Rustのアトミック操作についての自分のためのまとめ。 『詳解 Rustアトミック操作とロック』の読書メモ。

Box

値をヒープに確保する。

• Box::leak():確保された領域を開放しない。'staticと互換性があるプログラム終了までのライフタイムを持つ。

Rc

参照カウント。シングルスレッドでしか使えない。Arcより軽い。

• clone()しても中身は複製されない。

Arc

「アトミック」参照カウント。他のスレッドに移動できる。CPUがアトミック操作をサポートしている必要がある。Rcよりも重い。

Cell

内部可変性を提供する。

• シングルスレッドしか使えない
• 値を変更するときは、
  1. .take()で、現在の値を得て、Cellの中身は空に置き換える。
  2. 得られた値を変更して、
  3. .set()で変更された値をCellに書き戻す。

RefCell

参照カウンタを使ったCell。Cellよりも重い。

• シングルスレッドしか使えない
• 他にだれも可変借用していなければ、可変借用できる。
  • 可変借用を使えば、内容を直接変更できる。
• 普遍借用は複数できる。

UnsafeCell

• CellやMutexの実装に使われる。
• .get()で生ポインタを取ることができるが、それはunsafe内で扱う必要がある。

Send

トレイト。別のスレッドに送ることができる。

Sync

• トレイト。別のスレッドと共有することができる。
• &TがSendならばTはSync。

例

• プリミティブ型(u32, bool, strなど)はSendかつSync。
• すべてのフィールドがSendかつSyncな構造体はSendかつSync(トレイトが自動で実装される)。
  • トレイトを自動で実装したくない場合は、PhantomData<T>のTにSend,Syncでない型を含めたメンバーをもたせる。PhantomDataはコンパイラの型推論に使われるだけで、実際のメモリを消費しない。
• Arc<i32>はSend。Rc<i32>はSendではない。
• Cell<i32>はSendだがSyncではない。
• 明示的に実装したい場合はunsafe impl Send for X{}, unsafe impl Sync for X{}と実装することができる。Send, Syncしたときの安全性はコンパイラは保証してくれず、プログラマが保証しなければならないのでunsafe。

ロック: MutexとRwLock

• Mutexはロックされていない状態とロックされている状態を取る。
  • ロックされているときは排他的なアクセス(読み書き)が可能。
  • lock()は、ロックが取れるまで待ち続ける。
    • lock()はロックが取れたらMutexGuardを返す。Deref, DerefMutトレイトが実装されてるので中のデータに透過的にアクセスできる。
  • try_lock()はロックが取れたらResult<MutexGuard<T>>を返し、取れなかったらErrを返す。
  • ロックがスコープを外れてDropしたときに自動でアンロックされる。
    • スコープが終わらないうちにDropしたいときはdrop()を使う。
    • list.lock().unwrap().push(2);のイデオムは、その場でロックを取得してメンバ関数を実行し、その行でロックをドロップする。
  • get_mut()はロックを取ったうえでミュータブルな参照を返す。
  • into_inner()はMutexを消費する。つまり、所有権を取得して中身を返す。Mutexによる保護は失われ、以後、他のスレッドはlock()することができない。
• RwLockはロックしたときに、共有参照(&T)と排他参照(&mut T)を返す。
  • read()はリードロック(共有参照)
  • write()はライトロック(排他参照)
  • RefCellのマルチスレッド版

Mutexがドロップするスコープについて注意が必要。

    list.lock().unwrap().push(2);   // ロックはこの行でドロップされる

    if let Some(item) = list.lock().unwrap().pop() {
        process_item(item);
    }                                                   // ロックはこの行まで確保されたまま

    if list.lock().unwrap().pop() == Some(1) {          // ロックはこの行でドロップされる
        do_something;
    }

このように書けば良い。

    let item = list.lock().unwrap().pop();              // ロックはこの行でドロップされる
    if let Some(item) = item {
        process_item(item);
    }

アトミック操作

• load(), store()操作はCortex-M0+でもサポートされている。
• fetch_add(), compare_exchange()操作はCortex-M0+ではサポートされていない。
  • Cortex-M3以上ではサポートされている。
• アトミック変数は内部可変性を持つ。
  • mutでなくても、store()操作が可能。
  • スレッド間で共有可能。'staticにすることもできる。
• アトミック変数はCopyを実装していない。

メモリ・オーダリング

• Relaxed: 一つのアトミック変数に対する操作順序が一貫している。複数の変数の場合は順序は保証されない。
• Release/Acquire: Releaseストアが、Acquireロードに先行する。つまり、Releaseより先の現象はAcqireより後で観測できる。
• AcqRel: AcquireとReleaseの組み合わせ。