面试题：Rust原子存储操作如何保证内存可见性

Question

在Rust中，原子存储操作是怎样确保对存储值的修改能被其他线程及时可见的？请结合Rust内存模型和原子类型的特性进行详细分析。

Answer 1

Rust内存模型基础

1. 内存顺序：Rust内存模型定义了多种内存顺序，如 SeqCst（顺序一致性）、Release、Acquire 等。内存顺序决定了对内存访问操作（读、写）之间的同步关系。例如，SeqCst 是最严格的顺序，它确保所有线程看到的内存操作顺序是一致的，就好像这些操作是按顺序执行的。
2. 线程间同步：线程之间通过共享内存进行通信，但为了保证数据的一致性和可见性，需要合适的同步机制。Rust内存模型提供了这些机制来协调不同线程对共享内存的访问。

原子类型特性

1. 原子类型的定义：Rust中的原子类型（如 AtomicUsize、AtomicBool 等）位于 std::sync::atomic 模块下。这些类型提供了原子操作，保证在多线程环境下对其值的修改是原子性的，即不会被其他线程干扰。
2. 原子操作：原子类型的方法（如 store、load 等）支持不同的内存顺序参数。例如，store 方法用于存储一个新值到原子变量中，load 方法用于从原子变量中加载值。这些方法可以指定不同的内存顺序，以满足不同的同步需求。

原子存储操作确保可见性的原理

1. 缓存一致性协议：现代处理器使用缓存来提高内存访问性能。在多处理器系统中，每个处理器都有自己的缓存。为了确保不同处理器缓存之间的数据一致性，采用了缓存一致性协议（如MESI协议）。当一个线程通过原子存储操作修改了原子变量的值时，该修改会通过缓存一致性协议传播到其他处理器的缓存中。
2. 内存屏障：Rust中的原子操作会根据指定的内存顺序插入相应的内存屏障。例如，当使用 Release 内存顺序进行 store 操作时，会插入一个释放屏障。释放屏障确保在屏障之前的所有写操作都对其他线程可见，当其他线程以 Acquire 内存顺序进行 load 操作时（获取屏障），会看到释放屏障之前的所有写操作。这样，通过内存屏障的配合，保证了原子存储操作对其他线程的可见性。
3. 结合实例：假设线程A执行 atomic_var.store(new_value, Ordering::Release);，线程B执行 let value = atomic_var.load(Ordering::Acquire);。线程A的 store 操作在释放屏障之前完成对 atomic_var 的修改，线程B的 load 操作在获取屏障之后读取 atomic_var 的值，由于内存屏障的作用，线程B能看到线程A对 atomic_var 的修改。

综上所述，Rust中的原子存储操作通过结合内存模型中的内存顺序、缓存一致性协议以及内存屏障，确保了对存储值的修改能被其他线程及时可见。