使用多线程安全修改共享计数器

题目

使用多线程安全修改共享计数器

信息

• 类型：问答
• 难度：⭐

考点

线程创建,共享数据同步,Arc与Mutex使用

快速回答

修正代码的关键步骤：

1. 使用Arc<Mutex<T>>包装共享数据
2. 在闭包内克隆Arc并移动所有权
3. 通过lock()获取互斥锁修改数据

正确代码结构：

use std::sync::{Arc, Mutex};
use std::thread;

fn main() {
    let counter = Arc::new(Mutex::new(0));
    let mut handles = vec![];

    for _ in 0..2 {
        let counter = Arc::clone(&counter);
        let handle = thread::spawn(move || {
            // 加锁修改数据
        });
        handles.push(handle);
    }
    // 等待线程结束
}

问题背景

在Rust并发编程中，当多个线程需要修改同一共享数据时，必须解决两个核心问题：1) 所有权的跨线程传递；2) 数据竞争的避免。原始代码尝试直接在线程闭包中移动Mutex的所有权，这违反了Rust的所有权规则。

错误代码分析

// 错误示例
let counter = Mutex::new(0);
thread::spawn(move || { 
    // 错误：counter被第一个线程移动后，第二个线程无法使用
    let mut num = counter.lock().unwrap();
    *num += 1;
});

主要错误：

• 所有权冲突：move闭包尝试获取counter的所有权，但多个线程不能共享同一所有权
• 未实现共享：Mutex本身不具备多线程共享能力，需要配合智能指针

解决方案

使用Arc<Mutex<T>>组合：

use std::sync::{Arc, Mutex};
use std::thread;

fn main() {
    // 用Arc包装Mutex
    let counter = Arc::new(Mutex::new(0));
    let mut handles = vec![];

    for _ in 0..2 {
        // 克隆Arc指针（增加引用计数）
        let counter = Arc::clone(&counter);
        let handle = thread::spawn(move || {
            for _ in 0..1000 {
                // 获取互斥锁
                let mut num = counter.lock().unwrap();
                *num += 1;  // 安全修改数据
            } // 锁自动释放
        });
        handles.push(handle);
    }

    // 等待所有线程完成
    for handle in handles {
        handle.join().unwrap();
    }

    // 打印最终结果
    println!("Result: {}", *counter.lock().unwrap());
}

核心原理

• Arc（原子引用计数）：实现所有权的多线程共享，通过克隆增加引用计数
• Mutex（互斥锁）：确保同时只有一个线程能访问数据，防止数据竞争
  • lock()方法阻塞线程直到获取锁
  • 返回的MutexGuard在离开作用域时自动释放锁

最佳实践

1. 最小化锁范围：在{}代码块内持有锁，尽快释放
2. 错误处理：使用lock().expect("锁错误")处理可能的PoisonError
3. 性能考虑：对于高并发场景，可评估RwLock（读写锁）替代

常见错误

扩展知识

• 原子类型：对于简单整数操作，AtomicUsize比Mutex更高效
• 作用域线程：std::thread::scope可避免显式使用Arc
• 无锁编程：高阶主题，使用crossbeam等库实现复杂并发结构