面试题：Rust互斥锁的内部实现机制

Question

请简要阐述Rust中互斥锁（Mutex）是如何在底层实现线程安全访问共享数据的，提及关键的数据结构和同步原语。

Answer 1

1. 关键数据结构

   • Mutex结构体：
     • 在Rust中，Mutex<T>是一个用于实现互斥锁的结构体，其中T是被保护的数据类型。它通过内部封装数据和同步机制，来确保同一时间只有一个线程可以访问内部数据。
   • InnerMutex结构体（内部实现细节）：
     • Mutex<T>内部可能依赖InnerMutex<T>这样的结构体，它包含实际需要保护的数据T以及用于实现同步的元数据，比如表示锁状态的信息。

2. 同步原语

   • 操作系统原语：
     • 在底层，Rust的Mutex依赖操作系统提供的同步原语。例如，在Linux系统上，可能会使用futex（快速用户空间互斥锁）。futex是一种轻量级的同步机制，它结合了用户空间的原子操作和内核空间的等待队列机制。当一个线程尝试获取锁时，首先会在用户空间通过原子操作尝试获取锁，如果获取失败（锁已被其他线程持有），则线程会进入内核空间的等待队列，直到锁被释放并被唤醒。
   • 原子操作：
     • Rust的Mutex实现中使用原子操作来管理锁的状态。例如，使用原子类型AtomicBool或类似的原子类型来表示锁是否被持有。原子操作保证了对这些锁状态标志的读写操作是原子的，不会被其他线程的操作打断，从而避免数据竞争。当一个线程尝试获取锁时，它会使用原子操作尝试将锁的状态从“未持有”改为“持有”，如果成功则获取到锁，否则获取失败。

3. 实现线程安全访问共享数据的过程

   • 获取锁：
     • 当一个线程调用Mutex<T>的lock方法尝试获取锁时，首先会通过原子操作检查锁的状态。如果锁当前未被持有，该线程会通过原子操作将锁的状态设置为“持有”，然后返回一个MutexGuard<T>智能指针。这个MutexGuard<T>智能指针起到了对共享数据T的引用作用，并且在其生命周期内保持锁的持有状态。
   • 访问共享数据：
     • 线程通过MutexGuard<T>智能指针来安全地访问被Mutex保护的共享数据T。由于同一时间只有一个线程可以持有MutexGuard<T>（因为只有一个线程可以成功获取锁），所以实现了线程安全的访问。
   • 释放锁：
     • 当MutexGuard<T>智能指针离开其作用域时，其Drop实现会被调用，在Drop实现中通过原子操作将锁的状态改回“未持有”，从而释放锁，使得其他等待的线程有机会获取锁并访问共享数据。