rust Atomic Ordering 可见性问题示例

2025-05-04

Atomic Ordering 可见性问题示例

在使用 Rust 的原子类型时，错误地选择 Ordering 可能会导致不同线程之间的数据不可见，进而出现逻辑错误。

以下是一个最常见的例子：线程 A 写入共享变量后设置“准备就绪”标志，线程 B 检查标志后读取变量，但由于 Ordering 不当，读取的值可能仍然是旧的。

⚠️ 错误示例：使用 Relaxed 导致线程间数据不可见

use std::sync::atomic::{AtomicBool, AtomicUsize, Ordering};
use std::thread;

static READY: AtomicBool = AtomicBool::new(false);
static DATA: AtomicUsize = AtomicUsize::new(0);

fn main() {
    let writer = thread::spawn(|| {
        DATA.store(42, Ordering::Relaxed);        // 写入数据
        READY.store(true, Ordering::Relaxed);     // 设置“准备好”标志
    });

    let reader = thread::spawn(|| {
        while !READY.load(Ordering::Relaxed) {
            std::hint::spin_loop(); // 忙等待
        }
        println!("Read data: {}", DATA.load(Ordering::Relaxed));
    });

    writer.join().unwrap();
    reader.join().unwrap();
}

💥 可能输出：

Read data: 0

❓ 为什么？

  • Relaxed 允许 CPU 和编译器乱序执行指令。
  • DATA.store(42) 可能在 READY.store(true) 之后执行。
  • 线程 B 虽然看到 READY = true，但不保证看到最新的 DATA。

✅ 正确示例：使用 Release / Acquire 保证顺序

use std::sync::atomic::{AtomicBool, AtomicUsize, Ordering};
use std::thread;

static READY: AtomicBool = AtomicBool::new(false);
static DATA: AtomicUsize = AtomicUsize::new(0);

fn main() {
    let writer = thread::spawn(|| {
        DATA.store(42, Ordering::Relaxed);        // 写入数据
        READY.store(true, Ordering::Release);     // 通知“写入完成”
    });

    let reader = thread::spawn(|| {
        while !READY.load(Ordering::Acquire) {
            std::hint::spin_loop(); // 忙等待
        }
        println!("Read data: {}", DATA.load(Ordering::Relaxed));
    });

    writer.join().unwrap();
    reader.join().unwrap();
}

✅ 输出稳定：

Read data: 42

📌 内存顺序总结

Ordering 含义描述
Relaxed 不保证任何顺序，仅保证原子性。适合无数据依赖的计数器、自增器。
Release 写操作的后续修改，在读者使用 Acquire 时才可见。用于“发布”状态。
Acquire 读取时，保证之前其他线程的 Release 写入可见。用于“读取已发布状态”。
SeqCst 最严格的顺序，保证所有线程中观察到相同的修改顺序，成本高。

✅ 使用建议

  • 自增计数器等无共享状态依赖：Relaxed
  • 标志位 + 共享数据模型：写 Release / 读 Acquire
  • 多线程有复杂依赖：建议用 SeqCst 或干脆使用 Mutex 简化问题

这个例子展示了：原子操作并不等于同步操作，真正安全的数据同步必须配合正确的 Ordering 策略使用。