分析tokio源码引发的引用与并发的关系思考

背景

今天在分析tokio =>tokio_test => src => task.rs中下面这段代码时，发现一个有趣的现象：

  impl ThreadWaker {
    fn new() -> Self {
        ThreadWaker {
            state: Mutex::new(IDLE),
            condvar: Condvar::new(),
        }
    }

    /// Clears any previously received wakes, avoiding potential spurious
    /// wake notifications. This should only be called immediately before running the
    /// task.
    fn clear(&self) {
        *self.state.lock().unwrap() = IDLE;
    }

在clear方法中，对不可变借用的self可以改变里面的值，平时在用Mutex的时候只是在用，知道可以lock后可以修改其值，但是没有仔细去思考其中缘由。说到这里，其实我们会很自然的想到一个问题。

问题1： 既然想改变数据，为什么不明确传递&mut self呢？

Rust 中传递 &self 和 &mut self 的区别在于所有权和借用的规则。下面我将详细解释为什么在某些情况下，即使想改变数据，也可能选择传递 &self 而不是 &mut self。

&self vs &mut self

• &self: 表示对 self 的不可变引用。通常用在不需要改变自身状态的方法中。
• &mut self: 表示对 self 的可变引用。用于需要改变自身状态的方法中。

内部可变性（Interior Mutability）

在 Rust 中，内部可变性（Interior Mutability）是一种设计模式，它允许你在通过不可变引用访问对象时修改其内部状态。这种模式通常通过类型系统中的某些类型来实现，如 RefCell<T> 和 Mutex<T>。这些类型允许你在持有不可变引用的情况下进行修改。

这就很好解释了为什么只需要不可变引用了。

但是，

问题2： 使用&self的好处是什么呢？

使用 &self 而不是 &mut self 修改数据的原因通常包括以下几点：

1. 并发访问:
   • 当你需要在多线程环境中访问和修改数据时，使用 Mutex 是一个常见的模式。通过使用 Mutex，你可以确保即使多个线程同时访问数据，也能保持线程安全。而且你可以通过不可变引用 &self 来获取 Mutex 的锁并修改数据，而不需要可变引用。
2. API 的灵活性:
   • 允许在方法中使用不可变引用 &self 提供了更大的灵活性。用户可以在持有对象的不可变引用时调用这些方法，而不需要担心可变借用的生命周期问题。
3. 内部实现细节隐藏:
   • 使用内部可变性模式，你可以隐藏对象内部状态变化的细节，对外暴露一个更简洁的 API。例如，外部代码不需要知道你的对象内部使用了 Mutex 或 RefCell，只需要知道可以通过不可变引用来调用方法。

问题3： 那就是说，&mut其实本身强调同一时间只能有一个可修改的借用，用完后还回来其他地方才能继续可变借用走。这样就限制了并发吧？

是的，准确地说，&mut 确实强调同一时间只能有一个可修改的借用，这与 Rust 的所有权和借用规则密切相关。这些规则旨在确保内存安全和数据一致性。具体来说：

&mut 借用的特点

• 独占性：&mut 借用是独占的。在同一时间点，只能有一个可变引用。这意味着在持有 &mut 借用期间，不能有其他任何借用（无论是可变还是不可变）。
• 可变性：&mut 借用允许对数据进行修改。

这种设计的初衷是为了避免数据竞争和内存安全问题。在并发环境下，多个线程同时访问和修改同一数据可能导致数据竞争，而 Rust 通过严格的借用规则防止了这一点。

Mutex 和内部可变性

当需要在多线程环境中安全地修改数据时，使用 Mutex 或其他内部可变性类型是一种解决方案。这些类型允许在保持数据所有权和借用规则不变的前提下，实现对数据的安全并发修改。

具体示例

考虑以下代码示例，它展示了使用 &mut 和 Mutex 的区别：

使用 &mut

struct Data {
    value: i32,
}

impl Data {
    fn set_value(&mut self, new_value: i32) {
        self.value = new_value;
    }
}

fn main() {
    let mut data = Data { value: 0 };
    data.set_value(42);
}

在这个示例中，set_value 方法需要 &mut self，这意味着在调用 set_value 方法期间，data 不能有其他借用。这限制了数据在并发场景中的修改，因为不能同时有多个线程持有 &mut 借用。

使用 Mutex

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

struct Data {
    value: Mutex<i32>,
}

impl Data {
    fn set_value(&self, new_value: i32) {
        let mut value = self.value.lock().unwrap();
        *value = new_value;
    }
}

fn main() {
    let data = Arc::new(Data { value: Mutex::new(0) });

    let mut handles = vec![];
    for i in 0..10 {
        let data = Arc::clone(&data);
        let handle = thread::spawn(move || {
            data.set_value(i);
        });
        handles.push(handle);
    }

    for handle in handles {
        handle.join().unwrap();
    }

    println!("Final value: {:?}", data.value.lock().unwrap());
}

在这个并发示例中，多个线程可以同时调用 set_value 方法，因为每个线程都会获取 Mutex 的锁，从而保证数据修改的安全性和一致性。

那么问题又来了

问题3： Mutex 怎么保证线程间和线程内部数据安全和内部可变性的呢？

Mutex 通过实现 Send 和 Sync 这两个 trait 来保证在线程之间安全地传递和共享数据，从而实现内部可变性。下面是更详细的解释：

Send 和 Sync Trait

• Send: 允许类型的所有权在线程间转移。如果一个类型实现了 Send，那么它的实例可以安全地在线程间移动。
• Sync: 允许类型的引用在多个线程中共享。如果一个类型实现了 Sync，那么对该类型的引用可以安全地在多个线程中共享。

Mutex 的实现

在 Rust 标准库中，Mutex 实现了 Send 和 Sync，确保其在线程之间传递和共享时的安全性：

• Mutex<T> 实现 Send，前提是 T 也实现了 Send。
• Mutex<T> 实现 Sync，前提是 T 也实现了 Sync。

通过实现这两个 trait，Mutex 可以在线程间安全地传递，并允许多个线程安全地访问和修改被保护的数据。

内部可变性

由于 Mutex 提供了内部可变性，即使通过不可变引用 &self，也可以安全地修改内部的数据。这是通过锁机制实现的，确保同一时间只有一个线程可以访问被保护的数据，从而避免数据竞争和不一致性。

总结

其实，这种设计模式在 Rust 中非常常见，特别是在需要内部可变性和线程安全的场景下使用 Mutex ，RwLock 等类型。

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