面试题：Rust读写锁规则与内存模型的深度探究

Rust读写锁与内存模型的相互作用

读写规则与可见性
- 在Rust中，RwLock的写操作会获取排他锁。当一个线程持有写锁进行写操作时，根据内存模型，这相当于一个释放（Release）操作。释放操作会将修改后的数据刷新到主内存，确保其他线程能够看到最新的数据。
- 读操作会获取共享锁。当一个线程持有读锁进行读操作时，这相当于一个获取（Acquire）操作。获取操作会从主内存中读取最新的数据，从而保证读操作能看到写操作的结果，确保了可见性。
读写规则与顺序性
- 在多核处理器环境下，写操作的释放语义和读操作的获取语义通过内存屏障来保证顺序性。当一个线程持有写锁修改数据并释放锁时，内存屏障会确保所有之前的写操作都对其他线程可见。同样，当一个线程获取读锁时，内存屏障会确保该线程读取到的是最新的数据，且所有之前的读操作都已完成。
- 例如，假设线程A持有写锁修改了变量x，然后释放写锁。线程B获取读锁读取x。内存屏障保证线程B读取到的x是线程A修改后的值，且线程A对x的修改在其释放写锁之前完成，线程B的读操作在获取读锁之后开始。

自定义高性能读写锁设计思路

设计思路
- 基于原子操作：利用Rust的Atomic类型，如AtomicUsize，来管理锁的状态。通过原子操作来实现锁的获取和释放，避免使用标准库RwLock中可能存在的一些额外开销。
- 减少锁竞争：对于高性能计算场景，读操作通常远多于写操作。可以采用一种类似“读者优先”的策略，减少读操作的等待时间。例如，维护一个计数器来记录当前活跃的读者数量，当有写操作请求时，只有当没有活跃读者时才允许写操作。
- 优化内存布局：合理安排锁的数据结构在内存中的布局，减少缓存争用。将与锁相关的数据紧凑地存储，使得在多核处理器环境下，不同线程对锁的访问能更高效地利用缓存。
关键代码片段

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

struct MyRwLock<T> {
    data: T,
    readers_count: AtomicUsize,
    write_lock: AtomicUsize,
}

impl<T> MyRwLock<T> {
    fn new(data: T) -> Arc<Self> {
        Arc::new(Self {
            data,
            readers_count: AtomicUsize::new(0),
            write_lock: AtomicUsize::new(0),
        })
    }

    fn read(&self) -> Option<&T> {
        loop {
            while self.write_lock.load(Ordering::Acquire) != 0 {
                std::thread::yield_now();
            }
            self.readers_count.fetch_add(1, Ordering::Acquire);
            if self.write_lock.load(Ordering::Acquire) == 0 {
                break;
            }
            self.readers_count.fetch_sub(1, Ordering::Release);
        }
        Some(&self.data)
    }

    fn write(&self) -> Option<&mut T> {
        loop {
            while self.readers_count.load(Ordering::Acquire) != 0 || self.write_lock.load(Ordering::Acquire) != 0 {
                std::thread::yield_now();
            }
            if self.write_lock.compare_and_swap(0, 1, Ordering::Acquire) == 0 {
                break;
            }
        }
        Some(&mut self.data)
    }

    fn drop_read(&self) {
        self.readers_count.fetch_sub(1, Ordering::Release);
    }

    fn drop_write(&self) {
        self.write_lock.store(0, Ordering::Release);
    }
}

在上述代码中，MyRwLock通过AtomicUsize类型的readers_count和write_lock来管理读写状态。read方法用于获取读锁，write方法用于获取写锁。drop_read和drop_write方法分别用于释放读锁和写锁。在获取锁时，通过while循环和yield_now方法来避免忙等待，提高性能。

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