Rust中的`Sync`与`Send`属性：明白并应用并发安全

在Rust的并发编程中，Sync和Send是两个重要的标准库特性（traits），它们界说了类型在多线程环境下的行为。Rust以其严格的全部权和借用系统确保内存安全，制止了传统并发编程中的很多常见问题。本文将详细解释Sync与Send的含义、利用场景以及常见的混淆点。
1. 什么是Send？

Send是一个标记trait，用于标识一个类型可以在线程之间通报。假如一个类型实现了Send，则可以通过全部权转移（而非引用共享）将其从一个线程通报到另一个线程。在Rust中，全部权转移时会自动处理内存管理，制止了传统并发模子中的数据竞争问题。
Send的关键点

• Send表示类型能够在线程之间通报，通常是通过全部权转移。
  
• 假如一个类型实现了Send，则可以安全地将其通报给另一个线程。
  
• 原生类型（如整数、浮点数、布尔值等）和大多数实现了Send的类型可以在多个线程间通报。
  

示例

1. use std::thread;
3. fn main() {
4.     let data = vec![1, 2, 3, 4, 5];
5.     let handle = thread::spawn(move || {
6.         println!("{:?}", data); // 数据被移动到新线程
7.     });
9.     handle.join().unwrap();
10. }

复制代码

在上面的代码中，data是一个Vec<i32>，它实现了Send，因此可以安全地通报到新线程。这里的move关键字将data的全部权转移到新的线程中，而不会产生数据竞争。
非Send类型

某些类型不能实现Send，尤其是那些包含不可变引用或引用计数的类型。比方，Rc<T>（引用计数指针）和RefCell<T>（可变借用类型）都不能在多个线程之间通报，因为它们依赖于线程局部存储的引用计数或可变借用，这在多线程环境中是不安全的。

1. use std::rc::Rc;
2. use std::thread;
4. fn main() {
5.     let rc = Rc::new(5);
6.     let handle = thread::spawn(move || {
7.         println!("{:?}", rc); // 编译错误，Rc不能被跨线程传递
8.     });
10.     handle.join().unwrap();
11. }

复制代码

这段代码会编译失败，因为Rc不能在多个线程间通报。
2. 什么是Sync？

Sync是另一个标记trait，用来标识一个类型可以安全地在多个线程之间共享引用。换句话说，假如一个类型实现了Sync，那么它的引用可以在多个线程中共享而不会引发数据竞争。
Sync的关键点

• Sync表示类型的引用可以在多个线程间共享。
  
• 只有当类型的内部数据能够被多个线程安全地访问时，它才会实现Sync。
  
• 假如类型实现了Sync，则该类型的引用（如&T）可以在线程间共享。
  

示例

1. use std::sync::{Arc, Mutex};
2. use std::thread;
4. fn main() {
5.     let data = Arc::new(Mutex::new(0));
6.     let mut handles = vec![];
8.     for _ in 0..10 {
9.         let data = Arc::clone(&data);
10.         let handle = thread::spawn(move || {
11.             let mut num = data.lock().unwrap();
12.             *num += 1;
13.         });
14.         handles.push(handle);
15.     }
17.     for handle in handles {
18.         handle.join().unwrap();
19.     }
21.     println!("Result: {}", *data.lock().unwrap());
22. }

复制代码

在这段代码中，Arc和Mutex都实现了Sync，它们允很多个线程共享对同一数据的引用。Mutex确保同一时间只有一个线程可以访问数据，而Arc则使得可以在多个线程中共享对Mutex的全部权。
如何明白Sync

• Sync类型可以在多个线程之间共享，但数据的访问可能需要额外的同步机制（如Mutex或RwLock）。
  
• Sync不意味着类型自己提供内置的线程安全行为，而是指它的引用可以安全地被多个线程同时访问。
  

3. Send与Sync的关系

Send与Sync的常见误解

• Send与Sync常常一起利用：很多类型实现了Send，也会实现Sync。比方，Arc<T>和Mutex<T>都实现了Sync，并且它们在多个线程之间通报时也能保证线程安全。
  
• Send和Sync并不是一回事：Send关注的是如安在多个线程间通报数据（即全部权转移），而Sync关注的是如安在多个线程间共享数据（即引用共享）。
  

一些容易混淆的例子

Vec<T>是Send但不是Sync

Vec<T>是一个常见的动态数组类型。它实现了Send，因为你可以将Vec<T>的全部权转移到另一个线程，但它并不实现Sync，因为Vec<T>的引用不能在多个线程之间共享。

1. use std::thread;
3. fn main() {
4.     let vec = vec![1, 2, 3, 4, 5];
5.     let handle = thread::spawn(move || {
6.         println!("{:?}", vec); // vec 被移动到新的线程
7.     });
9.     handle.join().unwrap();
10. }

复制代码

在这段代码中，Vec<T>的全部权被安全地通报到新线程。但是，Vec<T>自己不能在多个线程中共享引用，因为它并没有提供任何同步机制来保证数据的同等性。
Mutex<T>是Sync但不是Send

Mutex<T>是一个提供互斥访问的数据结构，它允许一个线程锁定并修改数据，但它自己并不总是Send，特殊是当它内部存储的数据类型不是Send时。

1. use std::sync::Mutex;
2. use std::rc::Rc;
3. use std::thread;
5. fn main() {
6.     let data = Rc::new(5);
7.     let mutex = Mutex::new(data);
9.     let handle = thread::spawn(move || {
10.         let _locked_data = mutex.lock().unwrap(); // 编译错误，因为Rc不能被跨线程传递
11.     });
13.     handle.join().unwrap();
14. }

复制代码

由于Rc<T>不是Send的，所以Mutex<Rc<T>>也不能在多个线程之间通报。
Arc<T>是Send和Sync

Arc<T>（原子引用计数）是一个线程安全的智能指针，它允许在多个线程之间共享全部权。Arc<T>实现了Send和Sync，因此它的引用可以在多个线程中安全地共享和通报。

1. use std::sync::Arc;
2. use std::thread;
4. fn main() {
5.     let data = Arc::new(5);
6.     let handles: Vec<_> = (0..10).map(|_| {
7.         let data = Arc::clone(&data);
8.         thread::spawn(move || {
9.             println!("{}", data); // 共享引用
10.         })
11.     }).collect();
13.     for handle in handles {
14.         handle.join().unwrap();
15.     }
16. }

复制代码

在这段代码中，Arc<T>使得我们可以跨多个线程共享数据的引用，并确保线程安全。
4. 小结：常见的混淆点

• Vec<T>是Send但不是Sync：Vec可以被移动到其他线程，但它不能在多个线程中共享引用。
  
• Mutex<T>是Sync但不是Send：Mutex<T>提供互斥访问，但它不能在多个线程间通报，尤其是当其内部类型不是Send时。
  
• Arc<T>是Send和Sync：Arc<T>是一个线程安全的引用计数指针，可以在多个线程间共享，既能实现Send也能实现Sync。
  

明白这些眇小的差异对在Rust中编写安全的并发代码至关重要。Rust的全部权和借用系统确保了线程安全，但也要求开发者明确明白每种类型在多线程环境中的行为。通过合理利用Send和Sync，可以制止数据竞争和未界说行为，并写出更加结实的并发代码。

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