如何冻结 Rc 数据结构并跨线程发送

Question

我的应用程序分为两个阶段：

1. 创建了一个大型数据结构，涉及大量临时对象并使用引用计数进行堆管理
2. 将数据结构设为只读，任何仍处于活动状态的数据都将被停放，并将生成的结构发送到另一个线程进行读取。

（为了更加具体，应用程序是一个语言服务器，数据结构是处理单个文件，这些文件是单线程处理的，但其结果必须跨线程传递。）

目前，我使用Arc<T> 来管理数据结构，但由于阶段1 大且昂贵且单线程，我想将其切换为使用Rc<T>。但是Rc 既不是Send 也不是Sync 有充分的理由，除非程序中的所有内容基本上都使用线程安全原语，否则我无法发送数据结构或对它的引用。

我想推断，在第 2 阶段开始后，我们不再需要引用计数；线程1（所有者）不允许触摸引用计数，线程2（借用者）不允许克隆数据，只看它，所以它也不能触摸引用计数。我知道Rc 不会提供这组保证，因为您可以克隆Rc 给定共享引用。这种模式有安全的 API 吗？理想情况下，从第 1 阶段到第 2 阶段时，我不必复制任何数据。

这是一个玩具实现，只是为了给它添加一些代码。函数phase1() 在返回T 类型的数据结构之前会生成大量垃圾，然后在另一个线程上以只读方式在phase2() 中对其进行分析。如果将此代码中的Arc 更改为Rc，则会出现错误，因为它无法跨线程发送。

use std::sync::Arc;
use crossbeam::thread::scope; // uses the crossbeam crate for scoped threads

enum T { Nil, More(Arc<T>) }

fn phase1() -> T {
    let mut r = T::Nil;
    for i in 0..=5000 {
        r = T::Nil;
        for _ in 0..i { r = T::More(Arc::new(r)) }
    }
    r
}

fn phase2(mut t: &T) {
    let mut n = 0;
    while let T::More(a) = t {
        n += 1;
        t = a;
    }
    println!("length = {}", n); // should return length = 5000
}

fn main() {
    let r = phase1();
    scope(|s| { s.spawn(|_| phase2(&r)); }).unwrap();
}

Answer 1

我不太清楚你在大局中想要完成什么。我的收获是，您不想使用Arc 只是为了让数据结构可以在线程之间发送，而这只会发生一次。可以通过将类型包装在您手动实现Send 的另一种类型中来做到这一点。这真的非常不安全，因为编译器无法防范竞争条件。

use std::rc::Rc;
use std::thread::spawn;

// Foo is not Send because it contains a Rc
struct Foo {
    bar: Rc<bool>,
}

// Foowrapper is forced to be Send
struct FooWrapper {
    foo: Foo,
}
unsafe impl Send for FooWrapper {}

fn main() {
    println!("Hello, ?");

    // We can't send a Foo...
    let foo = Foo {
        bar: Rc::new(false),
    };

    // This blows everything up, and there is no
    // protection by the compiler
    // let secret_bar = Rc::clone(&foo.bar);

    // ...but we can send a FooWrapper.
    // I hereby promise that I *know* Foo is in a
    // state which is safe to be sent! I really checked
    // and no future updates in the code will harm me, ever!
    let wrap = FooWrapper { foo };
    spawn(move || {
        // Unwrap the Foo.
        let foo: Foo = wrap.foo;
        println!("{:?}", foo.bar);
    })
    .join()
    .unwrap();
}

在上面的例子中，我们发送一个包含Rc的数据结构，它不是Send。通过包裹FooWrapper，它变成Send。然而，留给我们100% 确定在FooWrapper 发送到另一个线程的那一刻，内部Foo 可以安全发送。例如，如果主线程具有bar 之一的克隆（例如let secret_bar = Rc::clone(&foo.bar);）并将其保留在发送点之外，则情况并非如此。这将允许两个线程不同步地删除它们的bar 版本，从而破坏Rc。