引言

本文介紹一下 Rust 并發(fā)安全相關(guān)的幾個概念：Send、Sync、Arc，Mutex、RwLock 等之間的聯(lián)系。這是其中的上篇，主要介紹 Send、Sync 這兩個trait。

Rust 的所有權(quán)概念

在展開介紹并發(fā)相關(guān)的幾個概念之前，有必要先了解一下 Rust 的所有權(quán)概念，Rust 對值（value）的所有權(quán)有明確的限制：

• 一個值只能有一個 owner。

• 可以同時存在同一個值的多個共享的非可變引用（immutable reference）。

• 但是只能存在一個值的可變引用（mutable reference）。

比如下面這段代碼，user 在創(chuàng)建線程之后，被移動（move）到兩個不同的線程中：

由于一個值只能有一個 owner，所以編譯器報錯，報錯信息如下：

Send 和 Sync 的約束作用

于是，如果一個類型會被多個線程所使用，是需要明確說明其共享屬性的。Send 和 Sync 這兩個 trait 作用就在于此，注意到這兩個 trait 都是 std::marker，實現(xiàn)這兩個 trait 并不需要對應(yīng)實現(xiàn)什么方法，可以理解為這兩個 trait 是類型的約束，編譯器通過這些約束在編譯時對類型進行檢查。到目前為止，暫時不展開對兩個概念的理解，先來看看兩者是如何在類型檢查中起約束作用的。比如 std::thread::spawn() 的定義如下：

可以看到，對于 spawn 傳入的函數(shù)和返回的類型，都要求滿足 Send 這個約束。結(jié)合前面 Send 的定義：

• 函數(shù)類型 F 需要滿足 Send 約束：這是因為創(chuàng)建線程之后，需要把函數(shù)類型傳入新創(chuàng)建的線程里，于是要求所有權(quán)能夠在線程之間傳遞。

• 返回類型需要滿足 Send 約束：這是因為創(chuàng)建線程之后，返回值也需要轉(zhuǎn)移回去原先的線程。

有了對類型的約束，編譯器就會在調(diào)用 std::thread::spawn 函數(shù)時針對類型進行檢查，比如下面這段代碼：

類型 Foo 標(biāo)記自己并不實現(xiàn) Send 這個 trait，于是在編譯的時候報錯了：

如果把 impl !Send for Foo {} 這一行去掉，代碼就能編譯通過了。
以上還有一個知識點：所有類型默認(rèn)都是滿足 Send、Sync 約束的，直到顯示聲明不滿足這個約束，比如上面的 impl !Send 就是這樣一個顯示聲明。這就帶來一個疑問：能不能跟編譯器耍一些心思，明明某個類型就不滿足這個約束，睜一只眼閉一只眼看看能不能在編譯器那里蒙混過關(guān)？
答案是不能，編譯器會檢查這個類型中所有包含的成員，只有所有成員都滿足這個約束，該類型才能算滿足約束?？梢栽谏厦娴幕A(chǔ)上繼續(xù)做實驗，給 Foo 結(jié)構(gòu)體新增一個 Rc 類型的成員：

由于 Rc 并不滿足 Send 約束（即顯示聲明了impl !Send，見：impl-send1），導(dǎo)致類型 Foo 并不能蒙混過關(guān)滿足 Send 約束，編譯上面代碼時報錯信息如下：

因此：一個類型要滿足某個約束，當(dāng)且僅當(dāng)該類型下的所有成員都滿足該約束才行。理解 Send 和 Sync trait

理解 Send 和 Sync trait

繼續(xù)回到 Send 和 Sync 這兩個 trait 中來，兩者在 rust 官方文檔中定義如下：

• Send：Types that can be transferred across thread boundaries。

• ?Sync：Types for which it is safe to share references between threads。

上面的定義翻譯過來：

• Send 標(biāo)記表明該類型的所有權(quán)可以在線程之間傳遞。

• Sync 標(biāo)記表明該類型的引用可以安全的在多個線程之間被共享。

我發(fā)現(xiàn)上面的這個解釋還是有點難理解了，可以換用更直白一點的方式來解釋這兩類約束：

• Send：

• 滿足Send約束的類型，能在多線程之間安全的排它使用（Exclusive access is thread-safe）。

• 滿足Send約束的類型T，表示T和&mut T（mut表示能修改這個引用，甚至于刪除即drop這個數(shù)據(jù)）這兩種類型的數(shù)據(jù)能在多個線程之間傳遞，說得直白些：能在多個線程之間move值以及修改引用到的值。

• Sync：

• 滿足 Sync 約束的類型，能在多線程之間安全的共享使用（Shared access is thread-safe）。

• 滿足 Sync 約束的類型T，只表示該類型能在多個線程中讀共享，即：不能move，也不能修改，僅僅只能通過引用 &T 來讀取這個值。

有了上面的定義，可以知道：一個類型 T 的引用只有在滿足 Send 約束的條件下，類型 T 才能滿足 Sync 約束（a type T is Sync if and only if &T is Send）。即：T: Sync ≡ &T: Send。

對于那些基本的類型（primitive types）而言，比如 i32 類型，大多是同時滿足 Send 和 Sync 這兩個約束的，因為這些類型的共享引用（&）既能在多個多個線程中使用，同時也能在多個線程中被修改（&mut ）。

了解了 Send 和 Sync 這兩類約束，就可以接著看在并發(fā)安全中的運用了，這是下一篇的內(nèi)容。

參考資料

• Arc and Mutex in Rust | It's all about the bit2

• Sync in std::marker - Rust3

• Send in std::marker - Rust4

• Send and Sync - The Rustonomicon5

• rust - Understanding the Send trait - Stack Overflow6

• Understanding Rust Thread Safety7

• An unsafe tour of Rust’s Send and Sync | nyanpasu64’s blog8

• Rust: A unique perspective9

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Footnotes

1. https://doc.rust-lang.org/std/rc/struct.Rc.html#impl-Send??

2. https://itsallaboutthebit.com/arc-mutex??

3. https://doc.rust-lang.org/std/marker/trait.Sync.html??

4. https://doc.rust-lang.org/std/marker/trait.Send.html??

5. https://doc.rust-lang.org/nomicon/send-and-sync.html??

6. https://stackoverflow.com/questions/59428096/understanding-the-send-trait??

7. https://onesignal.com/blog/thread-safety-rust??

8. https://nyanpasu64.github.io/blog/an-unsafe-tour-of-rust-s-send-and-sync/#example-passing-mut-t-send-between-threads??

9. https://limpet.net/mbrubeck/2019/02/07/rust-a-unique-perspective.html??