面试题：Rust中借用检查器如何防止数据竞争

Question

请详细阐述Rust借用检查器的工作原理，以及它是怎样通过规则来防止数据竞争的。并举例说明在实际代码中，违背借用规则会导致怎样的编译错误。

Answer 1

Rust借用检查器工作原理

1. 所有权系统基础：Rust通过所有权系统管理内存，每个值都有一个所有者，且同一时间只有一个所有者。当所有者离开作用域，值会被释放。
2. 借用概念：借用允许在不转移所有权的情况下使用值。有两种类型的借用：
   • 不可变借用：使用&符号，允许多个不可变借用同时存在，因为它们不会修改数据，不会产生冲突。
   • 可变借用：使用&mut符号，同一时间只能有一个可变借用，以确保数据的一致性。
3. 作用域检查：借用检查器会在编译时分析代码中变量的作用域。借用的作用域必须在所有者的作用域内，并且借用不能超过其有效范围。

防止数据竞争规则

1. 单可变借用规则：同一时间，对于一个特定数据，只能有一个可变借用。这防止了多个写操作同时发生，避免数据竞争。例如，当一个可变借用存在时，不能再创建另一个可变借用或不可变借用。
2. 读写规则：如果有不可变借用存在，就不能同时有可变借用。这防止了读操作和写操作同时发生，避免数据竞争。因为写操作可能改变数据，而读操作依赖数据的一致性。

违背借用规则导致的编译错误示例

fn main() {
    let mut num = 5;
    let r1 = # // 不可变借用
    let r2 = &mut num; // 这里会报错，违背规则：不可变借用存在时不能有可变借用
    println!("r1: {}, r2: {}", r1, r2);
}

编译上述代码时，会得到类似如下错误信息：

error[E0502]: cannot borrow `num` as mutable because it is also borrowed as immutable
 --> src/main.rs:4:13
  |
3 |     let r1 = #
  |              ---- immutable borrow occurs here
4 |     let r2 = &mut num;
  |             ^^^^^^^^^ mutable borrow occurs here
5 |     println!("r1: {}, r2: {}", r1, r2);
  |                             -- immutable borrow later used here

这个错误表明，由于已经存在对num的不可变借用r1，不能再创建对num的可变借用r2。