# 基于Send和Sync的线程安全
为何Rc、RefCell和原生指针不可以在多线程间使用？如何让原生指针可以在多线程使用？我们一起来探寻下这些问题的答案。

## 无法用于多线程的`Rc`
先来看一段多线程使用`Rc`的代码:
```rust
use std::thread;
use std::rc::Rc;
fn main() {
    let v = Rc::new(5);
    let t = thread::spawn(move || {
        println!("{}",v);
    });

    t.join().unwrap();
}
```

以上代码将`v`的所有权通过`move`转移到子线程中，看似正确实则会报错：
```console
error[E0277]: `Rc<i32>` cannot be sent between threads safely
------ 省略部分报错 --------
    = help: within `[closure@src/main.rs:5:27: 7:6]`, the trait `Send` is not implemented for `Rc<i32>`
```

表面原因是`Rc`无法在线程间安全的转移，实际是编译器给予我们的那句帮助: `the trait Send is not implemented for Rc<i32>`(`Rc<i32>`未实现`Send`特征), 那么此处的`Send`特征又是何方神圣？

## Rc和Arc源码对比
在介绍`Send`特征之前，再来看看`Arc`为何可以在多线程使用，玄机在于两者的源码实现上：
```rust
// Rc源码片段
impl<T: ?Sized> !marker::Send for Rc<T> {}
impl<T: ?Sized> !marker::Sync for Rc<T> {}

// Arc源码片段
unsafe impl<T: ?Sized + Sync + Send> Send for Arc<T> {}
unsafe impl<T: ?Sized + Sync + Send> Sync for Arc<T> {}
```

`!`代表移除特征的相应实现，上面代码中`Rc<T>`的`Send`和`Sync`特征被特地移除了实现，而`Arc<T>`则相反，实现了`Sync + Send`，再结合之前的编译器报错，大概可以明白了：`Send`和`Sync`是在线程间安全使用一个值的关键。

## Send和Sync
`Send`和`Sync`是Rust安全并发的重中之重，但是实际上它们只是标记特征(marker trait，该特征未定义任何行为，因此非常适合用于标记), 来看看它们的作用：

- 实现`Send`的类型可以在线程间安全的传递其所有权
- 实现了`Sync`的类型可以在线程间安全的共享(通过引用)

这里还有一个潜在的依赖：一个类型要在线程间安全的共享的前提是，指向它的引用必须能在线程间传递。因为如果引用都不能被传递，我们就无法在多个线程间使用引用去访问同一个数据了。

由上可知，**若类型T的引用`&T`是`Send`，则`T`是`Sync`**。

没有例子的概念讲解都是耍流氓，来看看`RwLock`的实现:
```rust
unsafe impl<T: ?Sized + Send + Sync> Sync for RwLock<T> {}
```

首先`RwLock`可以在线程间安全的共享，那它肯定是实现了`Sync`，但是我们的关注点不在这里。众多周知，`RwLock`可以并发的读，说明其中的值`T`必定也可以在线程间共享，那`T`必定要实现`Sync`。

果不其然，上述代码中，`T`的特征约束中就有一个`Sync`特征，那问题又来了，`Mutex`是不是相反？再来看看:
```rust
unsafe impl<T: ?Sized + Send> Sync for Mutex<T> {}
```

不出所料，`Mutex<T>`中的`T`并没有`Sync`特征约束。

武学秘籍再好，不见生死也是花拳绣腿。同样的，我们需要通过实战来彻底掌握`Send`和`Sync`，但在实战之前，先来简单看看有哪些类型实现了它们。

## 实现`Send`和`Sync`的类型
在Rust中，几乎所有类型都默认实现了`Send`和`Sync`，而且由于这两个特征都是可自动派生的特征(通过`derive`派生)，意味着一个复合类型(例如结构体), 只要它内部的所有成员都实现了`Send`或者`Sync`，那么它就自动实现了`Send`或`Sync`。

正是因为以上规则，Rust中绝大多数类型都实现了`Send`和`Sync`，除了以下几个(事实上不止这几个，只不过它们比较常见):

- 原生指针两者都没实现，因为它本身就没有任何安全保证
- `UnsafeCell`不是`Sync`，因此`Cell`和`RefCell`也不是
- `Rc`两者都没实现(因为内部的引用计数器不是线程安全的)

当然，如果是自定义的复合类型，那没实现那哥俩的就较为常见了：**只要复合类型中有一个成员不是`Send`或`Sync`，那么该符合类型也就不是`Send`或`Sync`**。

**手动实现 `Send` 和 `Sync` 是不安全的**，通常并不需要手动实现 Send 和 Sync trait，实现者需要使用`unsafe`小心维护并发安全保证。

至此，相关的概念大家已经掌握，但是我敢肯定，对于这两个滑不溜秋的家伙，大家依然会非常模糊，不知道它们该如何使用。那么我们来一起看看如何让原生指针可以在线程间安全的使用。

## 为原生指针实现`Send`
上面我们提到原生指针既没实现`Send`，意味着下面代码会报错:
```rust
use std::thread;
fn main() {
    let p = 5 as *mut u8;
    let t = thread::spawn(move || {
        println!("{:?}",p);
    });

    t.join().unwrap();
}
```
报错跟之前无二： `*mut u8 cannot be sent between threads safely`, 但是有一个问题，我们无法为其直接实现`Send`特征，好在可以用[`newtype`类型](../custom-type.md#newtype) :`struct MyBox(*mut u8);`。

还记得之前的规则吗：复合类型中有一个成员没实现`Send`，该复合类型就不是`Send`，因此我们需要手动为它实现:
```rust
use std::thread;

#[derive(Debug)]
struct MyBox(*mut u8);
unsafe impl Send for MyBox {}
fn main() {
    let p = MyBox(5 as *mut u8);
    let t = thread::spawn(move || {
        println!("{:?}",p);
    });

    t.join().unwrap();
}
```

此时，我们的指针已经可以欢快的在多线程间撒欢，以上代码很简单，但有一点需要注意：`Send`和`Sync`是`unsafe`特征，实现时需要用`unsafe`代码块包裹。

## 为原生指针实现`Sync`
由于`Sync`是多线程间共享一个值，大家可能会想这么实现：
```rust
use std::thread;
fn main() {
    let v = 5;
    let t = thread::spawn(|| {
        println!("{:?}",&v);
    });

    t.join().unwrap();
}
```

关于这种用法，在多线程章节也提到过，线程如果直接去借用其它线程的变量，会报错:`closure may outlive the current function,`, 原因在于编译器无法确定主线程`main`和子线程`t`谁的生命周期更长，特别是当两个线程都是子线程时，没有任何人知道哪个子线程会先结束，包括编译器！

因此我们得配合`Arc`去使用:
```rust
use std::thread;
use std::sync::Arc;
use std::sync::Mutex;

#[derive(Debug)]
struct MyBox(*const u8);
unsafe impl Send for MyBox {}

fn main() {
    let b = &MyBox(5 as *const u8);
    let v = Arc::new(Mutex::new(b));
    let t = thread::spawn(move || {
        let _v1 =  v.lock().unwrap();
    });

    t.join().unwrap();
}
```

上面代码将智能指针`v`的所有权转移给新线程，同时`v`包含了一个引用类型`b`，当在新的线程中试图获取内部的引用时，会报错：
```console
error[E0277]: `*const u8` cannot be shared between threads safely
--> src/main.rs:25:13
|
25  |     let t = thread::spawn(move || {
|             ^^^^^^^^^^^^^ `*const u8` cannot be shared between threads safely
|
= help: within `MyBox`, the trait `Sync` is not implemented for `*const u8`
```

因为我们访问的引用实际上还是对主线程中的数据的借用，转移进来的仅仅是外层的智能指针引用。要解决很简单，为`MyBox`实现`Sync`:
```rust
unsafe impl Sync for MyBox {}
```

## 总结
通过上面的两个原生指针的例子，我们了解了如何实现`Send`和`Sync`，以及如何只实现`Send`而不实现`Sync`，简单总结下：

1. 实现`Send`的类型可以在线程间安全的传递其所有权, 实现`Sync`的类型可以在线程间安全的共享(通过引用)
2. 绝大部分类型都实现了`Send`和`Sync`，常见的未实现的有：原生指针、Cell/RefCell、Rc等
3. 可以为自定义类型实现`Send`和`Sync`，但是需要`unsafe`代码块
4. 可以为部分Rust中的类型实现`Send`、`Sync`，但是需要使用`newtype`，例如文中的原生指针例子