面试题：Rust UnsafeCell在多线程场景下的风险与规避

Question

假设你正在编写一个多线程Rust程序，其中使用了UnsafeCell。请描述可能出现的数据竞争场景，并说明如何运用Rust的同步原语（如Mutex、RwLock等）来规避由UnsafeCell带来的并发隐患。

Answer 1

可能出现的数据竞争场景

1. 多个线程直接读写：UnsafeCell允许内部可变性，即可以绕过Rust的不可变借用规则。如果多个线程同时通过UnsafeCell直接读写其包含的数据，就会产生数据竞争。例如：

use std::cell::UnsafeCell;

struct SharedData {
    data: UnsafeCell<i32>,
}

let shared = SharedData { data: UnsafeCell::new(0) };
let threads: Vec<_> = (0..10).map(|_| {
    let shared = &shared;
    std::thread::spawn(move || {
        let raw_ptr = shared.data.get();
        unsafe {
            *raw_ptr += 1;
        }
    })
}).collect();

for thread in threads {
    thread.join().unwrap();
}

在上述代码中，多个线程同时对UnsafeCell中的i32数据进行修改，没有任何同步机制，这就导致了数据竞争。

运用同步原语规避并发隐患

1. 使用Mutex：Mutex（互斥锁）可以确保同一时间只有一个线程能够访问被保护的数据。将UnsafeCell包裹在Mutex中，就可以控制对UnsafeCell数据的访问。例如：

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

struct SharedData {
    data: UnsafeCell<i32>,
}

let shared = Arc::new(Mutex::new(SharedData { data: UnsafeCell::new(0) }));
let threads: Vec<_> = (0..10).map(|_| {
    let shared = shared.clone();
    std::thread::spawn(move || {
        let mut inner = shared.lock().unwrap();
        let raw_ptr = inner.data.get();
        unsafe {
            *raw_ptr += 1;
        }
    })
}).collect();

for thread in threads {
    thread.join().unwrap();
}

这里通过Mutex将SharedData包裹，每个线程在访问UnsafeCell中的数据前，先获取Mutex的锁，这样就避免了数据竞争。

2. 使用RwLock：如果对数据的读取操作远多于写入操作，可以使用RwLock（读写锁）。它允许多个线程同时进行读操作，但只允许一个线程进行写操作。例如：

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

struct SharedData {
    data: UnsafeCell<i32>,
}

let shared = Arc::new(RwLock::new(SharedData { data: UnsafeCell::new(0) }));
let threads: Vec<_> = (0..10).map(|_| {
    let shared = shared.clone();
    std::thread::spawn(move || {
        let inner = shared.read().unwrap();
        let raw_ptr = inner.data.get();
        unsafe {
            println!("Read data: {}", *raw_ptr);
        }
    })
}).collect();

for thread in threads {
    thread.join().unwrap();
}

在这个例子中，多个线程可以同时读取UnsafeCell中的数据，因为读操作是共享的。如果有写操作，需要获取写锁，这样就保证了写操作的原子性，避免了数据竞争。

通过使用Mutex或RwLock等同步原语包裹UnsafeCell，可以有效地规避UnsafeCell带来的并发隐患，确保多线程程序的安全性。