面试题：Rust借用规则在并发场景下如何避免数据竞争

Question

请阐述Rust借用规则的核心要点，并说明在并发编程中，这些规则是怎样防止数据竞争问题出现的。可以结合简单的代码示例来解释。

Answer 1

Rust借用规则核心要点

1. 同一作用域内，可变借用只能有一个：
   • 这意味着在给定的代码块中，不能同时有多个对同一数据的可变引用。例如：

   let mut num = 5;
   let r1 = &mut num;
   // 下面这行代码会报错，因为已经有了一个可变借用r1
   // let r2 = &mut num; 
   *r1 = 6;
   println!("{}", num);
   

2. 不可变借用可以有多个，但不能与可变借用同时存在：
   • 可以有多个不可变引用同时访问数据，但当有可变引用时，不可变引用就不允许存在。例如：

   let num = 5;
   let r1 = #
   let r2 = #
   println!("{} {}", r1, r2);
   // 下面这行代码会报错，因为已经有不可变借用r1和r2，不能再创建可变借用
   // let r3 = &mut num; 
   

3. 借用的生命周期必须小于等于被借用对象的生命周期：
   • 借用的数据不能在被借用对象销毁后继续存活。例如：

   fn main() {
       let result;
       {
           let num = 5;
           result = # // 这里会报错，因为num的生命周期在这个块结束，result的生命周期长于num
       }
       // println!("{}", result); 
   }
   

在并发编程中防止数据竞争

1. 数据竞争的定义：数据竞争发生在多个线程同时访问同一内存位置，其中至少有一个是写操作，并且没有适当的同步机制。
2. Rust借用规则防止数据竞争的原理：
   • 由于同一时间要么只有不可变借用（允许多个），要么只有一个可变借用，这就保证了同一时间不会有多个线程对同一数据进行写操作，或者读操作与写操作同时进行。
   • 例如，假设有两个线程，线程1尝试可变借用数据进行写操作，线程2尝试不可变借用数据进行读操作。根据借用规则，这是不允许的，Rust编译器会在编译时就检测到这个错误。
   • 下面是一个简单的多线程并发代码示例：

   use std::thread;
   fn main() {
       let mut data = String::from("hello");
       let handle = thread::spawn(|| {
           // 这里如果要对data进行操作，需要可变借用
           // 但在主线程中data已经是可变的，所以这里会报错
           // let mut new_data = &mut data;
           // new_data.push_str(", world");
           // println!("{}", new_data);
       });
       // 主线程中对data进行操作
       data.push_str(", rust");
       handle.join().unwrap();
       println!("{}", data);
   }
   

   • 在上述代码中，如果尝试在子线程中获取对data的可变借用，由于主线程中已经有对data的可变借用，编译器会报错，从而防止了数据竞争。这确保了在并发编程中，对共享数据的访问是安全的，避免了数据竞争问题。