面试题：Rust顺序一致性顺序对原子操作的影响

Question

在Rust中，原子类型如`AtomicUsize`提供了多种原子操作。请阐述Rust顺序一致性顺序如何影响这些原子操作的执行顺序与可见性，并举例说明在不同顺序一致性模式下（如`SeqCst`、`Release`、`Acquire`），原子操作的行为差异。

Answer 1

顺序一致性对原子操作执行顺序与可见性的影响

1. 执行顺序：在Rust中，顺序一致性（SeqCst）是最严格的内存顺序。它确保所有线程对原子操作的执行顺序达成一致，就好像这些操作是按照一个全局顺序依次执行的。这意味着在SeqCst顺序下，原子操作不仅在当前线程内按代码顺序执行，而且在所有线程间也有一个统一的顺序。
2. 可见性：SeqCst模式保证一个线程对原子变量的修改，对其他所有线程都是立即可见的。这种可见性是基于严格的全局顺序，其他线程一旦看到一个SeqCst操作，就意味着它也能看到该操作之前的所有SeqCst操作对共享内存的修改。

不同顺序一致性模式下原子操作的行为差异

1. SeqCst（顺序一致性）：
   • 行为：所有线程对SeqCst原子操作有统一的顺序。它提供了最强的同步保证，但性能开销相对较大。
   • 示例：

use std::sync::atomic::{AtomicUsize, Ordering};

fn main() {
    let shared = AtomicUsize::new(0);

    let handle = std::thread::spawn(|| {
        shared.store(1, Ordering::SeqCst);
    });

    handle.join().unwrap();
    assert_eq!(shared.load(Ordering::SeqCst), 1);
}

在这个例子中，线程先存储值1，主线程再加载值，由于SeqCst顺序，主线程一定能看到存储的值1。 2. Release：

• 行为：一个线程对原子变量进行Release存储操作时，保证该线程在此之前对内存的所有写操作，在Release存储操作完成后，对其他线程变得可见。但不保证其他线程看到这些写操作的顺序与当前线程一致。
• 示例：

use std::sync::atomic::{AtomicUsize, Ordering};
use std::thread;

fn main() {
    let data = &mut [0; 10];
    let flag = AtomicUsize::new(0);

    let handle = thread::spawn(|| {
        data[0] = 42;
        flag.store(1, Ordering::Release);
    });

    while flag.load(Ordering::Acquire) == 0 {
        thread::yield_now();
    }
    assert_eq!(data[0], 42);
}

在这个例子中，子线程先修改数组data，然后进行Release存储操作更新flag。主线程通过Acquire加载flag，一旦看到flag为1，就能保证看到子线程对data的修改。 3. Acquire：

• 行为：一个线程对原子变量进行Acquire加载操作时，保证该线程在此之后对内存的所有读操作，能看到在Acquire加载操作之前其他线程对共享内存的所有写操作。
• 示例：同Release示例，主线程Acquire加载flag，确保看到子线程之前的写操作（对data的修改）。

Release和Acquire一起使用，能提供比SeqCst更宽松的同步保证，在性能敏感场景中可以减少同步开销。