面试题：Rust中OnceCell并发访问的基本原理

Question

请简要描述Rust中OnceCell实现并发访问的基本原理，以及它是如何保证数据只被初始化一次的。

Answer 1

1. OnceCell实现并发访问的基本原理：
   • 内部结构：OnceCell内部维护了一个状态变量，用于记录数据是否已经初始化。这个状态变量可以处于多种状态，例如未初始化、正在初始化、已初始化等。
   • 原子操作：利用原子类型（如AtomicUsize等）来实现对状态变量的原子操作。原子操作保证了在多线程环境下对状态变量的读取和修改是线程安全的，避免了竞态条件。例如，通过原子的比较并交换（Compare - And - Swap，简称CAS）操作来更新状态变量。
2. 保证数据只被初始化一次：
   • 初始化流程：当调用OnceCell的get_or_init方法时，首先会原子地检查状态变量。如果状态显示数据未初始化，那么会进入初始化流程。在初始化流程中，会使用CAS操作尝试将状态从“未初始化”更新为“正在初始化”。如果CAS操作成功，说明当前线程获得了初始化的权限，此时会执行初始化闭包来创建数据。初始化完成后，再次使用CAS操作将状态更新为“已初始化”。如果CAS操作失败，说明其他线程已经在初始化数据，当前线程需要等待。
   • 等待机制：在等待其他线程初始化完成的过程中，OnceCell通常会使用操作系统提供的线程同步原语（如park和unpark操作）。当状态变为“已初始化”时，等待的线程会被唤醒，然后可以直接获取已初始化的数据。这样就确保了无论有多少线程并发调用get_or_init方法，数据只会被初始化一次。