Rust自定義原子參考計數Arc實作

在 Rust 的並發程式設計中，有效管理分享所有權至關重要。本文將引導你逐步建構一個自定義的原子參考計數（Arc）型別，如同標準函式庫提供的 Arc，並深入剖析其內部機制。此自定義 Arc 將包含核心功能，如參考計數、執行緒安全以及資料的分享存取。我們將探討如何利用原子操作確保執行緒安全，並探討 Deref 特性如何讓 Arc 表現得像一般的參照。最後，我們將探討如何安全地取得可變的資料存取權，以及弱指標如何避免迴圈參照問題，並提供程式碼範例和測試案例。

自定義原子參考計數（Arc）實作詳解

在 Rust 中，Arc（原子參考計數）是一種用於實作分享所有權的智慧指標。本章將探討如何自定義實作一個類別似於標準函式庫中的 Arc，並詳細解析其內部實作機制。

為什麼需要自定義 Arc？

標準函式庫中的 Arc 提供了強大的分享所有權管理功能，但瞭解其內部實作機制對於深入理解 Rust 的所有權系統和並發程式設計至關重要。自定義實作 Arc 不僅能幫助我們更好地理解其工作原理，還能根據特定需求進行最佳化。

基礎結構定義

首先，我們需要定義 Arc 的基礎結構。與標準 Arc 類別似，我們的實作將根據一個包含參考計數和實際資料的結構體 ArcData。

use std::ptr::NonNull;
use std::sync::atomic::{AtomicUsize, Ordering};
use std::ops::Deref;

struct ArcData<T> {
    ref_count: AtomicUsize,
    data: T,
}

pub struct Arc<T> {
    ptr: NonNull<ArcData<T>>,
}

內容解密：

• ArcData<T> 結構體包含一個 AtomicUsize 型別的 ref_count 用於原子性地管理參考計數，以及一個泛型 T 型別的 data 用於儲存實際資料。
• Arc<T> 結構體包含一個 NonNull<ArcData<T>> 型別的 ptr，它是一個永遠不會為空的指標，指向 ArcData<T>。

Send 和 Sync 特性實作

為了確保 Arc<T> 可以安全地在執行緒之間分享和傳遞，我們需要為其實作 Send 和 Sync 特性。

unsafe impl<T: Send + Sync> Send for Arc<T> {}
unsafe impl<T: Send + Sync> Sync for Arc<T> {}

內容解密：

• 只有當 T 同時實作了 Send 和 Sync 特性時，Arc<T> 才會實作 Send。這是因為 Arc<T> 需要能夠在執行緒之間分享 T，並且能夠將 T 從一個執行緒轉移到另一個執行緒。
• 同樣地，Arc<T> 實作 Sync 也需要 T 同時實作 Send 和 Sync，因為分享的 &Arc<T> 可以被複製到新的 Arc<T> 中。

新建 Arc 例項

接下來，我們實作 Arc::new 方法來建立新的 Arc 例項。

impl<T> Arc<T> {
    pub fn new(data: T) -> Arc<T> {
        Arc {
            ptr: NonNull::from(Box::leak(Box::new(ArcData {
                ref_count: AtomicUsize::new(1),
                data,
            }))),
        }
    }
}

內容解密：

• 使用 Box::new 建立一個新的 ArcData<T> 例項，並將其參考計數初始化為 1。
• 使用 Box::leak 放棄對該例項的獨佔所有權，並將其轉換為一個原始指標。
• 使用 NonNull::from 將該原始指標轉換為 NonNull<ArcData<T>>。

Deref 特性實作

為了使 Arc<T> 能夠像參照一樣行為，我們需要實作 Deref 特性。

impl<T> Deref for Arc<T> {
    type Target = T;

    fn deref(&self) -> &T {
        &self.data().data
    }
}

impl<T> Arc<T> {
    fn data(&self) -> &ArcData<T> {
        unsafe { self.ptr.as_ref() }
    }
}

內容解密：

• data 方法透過 NonNull 指標存取 ArcData<T>，並傳回對其的參照。由於這涉及到原始指標的操作，因此需要在 unsafe 區塊中進行。
• deref 方法傳回對 ArcData<T> 中 data 欄位的參照，使得 Arc<T> 可以被當作 &T 使用。

Clone 實作

Arc<T> 的 clone 方法會增加參考計數，並傳回一個新的 Arc<T> 例項。

impl<T> Clone for Arc<T> {
    fn clone(&self) -> Self {
        if self.data().ref_count.fetch_add(1, Ordering::Relaxed) > usize::MAX / 2 {
            std::process::abort();
        }
        Arc {
            ptr: self.ptr,
        }
    }
}

內容解密：

• 使用 fetch_add 以原子方式增加參考計數。這裡使用 Ordering::Relaxed 記憶體排序，因為參考計數的操作不需要嚴格的 happens-before 關係。
• 如果參考計數接近溢位（超過 usize::MAX / 2），則呼叫 std::process::abort() 終止程式。

Drop 實作

當 Arc<T> 被丟棄時，我們需要減少參考計數。如果參考計數降到 0，則需要釋放 ArcData<T> 所佔用的記憶體。

impl<T> Drop for Arc<T> {
    fn drop(&mut self) {
        if self.data().ref_count.fetch_sub(1, Ordering::Release) == 1 {
            unsafe {
                std::sync::atomic::fence(Ordering::Acquire);
                drop(Box::from_raw(self.ptr.as_ptr()));
            }
        }
    }
}

內容解密：

• 使用 fetch_sub 以原子方式減少參考計數，並使用 Ordering::Release 記憶體排序，以確保在最後一個 Arc<T> 被丟棄之前，所有對 T 的存取都已完成。

• 如果參考計數降到 0，則使用 Box::from_raw 重新獲得對 ArcData<T> 的獨佔所有權，並立即丟棄它。

• 在 fetch_sub 之後使用 std::sync::atomic::fence(Ordering::Acquire) 以確保在釋放記憶體之前，所有必要的同步操作都已完成。

• 最佳化參考計數操作：目前的實作在參考計數接近溢位時會終止程式。未來可以考慮實作更複雜的溢位處理機制。

• 支援弱參照：可以新增對弱參照的支援，以允許在不影響 Arc<T> 生命週期的情況下觀察 T。

• 擴充套件同步機制：可以探索使用更先進的同步機制來進一步最佳化 Arc<T> 的效能。

參考資料

• Rust 標準函式庫檔案
• Rust 程式語言書籍

透過本章的學習，我們不僅掌握了自定義 Arc 的實作方法，還深入理解了 Rust 中的並發程式設計和所有權管理。這些知識將有助於我們在未來開發更高效、更安全的並發程式。

實作與測試自定義 Arc

在前面的章節中，我們實作了一個基本的 Arc（原子性參考計數）智慧指標。本章節將對其進行詳細的測試，以確保其正確性，並進一步擴充套件其功能，包括實作 get_mut 方法和弱指標（Weak）。

測試自定義 Arc

為了驗證我們實作的 Arc 是否正確，我們可以撰寫單元測試。以下是一個簡單的測試範例：

#[test]
fn test_arc() {
    static NUM_DROPS: AtomicUsize = AtomicUsize::new(0);
    
    struct DetectDrop;
    
    impl Drop for DetectDrop {
        fn drop(&mut self) {
            NUM_DROPS.fetch_add(1, Relaxed);
        }
    }
    
    // 建立兩個 Arc，共用一個包含字串和 DetectDrop 的物件
    let x = Arc::new(("hello", DetectDrop));
    let y = x.clone();
    
    // 將 x 傳送到另一個執行緒並使用它
    let t = std::thread::spawn(move || {
        assert_eq!(x.0, "hello");
    });
    
    // 同時，y 在這裡仍然可用
    assert_eq!(y.0, "hello");
    
    // 等待執行緒完成
    t.join().unwrap();
    
    // 此時，x 應該已經被丟棄，但 y 仍在使用該物件
    assert_eq!(NUM_DROPS.load(Relaxed), 0);
    
    // 丟棄剩餘的 Arc
    drop(y);
    
    // 現在 y 也被丟棄，物件應該被釋放
    assert_eq!(NUM_DROPS.load(Relaxed), 1);
}

內容解密：

這段程式碼測試了我們實作的 Arc 的基本功能。它建立了兩個 Arc 例項，x 和 y，它們共用同一個物件。然後，它將 x 傳送到另一個執行緒，並在主執行緒中使用 y。透過檢查 DetectDrop 的 drop 方法呼叫次數，我們可以驗證當最後一個 Arc 被丟棄時，物件是否被正確釋放。

使用 Miri 進行測試

Miri 是一個非常有用的工具，用於檢查 unsafe 程式碼中的未定義行為。我們可以使用 Miri 來執行我們的測試，以獲得對實作正確性的更大信心。

# 使用 Miri 執行測試
cargo miri test

內容解密：

Miri 是一個 Rust 中級表示（Mid-Level Intermediate Representation, MIR）的直譯器。它能夠檢測許多可能導致未定義行為的問題，包括資料競爭。雖然 Miri 執行程式的速度比原生執行慢，但它提供了額外的安全保障。

實作 get_mut 方法

由於 Arc 可能被多個執行緒共用，我們無法無條件地提供對資料的獨佔存取（&mut T）。然而，我們可以實作一個 get_mut 方法，僅當參考計數為 1 時才傳回 &mut T。

pub fn get_mut(arc: &mut Self) -> Option<&mut T> {
    if arc.data().ref_count.load(Relaxed) == 1 {
        fence(Acquire);
        // 安全：由於參考計數為 1，我們可以確定沒有其他 Arc 存取相同的資料
        unsafe { Some(&mut arc.ptr.as_mut().data) }
    } else {
        None
    }
}

內容解密：

get_mut 方法檢查 Arc 的參考計數是否為 1。如果是，它將傳回對資料的獨佔參照（&mut T）。為了確保記憶體序的正確性，我們在傳回 &mut T 之前使用 fence(Acquire)。這確保了在參考計數降至 1 之前，所有對資料的存取都已經完成。

弱指標（Weak）

參考計數可能導致迴圈參照問題。為瞭解決這個問題，我們可以實作弱指標（Weak）。Weak 不會阻止物件被丟棄，但它允許我們在需要時存取物件。

pub struct Weak<T> {
    ptr: NonNull<ArcData<T>>,
}

impl<T> Weak<T> {
    pub fn upgrade(&self) -> Option<Arc<T>> {
        // 嘗試將弱指標升級為 Arc
        let count = self.ptr.as_ref().ref_count.fetch_add(1, Relaxed);
        if count == 0 {
            // 如果參考計數為 0，表示物件已經被丟棄
            self.ptr.as_ref().ref_count.fetch_sub(1, Relaxed);
            None
        } else {
            Some(Arc { ptr: self.ptr })
        }
    }
}

內容解密：

Weak 結構體持有對 ArcData 的非空指標。upgrade 方法嘗試將 Weak 升級為 Arc。如果成功，它將傳回一個新的 Arc 例項；否則，它將傳回 None，表示物件已經被丟棄。