面试题：Rust多线程复杂场景下happens - before关系的分析

Question

考虑如下Rust多线程场景：有三个线程T1、T2、T3，T1初始化一个共享的`Arc<Mutex<Vec<i32>>>`，并向其中添加元素；T2从这个共享的`Vec<i32>`中删除元素；T3对共享的`Vec<i32>`进行排序操作。假设T1必须在T2和T3之前完成初始化添加操作，T2和T3可以并行执行，但T2的删除操作要在T3的排序操作之前（从逻辑数据一致性角度）。请设计一个合理的同步机制，用Rust代码实现，并详细说明在这个实现中是如何保证各种happens - before关系的。

Answer 1

use std::sync::{Arc, Mutex, Condvar, mpsc};
use std::thread;

fn main() {
    let data = Arc::new(Mutex::new(Vec::new()));
    let cond = Arc::new(Condvar::new());
    let (tx, rx) = mpsc::channel();

    // T1线程
    let t1 = thread::spawn({
        let data = data.clone();
        let cond = cond.clone();
        let tx = tx.clone();
        move || {
            let mut data = data.lock().unwrap();
            data.push(1);
            data.push(2);
            data.push(3);
            println!("T1: 初始化添加操作完成");
            // 通知其他线程初始化完成
            cond.notify_all();
            // 发送信号给T2和T3可以开始执行
            tx.send(()).unwrap();
        }
    });

    // T2线程
    let t2 = thread::spawn({
        let data = data.clone();
        let cond = cond.clone();
        let rx = rx.clone();
        move || {
            let mut data = data.lock().unwrap();
            // 等待T1初始化完成
            data = cond.wait(data).unwrap();
            // 等待T1发送的开始信号
            rx.recv().unwrap();
            if let Some(_) = data.pop() {
                println!("T2: 删除操作完成");
            }
        }
    });

    // T3线程
    let t3 = thread::spawn({
        let data = data.clone();
        let cond = cond.clone();
        let rx = rx.clone();
        move || {
            let mut data = data.lock().unwrap();
            // 等待T1初始化完成
            data = cond.wait(data).unwrap();
            // 等待T1发送的开始信号
            rx.recv().unwrap();
            data.sort();
            println!("T3: 排序操作完成");
        }
    });

    t1.join().unwrap();
    t2.join().unwrap();
    t3.join().unwrap();
}

happens - before关系保证说明：

1. T1在T2和T3之前完成初始化添加操作：
   • 使用Condvar来实现。T2和T3在获取Mutex锁后，调用cond.wait进入等待状态，直到T1调用cond.notify_all通知它们。这确保了T1的初始化添加操作在T2和T3的操作之前完成，因为wait会释放锁并阻塞线程，直到被通知。这里cond.wait和cond.notify_all之间存在一种隐式的同步关系，即notify_all之前的所有操作（T1的添加操作）都在wait返回后的操作（T2和T3的操作）之前发生。
2. T2的删除操作在T3的排序操作之前：
   • 通过mpsc通道来实现。T1在完成初始化添加操作后，通过tx.send(())发送一个信号。T2和T3都通过rx.recv()接收这个信号，因为通道是先进先出的，所以T2会先接收到信号并执行删除操作，然后T3才会接收到信号执行排序操作。这种基于通道的同步机制保证了T2的删除操作在T3的排序操作之前从逻辑数据一致性角度发生。

以上代码通过Condvar和mpsc通道实现了所需的线程同步和happens - before关系。