在這個(gè)POC（概念證明）中，我們將探索Rust語(yǔ)言如何處理競(jìng)爭(zhēng)條件，并將其與C ，一種廣泛使用的語(yǔ)言，但競(jìng)爭(zhēng)的安全保障較少。

Rust 線??程安全性：與 C 的比較

線程安全：從 C 到 Rust 的數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)

指數(shù)

一、簡(jiǎn)介
2. 線程
3. C 語(yǔ)言的實(shí)現(xiàn)
• 3.1.沒(méi)有針對(duì)競(jìng)爭(zhēng)條件的保護(hù)的代碼
  3.2.使用互斥體修復(fù)
4. Rust 中的實(shí)現(xiàn)
• 4.1.競(jìng)爭(zhēng)條件問(wèn)題
  4.2.互斥體和弧的解析
  4.3.互斥體對(duì)比讀寫鎖
5. 結(jié)論
6. 參考文獻(xiàn)

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一、簡(jiǎn)介

在計(jì)算中，

線程用于將軟件任務(wù)劃分為可以并發(fā)執(zhí)行的子任務(wù)。通過(guò)使用線程，我們獲得了處理時(shí)間并更好地利用機(jī)器的資源，但這種競(jìng)爭(zhēng)帶來(lái)了挑戰(zhàn)，例如競(jìng)爭(zhēng)條件，這可能會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)的嚴(yán)重不一致。

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2. 線程

線程是允許您同時(shí)處理任務(wù)的執(zhí)行單元。我們可以將線程視為程序內(nèi)獨(dú)立的執(zhí)行流，如下圖所示：

雖然線程帶來(lái)了性能優(yōu)勢(shì)，但它們也帶來(lái)了風(fēng)險(xiǎn)，尤其是在訪問(wèn)共享資源時(shí)。

此外，線程還可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)并行性，即多個(gè)任務(wù)在不同的CPU核心上同時(shí)執(zhí)行。這使得程序能夠更好地利用可用的硬件，加快獨(dú)立任務(wù)的執(zhí)行速度。

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3. C 語(yǔ)言的實(shí)現(xiàn)

讓我們?cè)?

C 中創(chuàng)建一個(gè)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)：

初始余額為 1000。
一組可以是貸方或借方的交易。
使用線程并行處理這些事務(wù)。

3.1.沒(méi)有針對(duì)競(jìng)爭(zhēng)條件的保護(hù)的代碼

int saldo = 1000; 

void creditar(int valor) {
    int tmp_saldo = saldo;

    sleep(1); // Delay simulado

    saldo += tmp_saldo + valor;
}

void debitar(int valor) {
    int temp = saldo;

    sleep(1); // Delay simulado

    if (temp >= valor) {
        saldo = temp - valor;
    }
}

void* processar_transacao(void* arg) {
    int valor = *(int*)arg;

    if (valor > 0) {
        creditar(valor);
    } else {
        debitar(abs(valor));
    }

    return NULL;
}

int main() {
    int transactions[] = {100, -50, 200, -150, 300, -200, 150, -100, 50, -50};
    int num_transactions = sizeof(transactions) / sizeof(transactions[0]);

    pthread_t threads[num_transactions];

    for (int i = 0; i < num_transactions; i++) {
        pthread_create(&threads[i], NULL, processar_transacao, &transactions[i]); // Cria uma thread para cada transa??o
    }

    for (int i = 0; i < num_transactions; i++) {
        pthread_join(threads[i], NULL); // Aguarda todas as threads terminarem
    }

    printf("Saldo final da conta: %d\n", saldo);
    return 0;
}

當(dāng)我們選擇具有

多線程處理的環(huán)境時(shí)，我們所說(shuō)的競(jìng)爭(zhēng)條件可能會(huì)發(fā)生，當(dāng)兩個(gè)線程訪問(wèn)并修改相同的值時(shí)，我們就會(huì)出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)條件。出現(xiàn)此問(wèn)題的原因是，由于調(diào)用之間的競(jìng)爭(zhēng)，無(wú)法保證每個(gè)線程中訪問(wèn)的值的同步。

多次執(zhí)行此代碼時(shí)，最終余額會(huì)有所不同，因?yàn)榫€程同時(shí)訪問(wèn)和更改余額。

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3.2.使用互斥體修復(fù)

int saldo = 1000; 

void creditar(int valor) {
    int tmp_saldo = saldo;

    sleep(1); // Delay simulado

    saldo += tmp_saldo + valor;
}

void debitar(int valor) {
    int temp = saldo;

    sleep(1); // Delay simulado

    if (temp >= valor) {
        saldo = temp - valor;
    }
}

void* processar_transacao(void* arg) {
    int valor = *(int*)arg;

    if (valor > 0) {
        creditar(valor);
    } else {
        debitar(abs(valor));
    }

    return NULL;
}

int main() {
    int transactions[] = {100, -50, 200, -150, 300, -200, 150, -100, 50, -50};
    int num_transactions = sizeof(transactions) / sizeof(transactions[0]);

    pthread_t threads[num_transactions];

    for (int i = 0; i < num_transactions; i++) {
        pthread_create(&threads[i], NULL, processar_transacao, &transactions[i]); // Cria uma thread para cada transa??o
    }

    for (int i = 0; i < num_transactions; i++) {
        pthread_join(threads[i], NULL); // Aguarda todas as threads terminarem
    }

    printf("Saldo final da conta: %d\n", saldo);
    return 0;
}

互斥體是一種同步原語(yǔ)，可確保一次只有一個(gè)線程可以訪問(wèn)共享資源?？s寫詞互斥體來(lái)自英文術(shù)語(yǔ)互斥，意思是“互斥”。

當(dāng)一個(gè)線程獲取互斥體時(shí)，任何其他嘗試獲取相同互斥體的線程都會(huì)被掛起，直到第一個(gè)線程釋放互斥體。這可以防止兩個(gè)或多個(gè)進(jìn)程（線程）同時(shí)訪問(wèn)共享資源。

4. Rust 中的實(shí)現(xiàn)

int saldo = 1000; 
pthread_mutex_t saldo_mutex; // Mutex para proteger o saldo

void creditar(int valor) { 
    pthread_mutex_lock(&saldo_mutex); // Bloqueia o mutex
    int tmp_saldo = saldo;

    sleep(1); // Delay simulado

    saldo = tmp_saldo + valor;

    pthread_mutex_unlock(&saldo_mutex); // Libera o mutex
}

void debitar(int valor) {
    pthread_mutex_lock(&saldo_mutex); // Bloqueia o mutex
    int tmp_saldo = saldo;

    sleep(1); // Delay simulado

    if (tmp_saldo >= valor) {
        saldo = tmp_saldo - valor;
    }

    pthread_mutex_unlock(&saldo_mutex);  // Libera o mutex
}

將 Rust 視為一種不存在于數(shù)據(jù)競(jìng)賽中的語(yǔ)言并不高效，但我們可以理解 結(jié)構(gòu) 及其編譯器如何通過(guò)為內(nèi)存和線程安全帶來(lái)出色的功能來(lái)做出貢獻(xiàn)。

Rust 使用 所有權(quán)、借用 和并發(fā)安全結(jié)構(gòu)等功能，通過(guò)編譯時(shí)保證來(lái)對(duì)待競(jìng)爭(zhēng)條件：

• Arc：安全共享不可變數(shù)據(jù)。
• Mutex 和 RwLock：可變數(shù)據(jù)的訪問(wèn)控制。

4.1.競(jìng)爭(zhēng)條件問(wèn)題

不使用 Arc 和 Mutex 結(jié)構(gòu)

Rust’s rich type system and ownership model guarantee memory-safety and thread-safety — enabling you to eliminate many classes of bugs at compile-time.

Rust 不允許在沒(méi)有保護(hù)的情況下從多個(gè)線程直接訪問(wèn)可變數(shù)據(jù)（余額）。
編譯器將生成錯(cuò)誤，因?yàn)橛囝~在沒(méi)有安全機(jī)制的情況下被移動(dòng)到多個(gè)線程（handle1 和 handle2）。
將顯示的錯(cuò)誤消息是：

fn main() {
    let mut saldo = 1000; // saldo mutável, mas sem prote??o

    let handle1 = thread::spawn(move || {
        saldo += 100;  // erro: `saldo` é movido para esta thread sem prote??o
    });

    let handle2 = thread::spawn(move || {
        saldo -= 50;  // erro: `saldo` é movido para esta thread sem prote??o
    });

    handle1.join().unwrap();
    handle2.join().unwrap();
}

4.2.互斥體和弧的解析

使用 Mutex 和 Arc，我們能夠編譯并執(zhí)行我們的代碼，并解決了競(jìng)爭(zhēng)條件問(wèn)題。

error[E0382]: use of moved value: `saldo`

4.3.互斥體對(duì)比讀寫鎖

Mutex 和 RwLock 用于處理競(jìng)爭(zhēng)條件，各自具有特定的優(yōu)點(diǎn)：

互斥體：保證一個(gè)線程對(duì)資源的獨(dú)占訪問(wèn)，阻止對(duì)其他線程的訪問(wèn)，直到該線程被釋放。它簡(jiǎn)單而有效，但即使是讀取也會(huì)阻塞資源，從而在讀取密集的場(chǎng)景中效率較低。

RwLock：使用 .read() 允許多個(gè)同時(shí)讀取，并使用 .write() 限制獨(dú)占寫入。它非常適合以讀取為主的場(chǎng)景，因?yàn)樗ㄟ^(guò)允許讀取操作中的并行性來(lái)提高性能。

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5. 結(jié)論

C 和 Rust 之間的比較突出了解決競(jìng)爭(zhēng)條件的不同方法。 C 需要注意避免競(jìng)爭(zhēng)條件錯(cuò)誤，而 Rust 除了所有權(quán)模型之外還通過(guò) Mutex、RwLock 和 Arc 等工具在編譯時(shí)降低了這些風(fēng)險(xiǎn)。這不僅使代碼更加安全，還通過(guò)避免無(wú)聲錯(cuò)誤減少了程序員的心理負(fù)擔(dān)。

總之，Rust 將自己定位為開(kāi)發(fā)競(jìng)爭(zhēng)系統(tǒng)的絕佳選擇，提供安全性和可靠性。

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6. 參考文獻(xiàn)

• 帶有代碼的倉(cāng)庫(kù)：https://github.com/z4nder/rust-data-races
• https://en.wikipedia.org/wiki/Race_condition
• https://blog.bughunt.com.br/o-que-sao-vulnerabilidades-race-condition/
• https://medium.com/cwi-software/spring-boot-race-condition-e-ambiente-multi-thread-263b21e0042e
• https://learn.microsoft.com/en-us/troubleshoot/developer/visualstudio/visual-basic/language-compilers/race-conditions-deadlocks
• https://www.reddit.com/r/rust/comments/18faxjg/understanding_threadsafety_vs_race_conditions/?rdt=52263
• https://doc.rust-lang.org/nomicon/races.html
• https://news.ycombinator.com/item?id=23599598

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