再谈 Send 与 Sync | Rust学习笔记

作者：谢敬伟，江湖人称“刀哥”，20年IT老兵，数据通信网络专家，电信网络架构师，目前任Netwarps开发总监。刀哥在操作系统、网络编程、高并发、高吞吐、高可用性等领域有多年的实践经验，并对网络及编程等方面的新技术有浓厚的兴趣。

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Send 与 Sync 可能是Rust多线程以及异步代码种最常见到的约束。在前面一篇讨论多线程的文章中介绍过这两个约束的由来。但是，真正书写比较复杂的代码时，还是会经常遇到编译器的各种不配合。这里借用我的同事遇到的一个问题再次举例谈一谈 Send 与 Sync 的故事。

基本场景

C/C++中不存在Send/Sync的概念，数据对象可以任意在多线程中访问，只不过需要程序员保证线程安全，也就是所谓“加锁”。而在Rust中，由于所有权的设计，不能直接将一个对象分成两份或多份，每个线程都放一份。一般地，如果一份数据仅仅子线程使用，我们会将数据的值转移至线程中，这也是Send的基础含义。因此，Rust代码经常会看到将数据clone()，然后move到线程中：

let b = aa.clone();
thread::spawn(move || {
    b...            
})

假如，数据需要在多线程共享，情况会复杂一些。我们一般不会在线程中直接使用外部环境变量引用。原因很简单，生命周期的问题。线程的闭包要求‘static，这会与被借用的外部环境变量的生命周期冲突，错误代码如下：

let bb = AA::new(8);
thread::spawn( || {
    let cc = &bb;  //closure may outlive the current function, but it borrows `bb`, which is owned by the current function
});

包裹一个Arc可以解决这个问题，Arc恰好就是用来管理生命周期的，改进后的代码如下：

let b = Arc::new(aa);
let b1 = b.clone();
thread::spawn(move || {
    b1...
})

Arc提供了共享不可变引用的功能，也就是说，数据是只读的。如果我们需要访问多线程访问共享数据的可变引用，即读写数据，那么还需要在原始数据上先包裹Mutex<T>，类似于RefCell<T>，提供内部可变性，因此我们可以获取内部数据的&mut，修改数据。当然，这需要通过Mutex::lock() 来操作。

let b = Arc::new(Mutex::new(aa));
let b1 = b.clone();
thread::spawn(move || {
    let b = b1.lock();
    ...
})

为什么不能直接使用RefCell完成这个功能？这是因为RefCell不支持 Sync，没办法装入Arc。注意Arc的约束：

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

若 Arc<T>是Send，条件是 T：Send+Sync。RefCell不满足 Sync，因此 Arc<RefCell<>> 不满足Send，无法转移至线程中。错误代码如下：

let b = Arc::new(RefCell::new(aa));
let b1 = b.clone();
thread::spawn(move || {
    ^^^^^^^^^^^^^ `std::cell::RefCell<AA<T>>` cannot be shared between threads safely
    let x = b1.borrow_mut();
    
})

异步代码：跨越 await 问题

如上所述，一般地，我们会将数据的值转移入线程，这样只需要做正确的 Send和Sync 标记即可，很直观，容易理解。典型的代码如下：

fn test1<T: Send + Sync + 'static>(t: T) {
    let b = Arc::new(t);
    let bb = b.clone();
    thread::spawn( move|| {
        let cc = &bb;
    });
}

根据上面的分析，不难推导出条件 T: Send + Sync + 'static 的来龙去脉：Closure: Send + 'static ⇒ Arc<T>: Send + ’static ⇒ T: Send + Sync + 'static。

然而，在异步协程代码中有一种常见情况，推导过程则显得比较隐蔽，值得说道说道。考察以下代码：

struct AA<T>(T);

impl<T> AA<T> {
    async fn run_self(self) {}
    async fn run(&self) {}
    async fn run_mut(&mut self) {}
}

fn test2<T: Send + 'static>(mut aa: AA<T>) {
    let ha = async_std::task::spawn(async move {
        aa.run_self().await;
    });
}

test2 中，限定 T: Send + ‘static，合情合理。async fn 生成的 GenFuture 要求 Send + ‘static，因此被捕获置入 GenFuture 匿名结构中的 AA 也必须满足 Send + ‘static，进而要求AA 泛型参数也满足Send + ‘static。

然而，类似的方式调用 AA::run() 方法，编译失败，编译器提示 GenFuture 不满足 Send。代码如下：

fn test2<T: Send + 'static>(mut aa: AA<T>) {
    let ha = async_std::task::spawn(async move {
             ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ future returned by `test2` is not `Send`
        aa.run().await;
    });
}

原因在于，AA::run()方法的签名是 &self，所以run()是通过 aa 的不可变借用 &AA 来调用。而run()又是一个异步方法，执行了await，也就是所谓的&aa 跨越了 await，故而要求GenFuture匿名结构除了生成aa之外，还需要生成 &aa，示意代码如下：

struct {
    aa: AA
    aa_ref: &AA    
}

正如之前探讨过，生成的 GenFuture需要满足 Send，因此 AA 以及 &AA 都需要满足 Send。而&AA满足 Send，则意味着 AA 满足 Sync。这也就是各种 Rust教程中都会提到的那句话的真正含义：

对于任意类型 T，如果 &T是 Send ，T 就是 Sync 的

之前出错的代码修改为如下形式，增加 Sync标记，编译通过。

fn test2<T: Send + Sync + 'static>(mut aa: AA<T>) {
    let ha = async_std::task::spawn(async move {
          aa.run().await;
    });
}

另外，值得指出的是上述代码中调用 AA::run_mut(&mut self) 不需要 Sync 标记：

fn test2<T: Send + 'static>(mut aa: AA<T>) {
    let ha = async_std::task::spawn(async move {
          aa.run_mut().await;
    });
}

这是因为 &mut self 并不要求 T: Sync。参见以下标准库中关于Sync定义代码就明白了：

mod impls {
    #[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
    unsafe impl<T: Sync + ?Sized> Send for &T {}
    #[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
    unsafe impl<T: Send + ?Sized> Send for &mut T {}
}

可以看到，&T: Send 要求 T: Sync，而 &mut T 则 T: Send 即可。

总结

总而言之，Send约束在根源上是由 thread::spawn() 或是 task::spawn() 引入的，因为两个方法的闭包参数必须满足 Send。此外，在需要共享数据时使用Arc<T>会要求 T: Send + Sync。而共享可写数据，需要Arc<Mutex<T>>，此时 T: Send 即可，不再要求Sync。

异步代码中关于 Send/Sync 与同步多线程代码没有不同。只是因为GenFuture 的特别之处使得跨越 await 的变量必须是 T: Send，此时需要注意通过 T 调用异步方法的签名，如果为 &self，则必须满足 T：Send + Sync。

最后，一点经验分享：关于 Send/Sync 的道理并不复杂，更多时候是因为代码中层次比较深，调用关系复杂，导致编译器的错误提示很难看懂，某些特定场合编译器可能还会给出完全错误的修正建议，这时候需要仔细斟酌，追根溯源，找到问题的本质，不能完全依靠编译器提示。

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