面试题：Rust常函数线程安全之专家题

架构设计

线程安全的数据结构选择：
- 对于跨模块共享状态，使用Arc（原子引用计数）和Mutex（互斥锁）或RwLock（读写锁）组合。Arc允许在多个线程间共享数据，Mutex提供独占访问，RwLock在多读少写场景下允许并发读。
- 例如，如果共享数据是一个复杂的结构体ComplexData，可以这样定义：
```
use std::sync::{Arc, Mutex};

struct ComplexData {
    // 复杂数据结构的字段
    field1: i32,
    field2: String,
}

let shared_data = Arc::new(Mutex::new(ComplexData {
    field1: 0,
    field2: String::from("initial value"),
}));
```

模块划分与封装：

将相关功能封装在不同模块中，每个模块负责管理自己的状态和行为。通过合理的pub和private修饰符控制模块间的访问。
例如，有一个模块module_a负责处理与共享数据部分相关的操作：

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

    pub struct ModuleA {
        shared_data: Arc<Mutex<ComplexData>>,
    }

    impl ModuleA {
        pub fn new(shared_data: Arc<Mutex<ComplexData>>) -> Self {
            Self { shared_data }
        }

        pub fn do_something(&self) {
            let mut data = self.shared_data.lock().unwrap();
            data.field1 += 1;
        }
    }
}

常函数设计：
- 常函数尽量保持纯函数特性，避免修改共享状态。如果需要访问共享状态，通过传递Arc<Mutex<T>>或Arc<RwLock<T>>引用，并在函数内部进行锁操作。
- 例如：
```
fn read_shared_data(shared_data: &Arc<Mutex<ComplexData>>) -> i32 {
    let data = shared_data.lock().unwrap();
    data.field1
}
```

多线程处理：

使用std::thread::spawn创建新线程，并传递共享数据的Arc引用。
例如：

let shared_data_clone = shared_data.clone();
std::thread::spawn(move || {
    let mut data = shared_data_clone.lock().unwrap();
    data.field2.push_str(" modified in thread");
});

关键代码片段分析

Arc和Mutex组合：
- Arc的使用使得数据可以在多个线程间安全共享，其内部的引用计数保证数据在所有引用被释放时才会被销毁。
- Mutex通过lock方法获取锁，返回一个Result类型，成功时返回一个可用于访问和修改数据的智能指针。如果锁被其他线程持有，lock方法会阻塞直到获取锁。
- 例如let mut data = self.shared_data.lock().unwrap();这行代码，unwrap方法在获取锁失败（如死锁等情况）时会导致程序恐慌（panic），实际应用中可以更优雅地处理错误，如使用match语句。
模块封装：
- 模块module_a中的ModuleA结构体持有共享数据的Arc<Mutex<ComplexData>>引用，通过方法do_something对共享数据进行操作。这种封装方式将与共享数据相关的操作集中在一个模块内，提高了代码的可维护性和安全性。
常函数与共享数据访问：
- 常函数read_shared_data通过接收Arc<Mutex<ComplexData>>的引用，在函数内部获取锁并读取数据，保证了线程安全。这种设计方式使得常函数可以在多线程环境下安全地访问共享状态，同时保持了函数的纯洁性和可测试性。
多线程创建：
- std::thread::spawn创建新线程并通过move语义将Arc引用移动到新线程中。由于Arc的内部引用计数机制，新线程和主线程可以同时持有对共享数据的引用，并且通过Mutex保证数据访问的线程安全。

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