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面试题:Rust间接延迟初始化实现中保证释放获取顺序稳定性的机制

在Rust代码实现间接延迟初始化时,通常会用到哪些具体机制(如原子操作、内存屏障等)来确保释放获取顺序的稳定性?请举例说明如何使用这些机制。
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编程语言Rust

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1. 原子操作和内存屏障相关机制

  • 原子操作:Rust的std::sync::atomic模块提供了原子类型(如AtomicBoolAtomicUsize等),这些类型的操作保证了原子性,即操作不可被打断。在间接延迟初始化场景下,常用于标记初始化状态。例如,用AtomicBool标记一个值是否已经初始化。
  • 内存屏障:虽然Rust没有像C++那样直接暴露内存屏障的函数,但原子操作默认会带有一定的内存屏障语义。不同的原子操作(如loadstore等)具有不同的内存屏障强度。例如,store操作通常具有释放(Release)语义,load操作通常具有获取(Acquire)语义,这有助于确保释放 - 获取顺序。

2. 示例代码

use std::sync::{Arc, Mutex};
use std::sync::atomic::{AtomicBool, Ordering};

// 定义一个全局的原子布尔变量,用于标记是否已经初始化
static INITIALIZED: AtomicBool = AtomicBool::new(false);
// 定义一个全局的可互斥访问的变量,用于存储延迟初始化的值
static mut LAZY_VALUE: Option<Arc<Mutex<i32>>> = None;

fn get_lazy_value() -> Arc<Mutex<i32>> {
    // 先检查是否已经初始化
    if INITIALIZED.load(Ordering::Acquire) {
        // 如果已经初始化,直接返回值
        unsafe { LAZY_VALUE.as_ref().unwrap().clone() }
    } else {
        // 如果未初始化,进行初始化
        let new_value = Arc::new(Mutex::new(42));
        // 初始化完成后,设置标记为已初始化
        INITIALIZED.store(true, Ordering::Release);
        // 存储新值
        unsafe { LAZY_VALUE = Some(new_value.clone()); }
        new_value
    }
}

在上述代码中:

  • INITIALIZED.load(Ordering::Acquire)操作具有获取语义,确保在读取LAZY_VALUE之前,所有之前对内存的写操作都已经完成。
  • INITIALIZED.store(true, Ordering::Release)操作具有释放语义,确保在设置INITIALIZEDtrue之前,对LAZY_VALUE的赋值操作已经完成。这样就保证了释放 - 获取顺序的稳定性,使得多个线程在访问get_lazy_value时,能正确地获取到初始化后的值。