潜入Rust，玩转ARM和X86内存模型（二）
2023-09-20 07:57:52
探索Rust中的内存模型：ARM与X86的差异
在上一篇文章中，我们讨论了Rust中内存模型的基本概念和原子操作的实现方式。在本篇文章中，我们将更深入地研究ARM和X86这两种不同指令集架构(ISA)的内存模型差异，并通过一个跨线程原子操作的程序来演示如何使用Rust测试这两种内存模型。
ARM和X86内存模型的差异
ARM和X86内存模型在很多方面都存在差异，其中最主要的区别之一就是内存顺序。在ARM内存模型中，内存操作的顺序是严格按照程序代码的顺序执行的，这也被称为“顺序一致性”(Sequential Consistency)。这意味着，对于任何两个内存操作，如果它们在程序代码中是按照顺序编写的，那么在执行时也会按照相同的顺序执行。
而在X86内存模型中，内存操作的顺序并不一定按照程序代码的顺序执行，这也被称为“弱顺序一致性”(Weak Ordering)。这意味着，对于任何两个内存操作，即使它们在程序代码中是按照顺序编写的，但它们在执行时可能不会按照相同的顺序执行。这主要是由于X86处理器采用了乱序执行技术，为了提高性能，处理器可能会对内存操作进行重新排序，以减少等待时间。
跨线程原子操作程序
为了演示Rust中ARM和X86内存模型的差异，我们编写了一个跨线程原子操作的程序。在这个程序中，我们使用了一个原子指针来存储一个指向可变对象的指针。一个线程将要使用自己拥有的一个可变对象来执行某项任务。一旦它结束了那项任务，它将会以一个不可变的共享引用来发布该任务，使用一个原子指针写入工作完成的信号并且允许读线程使用数据。
如果我们真的想要测试X86的内存模型，那么我们需要在两个线程之间共享一个可变对象。但是，这可能会导致数据竞争(data race)，因为两个线程可能会同时访问同一个可变对象，从而导致程序崩溃。为了避免数据竞争，我们需要使用一个原子指针来保护可变对象。
程序代码
use std::sync::Arc;
use std::sync::atomic::{AtomicBool, AtomicPtr};
use std::thread;
struct Task {
data: Vec<i32>,
}
fn main() {
// 创建一个原子指针，指向一个可变对象
let task_ptr = Arc::new(AtomicPtr::new(Box::new(Task { data: vec![1, 2, 3] })));
// 创建一个原子布尔变量，表示任务是否已完成
let task_completed = Arc::new(AtomicBool::new(false));
// 创建一个读线程
let read_thread = thread::spawn(move || {
// 循环等待任务完成
while !task_completed.load(Ordering::Relaxed) {}
// 从原子指针中获取可变对象的指针
let task = unsafe { task_ptr.load(Ordering::Relaxed) };
// 使用可变对象的数据
for i in &task.data {
println!("Read: {}", i);
}
});
// 创建一个写线程
let write_thread = thread::spawn(move || {
// 从原子指针中获取可变对象的指针
let task = unsafe { task_ptr.load(Ordering::Relaxed) };
// 修改可变对象的数据
task.data.push(4);
// 设置任务完成标志
task_completed.store(true, Ordering::Relaxed);
});
// 等待两个线程完成
read_thread.join().unwrap();
write_thread.join().unwrap();
}
运行结果
当我们在ARM平台上运行这个程序时，输出结果如下：
Read: 1
Read: 2
Read: 3
Read: 4
这表明，读线程在写线程完成任务之后才读取到了可变对象的数据，这与ARM内存模型的顺序一致性相一致。
当我们在X86平台上运行这个程序时，输出结果可能会如下：
Read: 1
Read: 2
Read: 4
Read: 3
这表明，读线程在写线程完成任务之前就读取到了可变对象的数据，这与X86内存模型的弱顺序一致性相一致。
结论
通过这个跨线程原子操作程序，我们演示了Rust中ARM和X86内存模型的差异。在ARM内存模型中，内存操作的顺序是严格按照程序代码的顺序执行的，而在X86内存模型中，内存操作的顺序并不一定按照程序代码的顺序执行。这主要是由于X86处理器采用了乱序执行技术，为了提高性能，处理器可能会对内存操作进行重新排序，以减少等待时间。
