Rust內(nèi)存序

Memory Ordering規(guī)定了多線程環(huán)境下對(duì)共享內(nèi)存進(jìn)行操作時(shí)的可見(jiàn)性和順序性，防止了不正確的重排序（Reordering）。

重排序和優(yōu)化

重排序是指編譯器或CPU在不改變程序語(yǔ)義的前提下，改變指令的執(zhí)行順序。在單線程環(huán)境下，重排序可能會(huì)帶來(lái)性能提升，但在多線程環(huán)境下，重排序可能會(huì)破壞程序的正確性，導(dǎo)致數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)、死鎖等問(wèn)題。

Rust提供了多種內(nèi)存序，包括Acquire、Release、AcqRel、SeqCst等。這些內(nèi)存序規(guī)定了在不同情況下，線程之間進(jìn)行共享內(nèi)存的讀寫時(shí)應(yīng)該保持的順序和可見(jiàn)性。

除了內(nèi)存序之外，編譯器還可以進(jìn)行優(yōu)化，例如常數(shù)折疊、函數(shù)內(nèi)聯(lián)等。這些優(yōu)化可能會(huì)導(dǎo)致指令重排，從而影響多線程程序的正確性。為了避免這種情況，Rust提供了關(guān)鍵字volatile和compiler_fence來(lái)禁止編譯器進(jìn)行優(yōu)化，保證程序的正確性。

總的來(lái)說(shuō)，Rust的內(nèi)存序機(jī)制和優(yōu)化控制機(jī)制可以幫助程序員在多線程環(huán)境下編寫高效且正確的程序。 下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的 Rust 代碼示例，它演示了 Rust 中的代碼重新排序和優(yōu)化如何影響程序行為：

use std::sync::{Arc, Mutex};
use std::thread;
fn main() {
    let shared_counter = Arc::new(Mutex::new(0));
    let mut threads = vec![];
    for i in 0..10 {
        let counter = shared_counter.clone();
        let t = thread::spawn(move || {
            let mut num = counter.lock().unwrap();
            *num += i;
        });
        threads.push(t);
    }
    for t in threads {
        t.join().unwrap();
    }
    let final_counter = shared_counter.lock().unwrap();
    println!("Final value: {}", *final_counter);
}

在這個(gè)示例中，我們創(chuàng)建了一個(gè)共享計(jì)數(shù)器 shared_counter，它被多個(gè)線程并發(fā)地訪問(wèn)和修改。為了保證線程安全，我們使用了一個(gè) Mutex 來(lái)對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行互斥訪問(wèn)。

在主線程中，我們創(chuàng)建了 10 個(gè)子線程，并讓它們分別增加計(jì)數(shù)器的值。然后我們等待所有線程都執(zhí)行完畢后，打印出最終的計(jì)數(shù)器值。

在這個(gè)示例中，由于 Rust 的內(nèi)存序保證，所有對(duì)共享變量的訪問(wèn)和修改都按照程序中的順序進(jìn)行。也就是說(shuō)，每個(gè)線程增加計(jì)數(shù)器的值的操作不會(huì)重排到其他線程之前或之后的位置。

不過(guò)，如果我們?cè)诖a中加入一些優(yōu)化指令，就可能會(huì)破壞這種順序。比如，下面這段代碼就使用了 fence 指令來(lái)保證所有線程對(duì)共享變量的修改都在主線程中得到了同步：

use std::sync::{Arc, Mutex};
use std::thread;
fn main() {
    let shared_counter = Arc::new(Mutex::new(0));
    let mut threads = vec![];
    for i in 0..10 {
        let counter = shared_counter.clone();
        let t = thread::spawn(move || {
            let mut num = counter.lock().unwrap();
            *num += i;
            std::sync::atomic::fence(std::sync::atomic::Ordering::SeqCst);
        });
        threads.push(t);
    }
    for t in threads {
        t.join().unwrap();
    }
    let final_counter = shared_counter.lock().unwrap();
    println!("Final value: {}", *final_counter);
}

在這個(gè)示例中，我們?cè)诿總€(gè)子線程結(jié)束時(shí)都加入了一個(gè) fence 指令，來(lái)確保所有線程對(duì)共享變量的修改都在主線程中得到了同步。這樣一來(lái)，雖然所有線程對(duì)計(jì)數(shù)器的修改仍然是并發(fā)進(jìn)行的，但它們對(duì)計(jì)數(shù)器的修改操作的順序可能會(huì)被重新排序，從而導(dǎo)致最終的計(jì)數(shù)器值與期望值不同。 但是，這可能是由于編譯器的優(yōu)化策略和硬件平臺(tái)的差異所導(dǎo)致的。在某些情況下，編譯器可能會(huì)選擇不進(jìn)行代碼重排或重新優(yōu)化，因?yàn)檫@可能會(huì)影響程序的正確性。但是，在其他情況下，編譯器可能會(huì)根據(jù)其優(yōu)化策略和目標(biāo)平臺(tái)的特性來(lái)對(duì)代碼進(jìn)行重排和重新優(yōu)化，這可能會(huì)導(dǎo)致程序的行為發(fā)生變化。

happens-before

Rust內(nèi)存模型中的“happens-before”原則指的是，如果一個(gè)操作A happens before 另一個(gè)操作B，那么A在時(shí)間上先于B執(zhí)行，而且A對(duì)內(nèi)存的影響對(duì)于B是可見(jiàn)的。這個(gè)原則被用來(lái)解決多線程環(huán)境下的數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題，確保程序的執(zhí)行順序是有序的，避免出現(xiàn)未定義的行為。

具體來(lái)說(shuō)，Rust內(nèi)存模型中的happens-before原則包括以下幾個(gè)方面：

• 內(nèi)存同步操作：Rust的內(nèi)存同步操作（如acquire、release、acqrel、seq_cst）會(huì)創(chuàng)建一個(gè)happens-before的關(guān)系，保證該操作之前的所有內(nèi)存訪問(wèn)對(duì)該操作之后的內(nèi)存訪問(wèn)都是可見(jiàn)的。
• 鎖機(jī)制：Rust的鎖機(jī)制（如Mutex、RwLock）也會(huì)創(chuàng)建happens-before的關(guān)系，保證鎖內(nèi)的操作是有序的，避免數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題。
• 線程的啟動(dòng)和結(jié)束：Rust的線程啟動(dòng)函數(shù)（如thread::spawn）會(huì)創(chuàng)建happens-before的關(guān)系，保證線程啟動(dòng)之前的所有內(nèi)存訪問(wèn)對(duì)于該線程中的所有操作都是可見(jiàn)的。線程結(jié)束時(shí)也會(huì)創(chuàng)建happens-before的關(guān)系，保證該線程中的所有操作對(duì)于其他線程都是可見(jiàn)的。
• Atomics：Rust的原子類型（如AtomicBool、AtomicUsize）也會(huì)創(chuàng)建happens-before的關(guān)系，保證對(duì)于同一個(gè)原子變量的多次操作是有序的，避免數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題。

總之，Rust內(nèi)存模型中的happens-before原則確保程序的執(zhí)行順序是有序的，避免出現(xiàn)未定義的行為，從而幫助開(kāi)發(fā)者避免數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題。

Relexed Ordering

在 Rust 中，Relaxed Ordering 是一種較弱的內(nèi)存順序，它允許線程在不同于程序中寫入順序的順序中讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)，但不會(huì)導(dǎo)致未定義的行為。

Relaxed Ordering 主要應(yīng)用于不需要同步的操作，比如單線程的計(jì)數(shù)器、讀取全局配置等場(chǎng)景。使用 Relaxed Ordering 可以避免不必要的內(nèi)存屏障，提高程序的性能。

在 Rust 中，可以通過(guò) std::sync::atomic::AtomicXXX 類型來(lái)使用 Relaxed Ordering。比如下面這個(gè)示例：

use std::sync::atomic::{AtomicUsize, Ordering};
fn main() {
    let counter = AtomicUsize::new(0);
    counter.fetch_add(1, Ordering::Relaxed);
    let value = counter.load(Ordering::Relaxed);
    println!("counter: {}", value);
}

在這個(gè)示例中，我們使用 AtomicUsize 類型創(chuàng)建了一個(gè)計(jì)數(shù)器 counter，然后使用 fetch_add 方法對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行自增操作，并使用 load 方法讀取當(dāng)前計(jì)數(shù)器的值。在 fetch_add 和 load 方法中，我們使用了 Ordering::Relaxed 參數(shù)，表示這是一個(gè) Relaxed Ordering 的操作，不需要執(zhí)行額外的內(nèi)存屏障。

需要注意的是，使用 Relaxed Ordering 時(shí)需要保證程序中不存在數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)。如果存在數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)，就可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存重排和未定義的行為。因此，建議僅在確信不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)的情況下使用 Relaxed Ordering。

Release 和 Acquire Ordering

在 Rust 中，Release 和 Acquire Ordering 通常用于實(shí)現(xiàn)同步原語(yǔ)，例如 Mutex 和 Atomic 原子類型，以確保線程之間的正確同步。

Acquire Ordering 表示一個(gè)讀取操作所需的同步操作。在讀取操作之前，必須確保任何在之前的寫入操作都已經(jīng)完成，并且這些寫入操作對(duì)其他線程可見(jiàn)。在 Acquire Ordering 中，讀取操作前的任何寫入操作都不能被重排序到讀取操作之后。

Release Ordering 表示一個(gè)寫入操作所需的同步操作。在寫入操作之后，必須確保任何在之后的讀取操作都能夠看到這個(gè)寫入操作的結(jié)果，并且這個(gè)寫入操作對(duì)其他線程可見(jiàn)。在 Release Ordering 中，寫入操作后的任何讀取操作都不能被重排序到寫入操作之前。

下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的示例，說(shuō)明了如何使用 Release 和 Acquire Ordering 來(lái)同步多個(gè)線程對(duì)共享狀態(tài)的訪問(wèn)：

use std::sync::atomic::{AtomicUsize, Ordering};
use std::thread;
static SHARED_STATE: AtomicUsize = AtomicUsize::new(0);
fn main() {
    let mut threads = Vec::new();
    for i in 0..5 {
        let thread = thread::spawn(move || {
            let mut local_state = i;
            // 等待其他線程初始化
            thread::sleep_ms(10);
            // 將本地狀態(tài)更新到共享狀態(tài)中
            SHARED_STATE.store(local_state, Ordering::Release);
            // 讀取共享狀態(tài)中的值
            let shared_state = SHARED_STATE.load(Ordering::Acquire);
            println!("Thread {}: Shared state = {}", i, shared_state);
        });
        threads.push(thread);
    }
    for thread in threads {
        thread.join().unwrap();
    }
}

在這個(gè)例子中，五個(gè)線程將本地狀態(tài)更新到共享狀態(tài)中，并讀取其他線程更新的共享狀態(tài)。為了確保正確的同步，我們使用 Release Ordering 來(lái)保證寫入操作的同步，Acquire Ordering 來(lái)保證讀取操作的同步。在每個(gè)線程中，我們使用 thread::sleep_ms(10) 使所有線程都能夠開(kāi)始執(zhí)行，并等待其他線程完成初始化。在主線程中，我們使用 join 等待所有線程完成。運(yùn)行此程序，輸出可能類似于以下內(nèi)容：

Thread 0: Shared state = 3
Thread 1: Shared state = 0
Thread 2: Shared state = 2
Thread 3: Shared state = 1
Thread 4: Shared state = 4

這表明每個(gè)線程都能夠正確地讀取其他線程更新的共享狀態(tài)，并且寫入操作在讀取操作之前完成。

SeqCst Ordering

SeqCst是Rust內(nèi)存模型中的一種內(nèi)存順序，它保證了所有的操作都按照順序執(zhí)行。SeqCst可以用于實(shí)現(xiàn)最嚴(yán)格的同步，因?yàn)樗_保了所有線程都看到相同的執(zhí)行順序，因此被廣泛用于實(shí)現(xiàn)同步原語(yǔ)。 如果無(wú)法確認(rèn)使用哪種排序的話，可以直接使用SeqCst

使用SeqCst內(nèi)存順序時(shí)，讀操作和寫操作的執(zhí)行順序都是全局可見(jiàn)的，因此可以避免數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)和其他問(wèn)題。但是SeqCst內(nèi)存順序會(huì)導(dǎo)致一些性能問(wèn)題，因?yàn)樗笏芯€程都同步執(zhí)行，這可能會(huì)導(dǎo)致一些線程被阻塞。

以下是一個(gè)簡(jiǎn)單的示例，展示了如何在Rust中使用SeqCst內(nèi)存順序：

use std::sync::atomic::{AtomicBool, Ordering};
fn main() {
    let val = AtomicBool::new(false);
    val.store(true, Ordering::SeqCst);
    let result = val.load(Ordering::SeqCst);
    println!("Result: {}", result);
}

在這個(gè)示例中，我們創(chuàng)建了一個(gè)AtomicBool類型的變量val，并將其初始值設(shè)置為false。然后，我們使用store方法將其值設(shè)置為true，并使用load方法讀取它的值。在這里，我們使用了SeqCst內(nèi)存順序，以確保所有線程都按順序執(zhí)行。在這個(gè)例子中，程序會(huì)輸出Result: true，因?yàn)槲覀兪褂昧?code>SeqCst內(nèi)存順序，保證了所有線程都看到相同的執(zhí)行順序。