面试题：Rust中多线程happens - before关系与内存模型深度剖析

Question

在Rust中，结合其内存模型，解释为什么`std::sync::atomic::AtomicUsize`类型在多线程环境下能够保证某些操作之间的happens - before关系，而普通的`usize`类型却不能。请深入探讨Rust内存模型中关于原子操作、顺序一致性等概念是如何与happens - before关系相互作用的，并通过具体的代码示例展示在不同内存序（如`Relaxed`、`SeqCst`等）下，happens - before关系的变化以及对程序正确性的影响。

Answer 1

Rust内存模型基础

1. 普通 usize 类型：在Rust中，普通的 usize 类型是一种常规的整数类型。它不具备原子性，这意味着多个线程对其进行读写操作时，可能会出现竞态条件。例如，如果一个线程在读取 usize 值的过程中，另一个线程同时对其进行修改，就可能导致读取到不一致的值。这是因为普通变量的读写操作没有特殊的内存同步语义，无法保证不同线程之间操作的顺序和可见性。
2. std::sync::atomic::AtomicUsize 类型：AtomicUsize 是专门为多线程环境设计的类型，它保证了原子性操作。原子操作是不可分割的，在执行过程中不会被其他线程打断。这使得 AtomicUsize 在多线程环境下能够保证某些操作之间的 happens - before 关系。

原子操作与顺序一致性

1. 原子操作：原子操作是指那些在多线程环境下不可分割的操作。对于 AtomicUsize，像 store（存储值）和 load（加载值）这样的操作都是原子的。这意味着当一个线程执行 store 操作时，其他线程要么看到旧值，要么看到新值，不会出现中间状态。
2. 顺序一致性（SeqCst）：顺序一致性是一种很强的内存序模型。在顺序一致性模型下，所有线程看到的操作顺序是一致的，就好像所有操作都在一个全局的顺序中执行。对于 AtomicUsize，当使用 SeqCst 内存序时，所有的原子操作都按照一个全局的顺序执行，这保证了很强的 happens - before 关系。例如，所有线程都能看到 store 操作先于 load 操作，只要它们按照相同的顺序执行这些操作。

happens - before 关系

1. 定义：在Rust内存模型中，happens - before 关系描述了操作之间的偏序关系。如果操作A happens - before 操作B，那么在操作B执行时，操作A的所有效果对操作B都是可见的。对于 AtomicUsize，由于其原子性操作和特定的内存序设置，能够确保不同线程之间的操作满足一定的 happens - before 关系。而普通的 usize 类型由于没有这些特性，无法保证这种关系。
2. 相互作用：原子操作和内存序通过控制不同线程之间的操作顺序和可见性来影响 happens - before 关系。例如，在 Relaxed 内存序下，虽然原子操作保证了不可分割性，但对操作顺序和可见性的保证较弱，happens - before 关系也相对较弱。而在 SeqCst 内存序下，通过强制全局顺序，加强了 happens - before 关系，确保了操作的一致性和可见性。

代码示例

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

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

    let handle1 = thread::spawn(move || {
        data.store(1, Ordering::SeqCst);
    });

    let handle2 = thread::spawn(move || {
        let value = data.load(Ordering::SeqCst);
        assert_eq!(value, 1);
    });

    handle1.join().unwrap();
    handle2.join().unwrap();
}

在这个示例中，使用 SeqCst 内存序，store 操作 happens - before load 操作，因此 load 操作总能看到正确的值 1。

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

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

    let handle1 = thread::spawn(move || {
        data.store(1, Ordering::Relaxed);
    });

    let handle2 = thread::spawn(move || {
        let value = data.load(Ordering::Relaxed);
        // 这里可能会断言失败，因为Relaxed内存序不保证load能看到store的最新值
        assert_eq!(value, 1);
    });

    handle1.join().unwrap();
    handle2.join().unwrap();
}

在这个使用 Relaxed 内存序的示例中，由于 Relaxed 内存序对操作顺序和可见性保证较弱，load 操作可能看不到 store 操作设置的最新值，因此断言可能会失败，展示了不同内存序下 happens - before 关系的变化以及对程序正确性的影响。