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atomics-and-ordering

原子与内存序（Acquire/Release/SeqCst）​

为什么需要原子​

在并发下，普通读写可能被编译器/CPU 重排，导致数据竞争与可见性问题。原子操作提供“不可分割”的读改写与可见性保证。

常用原子类型​

  • AtomicBool/AtomicIsize/AtomicUsize/AtomicI64/...
  • AtomicPtr<T>（指针原子）

内存序（Ordering）​

  • Relaxed：仅保证原子自身的原子性，不提供跨线程的顺序关系。
  • Acquire：读端获取，禁止其后操作重排到前面；与 Release 搭配形成“同步边”（happens-before）。
  • Release：写端释放，禁止其前操作重排到后面。
  • AcqRel：读改写操作的获取+释放。
  • SeqCst：最强保证，所有 SeqCst 操作在全局单序（total order）中一致。

示例：经典消息传递（message passing）

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

static DATA: AtomicUsize = AtomicUsize::new(0);
static FLAG: AtomicUsize = AtomicUsize::new(0);

fn main() {
    let t = thread::spawn(|| {
        DATA.store(42, Ordering::Relaxed);
        FLAG.store(1, Ordering::Release); // 发布
    });
    while FLAG.load(Ordering::Acquire) == 0 {} // 获取
    assert_eq!(DATA.load(Ordering::Relaxed), 42); // 可见
    t.join().unwrap();
}

compare_exchange 与弱 CAS​

  • compare_exchange(expected, new, success, failure)：在匹配 expected 时用 success 序；失败用 failure 序。
  • compare_exchange_weak 可能虚假失败，需在循环中重试；某些架构上更高效。

Fences（栅栏）​

  • atomic::fence(Ordering::SeqCst/Acquire/Release) 用于在无需具体原子读写时建立顺序边。

反模式与注意​

  • 混用原子与非原子访问同一位置（数据竞争）
  • 过度使用 SeqCst，降低性能；但也不要使用过弱的序导致竞态
  • 忽略“拆箱”问题：将多个相关字段拆成独立原子可能打破不变量，需要额外同步

工具​

  • loom：枚举并发交错测试算法正确性
  • ThreadSanitizer：检测数据竞争（注意对 Rust/async 的支持范围）