数据，其他线程等待锁的释放，从而避免多个线程同时修改共享数据导致的数据竞争。
   • 遵循内存模型规则：在多线程编程中，要遵循所在编程语言的内存模型规则。例如在Rust中，通过所有权系统和类型系统来辅助避免数据竞争。在使用UnsafeCell时，通过unsafe块来明确告知编译器程序员知道自己在做可能不安全的操作，同时结合同步原语确保操作的安全性。