面试题：Rust中自定义并发安全的HashMap扩展

Question

假设现有的Rust标准库`HashMap`的并发访问控制机制无法满足特定业务需求，要求你基于`std::collections::HashMap`自定义一个具备更细粒度并发控制的`ConcurrentHashMap`。请详细描述设计思路，包括使用哪些Rust的并发原语，如何保证数据一致性和线程安全，并给出关键代码片段。

Answer 1

设计思路

1. 数据结构：基于std::collections::HashMap作为内部存储结构。
2. 并发原语：
   • 使用Mutex或RwLock实现对内部HashMap的保护。Mutex提供独占访问，适用于读写操作都需要严格同步的场景；RwLock则区分读锁和写锁，允许多个读操作同时进行，但写操作需要独占锁，适用于读多写少的场景。
   • 对于更细粒度的控制，可以使用parking_lot::Mutex或parking_lot::RwLock，它们比标准库中的Mutex和RwLock性能更好。
   • 考虑使用Arc（原子引用计数）来在多个线程间共享ConcurrentHashMap实例，因为Arc允许在多个线程间安全地共享数据。
3. 数据一致性和线程安全：
   • 通过锁机制确保在同一时间只有一个线程能修改HashMap，从而保证数据一致性。
   • 对于读操作，若使用RwLock，多个线程可同时读取，提高并发性能。若使用Mutex，读操作也会被串行化，但能保证简单直接的线程安全。

关键代码片段

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

// 自定义的ConcurrentHashMap
pub struct ConcurrentHashMap<K, V> {
    inner: Arc<RwLock<HashMap<K, V>>>,
}

impl<K, V> ConcurrentHashMap<K, V> {
    pub fn new() -> Self {
        ConcurrentHashMap {
            inner: Arc::new(RwLock::new(HashMap::new())),
        }
    }

    // 插入键值对
    pub fn insert(&self, key: K, value: V)
    where
        K: std::hash::Hash + Eq,
    {
        let mut map = self.inner.write().unwrap();
        map.insert(key, value);
    }

    // 获取值
    pub fn get(&self, key: &K) -> Option<&V>
    where
        K: std::hash::Hash + Eq,
    {
        let map = self.inner.read().unwrap();
        map.get(key)
    }
}

在上述代码中：

• ConcurrentHashMap结构体包含一个被Arc<RwLock<HashMap<K, V>>>包裹的内部HashMap。Arc用于线程间共享，RwLock提供读写锁机制。
• insert方法获取写锁并插入键值对。
• get方法获取读锁并获取对应的值。