Rust中的并发性：Sync 和 Send Traits

时间：2024-04-30 15:47:36

在并发的世界中，最常见的并发安全问题就是数据竞争，也就是两个线程同时对一个变量进行读写操作。但当你在 Safe Rust 中写出有数据竞争的代码时，编译器会直接拒绝编译。那么它是靠什么魔法做到的呢？

这就不得不谈 Send 和 Sync 这两个标记 trait 了，实现 Send 的类型可以在多线程间转移所有权，实现 Sync 的类型可以在多线程间共享引用。但它们内部都是没有任何方法声明以及方法体的，二者仅仅是作为一个类型约束的标记信息提供给编译器，帮助编译器拒绝线程不安全的代码。

定义：

pub unsafe auto trait Send { }

pub unsafe auto trait Sync { }

本文将深入探讨 Sync 和 Send traits，了解为什么某些类型实现这些 traits，而另一些则没有，并讨论 Rust 中并发编程的最佳实践。

The Sync Trait

Sync trait 表示一个类型可以安全地被多个线程同时访问。这里的访问指的是只读共享安全。Rust 中几乎所有的原始类型都实现了 Sync trait

例如：

let x = 5; // i32 is Sync

i32 类型实现了 Sync ，所以在线程间共享 i32 值是安全的。

另一方面，提供内部可变性的类型(内部可变性指的是在拥有不可变引用的时候，依然可以获取到其内部成员的可变引用，进而对其数据进行修改。)，如 Mutex<T> ，其中 T 未实现 Sync trait。

#[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
unsafe impl<T: ?Sized + Send> Send for Mutex<T> {}
#[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
unsafe impl<T: ?Sized + Send> Sync for Mutex<T> {}

因为 Mutex 使用锁来保护对内部数据的访问，如果多个线程同时访问它，可能会导致数据竞争或死锁。

举例来说：

use std::sync::Mutex;

let m = Mutex::new(5); //Mutex<i32> is not Sync

Mutex<i32> 类型没有实现 Sync ，所以跨线程共享是不安全的。

为在多个线程安全地访问非 Sync 类型（如 Mutex<i32> ），我们必须使用适当的同步操作，如获取锁，执行操作和释放锁，在本文后面看到使用互斥锁和其他线程安全类型的示例。

支持 Sync 的类型

Rust 中的 Sync trait 确保了对同一数据的多个引用（无论是可变的还是不可变的）可以安全地从多个线程并发访问。任何实现 Sync trait 的类型 T 都可以被认为是“线程安全”的。

Rust 中的 Sync 类型的一些例子是：

  • 原始类型，如 i32 、 bool 、 char 等。
  • 简单的聚合类型，如元组 (i32, bool)
  • 原子类型，如 AtomicBool

另一方面，非同步类型不能同时使用多个引用，因为这可能导致数据竞争。非同步类型的一些示例包括：

  • Mutex<i32> - 在访问内部 i32 之前需要锁定互斥体。
  • RefCell<i32> - 在访问内部值之前需要借用 RefCell。
  • Rc<i32> - 共享了内部 i32 的所有权，所以多个可变借用是不安全的。

非 Sync 类型多线程访问

Mutex

为在多个线程安全地访问非同步类型，我们需要使用同步原语，如互斥锁。若仅仅使用 Mutex 而不使用 Arc ，可使用像作用域线程(crossbeam)，例如：

这里，我们使用 Mutex<i32> 来安全地从多个线程中修改和读取内部 String。 lock() 方法获取锁，阻止其他线程访问互斥体。

Atomic

像 AtomicU64 这样的原子类型也可以使用像 fetch_add() 这样的原子操作从多个线程安全地访问。例如：

总结

因此，总而言之，要在 Rust 中跨线程共享数据，数据必须：

  • 类型为 Sync （原始/不可变类型）
  • 封装在互斥或原子类型中（Mutex、RwLock、Atomic*）
  • 使用像通道这样的消息传递技术来跨线程传递数据的所有权。

The Send Trait

Rust 中的 Send trait 表示类型可以安全地跨线程边界传输。如果一个类型实现了 Send ，这意味着该类型的值的所有权可以在线程之间转移。

例如，像 i32 和 bool 这样的原始类型是 Send ，

因为它们在线程之间共享时没有任何内部引用或可变而导致问题：

然而，像 Rc<i32> 这样的类型未实现 Send ，因为它的引用计数在内部发生了变化，并且多个线程改变相同的引用计数可能会导致内存不安全：

像 Rc<T> 这样的非 Send 类型不能跨线程传输，但它们仍然可以在单个线程中使用。当线程需要共享一些数据时，非 Send 类型可以被包装在像 Arc<T> 这样的线程安全的包装器中，Arc使用原子操作来管理引用计数，并允许内部类型在线程之间共享。

总结一下，关于 Send 的几个关键点是：

  • 类型 Send 可以在线程之间转移所有权
  • 像 i32 和 bool 这样的原始类型是 Send
  • 具有内部可变的类型（如 Rc<T> ）通常不是 Send
  • 非 Send 类型仍然可以在单个线程中使用，或者在包装在像 Arc<T> 这样的线程安全的容器中时在线程之间共享
  • 跨线程传输非 Send 类型会导致未定义的行为和内存不安全

自定义实现 Sync 和 Send

要创建自定义类型 Sync 或 Send ，您只需实现类型的 Sync 和 Send trait。

这里有一个 持有裸指针*const u8 的 MyBox 结构体， 由于只要复合类型中有一个成员不是 Send 或者 Sync,那么该类型也就不是 Send 或 Sync。裸指针*const u8 均未实现 Send 和 Sync Trait 故 MyBox 复合类型也不是 Send 或 Sync。

若给 MyBox 实现了 Send 和 Sync 则借助 Arc 可在线程间传递和共享数据。当然建议自己不要轻易去实现 Sync 和 Send Trait ,一旦实现就要为被实现类型的线程安全性负责。这件事本来就是一件很难保证的事情。

有些类型是不可能生成Sync和Send的，因为它们包含非Sync/非Send类型或允许多线程的可变。例如， Rc<T>不能被设置为Send，因为引用计数需要被原子地更新，而RefCell<T>不能被设置为  Sync，因为它的借用检查不是线程安全的。

同步/发送规则和最佳实践

重要的是要记住混合Sync/Send  和非Sync/非Send类型的规则。一些需要遵守的关键规则：

类型必须是Send才能在线程之间移动。这意味着像Rc<T>这样的类型不能跨线程共享，因为它们不是Send 。

  • 如果一个类型包含一个非Send类型，那么外部类型不能是Send。例如Option<Rc<i32>>不是  Send ，因为Rc<i32>不是Send 。
  • Sync类型可以通过共享引用从多个线程并发使用。非Sync类型不能同时使用它们的值，并且一次只能在一个线程中可变。
  • 如果一个类型包含一个非Sync类型，那么外部类型不能是Sync。例如Mutex<Rc<i32>>不是Sync ，因为Rc<i32>不是Sync 。

并发 Rust 代码的一些最佳实践：

  • 尽可能避免可变。支持不可变的数据结构和逻辑。
  • 当需要修改时，使用同步原语（如Mutex<T>）来安全地从多个线程进行。
  • 使用消息传递在线程之间进行通信，而不是直接共享内存。这有助于避免数据竞争和未定义的行为。
  • 尽可能地限制为修改锁定数据的范围。持有锁太长时间会影响性能和吞吐量。
  • 根据它们是否实现Sync和Send仔细选择类型。例如，在线程之间共享时，首选Arc<T>而不是  Rc<T> 。
  • 使用atomic类型进行简单的并发访问原语类型。它们允许从多个线程访问而不加锁。

参考链接

Concurrency in Rust: The Sync and Send Traits | by Technocrat | CoderHack.com | Medium

[基于 Send 和 Sync 的线程安全 - Rust 语言圣经(Rust Course)](https://course.rs/advance/concurrency-with-threads/send-sync.html "基于 Send 和 Sync 的线程安全 - Rust 语言圣经(Rust Course "基于 Send 和 Sync 的线程安全 - Rust 语言圣经(Rust Course)")")

Rust 中的 Arc 和 Mutex|关键在于 --- Arc and Mutex in Rust | It's all about the bit

Rust 入门与实践

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