Mutex用起來(lái)簡(jiǎn)單，但是無(wú)法并發(fā)讀，RwLock可以并發(fā)讀，但是使用場(chǎng)景較為受限且性能不夠，那么有沒(méi)有一種全能性選手呢？ 歡迎我們的Atomic閃亮登場(chǎng)。

從 Rust1.34 版本后，就正式支持原子類型。原子指的是一系列不可被 CPU 上下文交換的機(jī)器指令，這些指令組合在一起就形成了原子操作。在多核 CPU 下，當(dāng)某個(gè) CPU 核心開(kāi)始運(yùn)行原子操作時(shí)，會(huì)先暫停其它 CPU 內(nèi)核對(duì)內(nèi)存的操作，以保證原子操作不會(huì)被其它 CPU 內(nèi)核所干擾。

由于原子操作是通過(guò)指令提供的支持，因此它的性能相比鎖和消息傳遞會(huì)好很多。相比較于鎖而言，原子類型不需要開(kāi)發(fā)者處理加鎖和釋放鎖的問(wèn)題，同時(shí)支持修改，讀取等操作，還具備較高的并發(fā)性能，幾乎所有的語(yǔ)言都支持原子類型。

可以看出原子類型是無(wú)鎖類型，但是無(wú)鎖不代表無(wú)需等待，因?yàn)樵宇愋蛢?nèi)部使用了CAS循環(huán)，當(dāng)大量的沖突發(fā)生時(shí)，該等待還是得等待！但是總歸比鎖要好。

CAS 全稱是 Compare and swap, 它通過(guò)一條指令讀取指定的內(nèi)存地址，然后判斷其中的值是否等于給定的前置值，如果相等，則將其修改為新的值

原子類型的一個(gè)常用場(chǎng)景，就是作為全局變量來(lái)使用:

use std::sync::atomic::{AtomicI32, Ordering};
use std::thread::{self, JoinHandle};
static R: AtomicI32 = AtomicI32::new(0);
fn thread_add() {
    // 多個(gè)線程修改全局變量
    for i in 0..1000 {
        R.fetch_add(1, Ordering::Relaxed);
    }
}
fn main() {
    // This will POST a body of `foo=bar&baz=quux`
    let mut init_data = vec![1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10];
    let mut hand_list = Vec::with_capacity(init_data.len());
    for i in init_data {
        hand_list.push(thread::spawn(thread_add));
    }
    for h in hand_list {
        h.join().unwrap();
    }
    let r_value = R.load(Ordering::Relaxed);
    println!("全局變量最后的值是: {r_value:?}");
}

并且能夠保證數(shù)據(jù)讀寫(xiě)不出錯(cuò)：

以上代碼啟動(dòng)了數(shù)個(gè)線程，每個(gè)線程都在瘋狂對(duì)全局變量進(jìn)行加 1 操作, 最后將它與線程數(shù) * 加1次數(shù)進(jìn)行比較，如果發(fā)生了因?yàn)槎鄠€(gè)線程同時(shí)修改導(dǎo)致了臟數(shù)據(jù)，那么這兩個(gè)必將不相等。好在，它沒(méi)有讓我們失望，不僅快速的完成了任務(wù)，而且保證了 100%的并發(fā)安全性。

當(dāng)然以上代碼的功能其實(shí)也可以通過(guò)Mutex來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是后者的強(qiáng)大功能是建立在額外的性能損耗基礎(chǔ)上的，因此性能會(huì)遜色不少:

Atomic實(shí)現(xiàn)：673ms Mutex實(shí)現(xiàn): 1136ms

可以看到Atomic實(shí)現(xiàn)會(huì)比Mutex快41%，實(shí)際上在復(fù)雜場(chǎng)景下還能更快(甚至達(dá)到 4 倍的性能差距)！

還有一點(diǎn)值得注意: 和Mutex一樣，Atomic的值具有內(nèi)部可變性，你無(wú)需將其聲明為mut：

use std::sync::Mutex;
use std::sync::atomic::{Ordering, AtomicU64};
struct Counter {
    count: u64
}
fn main() {
    let n = Mutex::new(Counter {
        count: 0
    });
    n.lock().unwrap().count += 1;
    let n = AtomicU64::new(0);
    n.fetch_add(0, Ordering::Relaxed);
}

這里有一個(gè)奇怪的枚舉成員Ordering::Relaxed, 看上去很像是排序作用，但是我們并沒(méi)有做排序操作?。繉?shí)際上它用于控制原子操作使用的內(nèi)存順序。

內(nèi)存順序

內(nèi)存順序是指 CPU 在訪問(wèn)內(nèi)存時(shí)的順序，該順序可能受以下因素的影響：

代碼中的先后順序

編譯器優(yōu)化導(dǎo)致在編譯階段發(fā)生改變(內(nèi)存重排序 reordering)
運(yùn)行階段因 CPU 的緩存機(jī)制導(dǎo)致順序被打亂

限定內(nèi)存順序的 5 個(gè)規(guī)則：

在理解了內(nèi)存順序可能存在的改變后，你就可以明白為什么 Rust 提供了Ordering::Relaxed用于限定內(nèi)存順序了，事實(shí)上，該枚舉有 5 個(gè)成員:

Relaxed， 這是最寬松的規(guī)則，它對(duì)編譯器和 CPU 不做任何限制，可以亂序。
Release 釋放，設(shè)定內(nèi)存屏障(Memory barrier)，保證它之前的操作永遠(yuǎn)在它之前，但是它后面的操作可能被重排到它前面。
Acquire 獲取, 設(shè)定內(nèi)存屏障，保證在它之后的訪問(wèn)永遠(yuǎn)在它之后，但是它之前的操作卻有可能被重排到它后面，往往和Release在不同線程中聯(lián)合使用。
AcqRel, 是 Acquire 和 Release 的結(jié)合，同時(shí)擁有它們倆提供的保證。比如你要對(duì)一個(gè) atomic 自增 1，同時(shí)希望該操作之前和之后的讀取或?qū)懭氩僮鞑粫?huì)被重新排序。
SeqCst 順序一致性， SeqCst就像是AcqRel的加強(qiáng)版，它不管原子操作是屬于讀取還是寫(xiě)入的操作，只要某個(gè)線程有用到SeqCst的原子操作，線程中該SeqCst操作前的數(shù)據(jù)操作絕對(duì)不會(huì)被重新排在該SeqCst操作之后，且該SeqCst操作后的數(shù)據(jù)操作也絕對(duì)不會(huì)被重新排在SeqCst操作前。
這些規(guī)則由于是系統(tǒng)提供的，因此其它語(yǔ)言提供的相應(yīng)規(guī)則也大同小異，大家如果不明白可以看看其它語(yǔ)言的相關(guān)解釋。

Atomic 能替代鎖嗎

那么原子類型既然這么全能，它可以替代鎖嗎？答案是不行：

對(duì)于復(fù)雜的場(chǎng)景下，鎖的使用簡(jiǎn)單粗暴，不容易有坑
std::sync::atomic包中僅提供了數(shù)值類型的原子操作：AtomicBool, AtomicIsize, AtomicUsize, AtomicI8, AtomicU16等，而鎖可以應(yīng)用于各種類型
在有些情況下，必須使用鎖來(lái)配合，例如上一章節(jié)中使用Mutex配合Condvar

Atomic 的應(yīng)用場(chǎng)景

事實(shí)上，Atomic雖然對(duì)于用戶不太常用，但是對(duì)于高性能庫(kù)的開(kāi)發(fā)者、標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)開(kāi)發(fā)者都非常常用，它是并發(fā)原語(yǔ)的基石，除此之外，還有一些場(chǎng)景適用：

無(wú)鎖(lock free)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
全局變量，例如全局自增 ID, 在后續(xù)章節(jié)會(huì)介紹
跨線程計(jì)數(shù)器，例如可以用于統(tǒng)計(jì)指標(biāo)
以上列出的只是Atomic適用的部分場(chǎng)景，具體場(chǎng)景需要大家未來(lái)根據(jù)自己的需求進(jìn)行權(quán)衡選擇。

到此這篇關(guān)于rust使用Atomic創(chuàng)建全局變量和使用的文章就介紹到這了,更多相關(guān)rust創(chuàng)建全局變量?jī)?nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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