面试题：Rust并发性能优化之锁机制

Question

在Rust并发编程中，我们常用的锁机制有`Mutex`和`RwLock`。请解释这两种锁的区别，并举例说明在何种场景下应该使用`Mutex`，何种场景下应该使用`RwLock`以达到更好的性能？

Answer 1

Mutex和RwLock的区别

1. 读写特性
   • Mutex（互斥锁）：一次只允许一个线程访问受保护的数据。无论是读取还是写入操作，都需要获取锁，这意味着同一时间只有一个线程可以进入临界区对数据进行操作。这保证了数据的一致性，但在多线程读取频繁的场景下，性能会受到影响，因为每次读取都要竞争锁。
   • RwLock（读写锁）：允许多个线程同时进行读取操作，因为读取操作不会修改数据，所以多个线程同时读取不会产生数据竞争问题。但是，当有线程要进行写入操作时，需要独占锁，此时其他读写线程都不能访问数据。这在读取操作远多于写入操作的场景下能显著提升性能。
2. 适用场景
   • Mutex：适用于读写操作频率相近，或者写入操作较为频繁的场景。因为Mutex简单直接，每次操作都保证了数据的独占访问，能有效防止数据竞争。
   • RwLock：适用于读取操作远多于写入操作的场景。通过允许并发读取，能提高系统的并发性能。

场景举例

1. 使用Mutex的场景 假设我们有一个银行账户类，账户余额的修改和查询操作频率相近。每次修改余额（写入操作）或者查询余额（读取操作）都需要保证数据的一致性，防止多个线程同时修改或者读取导致数据错误。

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

struct BankAccount {
    balance: i32,
}

fn main() {
    let account = Arc::new(Mutex::new(BankAccount { balance: 0 }));
    let handle1 = {
        let account = account.clone();
        std::thread::spawn(move || {
            let mut guard = account.lock().unwrap();
            guard.balance += 100;
        })
    };
    let handle2 = {
        let account = account.clone();
        std::thread::spawn(move || {
            let guard = account.lock().unwrap();
            println!("Balance: {}", guard.balance);
        })
    };
    handle1.join().unwrap();
    handle2.join().unwrap();
}

在这个例子中，无论是修改余额（写入）还是查询余额（读取），都使用Mutex来保证数据一致性，因为读写操作频率相近，Mutex能很好地满足需求。

2. 使用RwLock的场景 假设我们有一个配置文件读取系统，配置文件在运行时很少修改，但会被多个线程频繁读取。

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

struct Config {
    data: String,
}

fn main() {
    let config = Arc::new(RwLock::new(Config {
        data: "default config".to_string(),
    }));
    let mut handles = vec![];
    for _ in 0..10 {
        let config = config.clone();
        let handle = std::thread::spawn(move || {
            let guard = config.read().unwrap();
            println!("Read config: {}", guard.data);
        });
        handles.push(handle);
    }
    for handle in handles {
        handle.join().unwrap();
    }
    // 模拟偶尔的写入操作
    let mut guard = config.write().unwrap();
    guard.data = "new config".to_string();
}

在这个例子中，由于读取操作频繁，写入操作很少，使用RwLock能提高系统的并发性能，允许多个线程同时读取配置数据。