透过 Rust 探索系统的本原：并发原语

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pub enum Ordering {    Relaxed,    Release,    Acquire,    AcqRel,    SeqCst,}

文档里解释了几种 Ordering 的用途，我来稍稍扩展一下：

1. Relaxed：这是最宽松的规则，它对编译器和 CPU 不做任何限制，可以乱序

2. Release：当我们写入数据（上面的 store）的时候，如果用了 Release order，那么：

• 对于其它线程，如果它们使用了 Acquire 来读取这个 atomic 的数据， 那么它们看到的是修改后的结果。因为上文中我们在 compare_exchange 里使用了 Acquire 来读取，所以保证读到最新的值。

• 对于当前线程，任何读取或写入操作都不能被被乱序排在这个 store 之后。也就是说，在上文的例子里，CPU 或者编译器不能把 **3 挪到 **4 之后执行。

3. Acquire：当我们读取数据的时候，如果用了 Acquire order，那么：

• 对于其它线程，如果使用了 Release 来修改数据，那么，修改的值对当前线程可见。

• 对于当前线程，任何读取或者写入操作都不能被乱序排在这个读取之前。在上文的例子里，CPU 或者编译器不能把 **3 挪到 **1 之前执行。

4. AcqRel：Acquire 和 Release 的结合，同时拥有 Acquire 和 Release 的保证。这个一般用在 fetch_xxx 上，比如你要对一个 atomic 自增 1，你希望这个操作之前和之后的读取或写入操作不会被乱序，并且操作的结果对其它线程可见。

5. SeqCst：最严格的 ordering，除了 AcqRel 的保证外，它还保证所有线程看到的所有的 SeqCst 操作的顺序是一致的。

因为 CAS 和 ordering 都是系统级的操作，所以上面我描述的 Ordering 的用途在各种语言中都大同小异。对于 Rust 来说，它的 atomic 原语是继承于 C++，见[5]。如果读 Rust 的文档你感觉云里雾里，那么 C++ 的关于 ordering 的文档要清晰得多。

好，上述的锁的实现的完整代码如下：

pub fn with_lock(&self, op: impl FnOnce(&mut T) -> R) -> R {    while self        .locked        .compare_exchange(false, true, Ordering::Acquire, Ordering::Relaxed)        .is_err()    {        while self.locked.load(Ordering::Relaxed) == true {}    }    let ret = op(unsafe { &mut *self.v.get() });    self.locked.store(false, Ordering::Release);    ret}

注意，我们在 while loop 里，又嵌入了一个 loop，这是因为 CAS 是个代价比较高的操作，它需要获得对应内存的独占访问（exclusive access），我们希望失败的时候只是简单读取 atomic 的状态，只有符合条件的时候再去做独占访问，进行 CAS。所以，看上去我们多做了一层循环，实际代码的效率更高。

以下是两个线程同步的过程，一开始 t1 拿到锁，t2 spin，之后 t1 释放锁，t2 进入到临界区执行：

通过上面的例子，相信你对 atomic 以及其背后的 CAS 有个初步的了解，如果你还想对 Rust 下使用 atomic 有更多更深入的了解，可以看 Jon Gjengset 最新一期 Crust of Rust: Atomics and Memory Ordering [6]。巧的是这周我计划写有关并发原语的文章，Jon 的视频就出来了，帮我进一步夯实了关于 atomic 的知识。

上文中，为了展示如何使用 atomic，我们制作了一个非常粗糙简单的 SpinLock [7]。SpinLock，顾名思义，就是线程通过 CPU 空转（spin，就像上文中的 while loop），来等待某个锁可用的一种锁。SpinLock 和 Mutex lock 最大的不同是，使用 SpinLock，线程在忙等（busy wait），而使用 Mutex lock，线程会在等待锁的时候被调度出去，等锁可用时再被被调度回来。

听上去 SpinLock 似乎效率很低，但这要具体看锁的临界区的大小。如果临界区要执行的代码很少，那么和 Mutex lock 带来的上下文切换（context switch）相比，SpinLock 是值得的。在 Linux Kernel 中，很多时候，我们只能使用 SpinLock。

Rust 的 spin-rs crate [8] 提供了 spinlock 的实现。

那么，atomic 除了做其它并发原语，还有什么作用？

我个人用的最多的是做各种 lock-free 的数据结构。比如，我们需要一个全局的 id 生成器。我们当然可以使用 uuid 这样的模块来生成唯一的 id，但如果我们同时需要这个 id 是有序的，那么 AtomicUsize 就是最好的选择。你可以用 fetch_add 来增加这个 id，而 fetch_add 返回的结果就可以用于当前的 id。这样，我们不需要加锁，就得到了一个可以在多线程中安全使用的 id 生成器。

另外，atomic 还可以用于记录系统的各种 metrics。比如我做的一个简单的 in-memory Metrics 模块：

use std::{    collections::HashMap,    sync::atomic::{AtomicUsize, Ordering},};
// server statisticspub struct Metrics(HashMapstatic str, AtomicUsize>);
impl Metrics {    pub fn new(names: &[&'static

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