データ競合と競合状態

安全な Rust では、データ競合が存在しないことが保証されています。データ競合は、以下のように定義されています。

2 つ以上のスレッドが並行にメモリ上の場所にアクセスしている
この内 1 つは書き込み
この内 1 つは非同期

データ競合は未定義動作を含み、そしてそれ故に安全な Rust で発生させることは不可能です。データ競合は Rust の所有権システムによってほとんど防がれています。可変参照のエイリアスを生成することは不可能ですから、データ競合を起こすことは不可能です。内部可変性はこれをもっと複雑にします。これが、 Send トレイトと Sync トレイトが何故存在するかということの主な理由です (以下を見てください) 。

しかしながら Rust は、一般的な競合状態を防ぎません。

これは根本的に不可能で、そして多分本当に望まれていないものです。ハードウェアは競合状態を起こし、 OS も競合状態を起こし、コンピュータの他のプログラムも競合状態を起こし、そして世界中にある全てのプログラムも競合状態を起こします。どんなシステムでも、 全ての競合状態を防げると喧伝しているようなものは、単に間違っているだけではなく、本当に使いづらいものとなるでしょう。

ですから、安全な Rust のプログラムがデッドロックに陥ったり、正しくない同期によって何か馬鹿げたことを行なっても、これは全く "問題ない" のです。明らかにそのようなプログラムは、本当に良くないです。ですが、 Rust は今までのところ、プログラマに我慢してもらうしか出来ないのです。それでも Rust のプログラムだけでは、競合状態において、メモリ安全性を侵害することは出来ません。何か他のアンセーフなコードと組み合わせることだけでしか、実際に競合状態において、メモリ安全性を侵害することが出来ないのです。例:


#![allow(unused)]
fn main() {
use std::thread;
use std::sync::atomic::{AtomicUsize, Ordering};
use std::sync::Arc;

let data = vec![1, 2, 3, 4];
// Arc にすることで、 他のスレッドより前に完全に実行が終了しても、 AtomicUsize が
// 保存されているメモリが、他のスレッドがインクリメントするために存在し続けます。
// これ無しにはコンパイルできません。なぜなら、 thread::spawn が
// ライフタイムを必要とするからです!
let idx = Arc::new(AtomicUsize::new(0));
let other_idx = idx.clone();

// `move` によって other_idx が値でキャプチャされ、このスレッドにムーブされます
thread::spawn(move || {
    // idx を変更しても大丈夫です。この値はアトミックだからです。
    // ですからデータ競合は起こりません。
    other_idx.fetch_add(10, Ordering::SeqCst);
});

// アトミックなものからロードした値を使用してインデックス指定をします。これは安全です。
// なぜなら、アトミックメモリから読み込み、その値のコピーを Vec のインデックス実装に
// 渡すからです。このインデックス指定では、正しく境界チェックが行なわれ、そして途中で
// 値が変わることはありません。しかし、もしスポーンされたスレッドが、なんとかして実行前に
// インクリメントするならば、このプログラムはパニックするかもしれません。
// 正しいプログラムの実行 (パニックすることはほとんど正しくありません) は、スレッドの
// 実行順序に依存するため、競合状態となります。
println!("{}", data[idx.load(Ordering::SeqCst)]);
}


#![allow(unused)]
fn main() {
use std::thread;
use std::sync::atomic::{AtomicUsize, Ordering};
use std::sync::Arc;

let data = vec![1, 2, 3, 4];

let idx = Arc::new(AtomicUsize::new(0));
let other_idx = idx.clone();

// `move` によって other_idx が値でキャプチャされ、このスレッドにムーブされます
thread::spawn(move || {
    // idx を変更しても大丈夫です。この値はアトミックだからです。
    // ですからデータ競合起こりません。
    other_idx.fetch_add(10, Ordering::SeqCst);
});

if idx.load(Ordering::SeqCst) < data.len() {
    unsafe {
        // 境界チェックを行なった後、間違えて idx をロードしてしまいます。
        // この値は変わってしまったかもしれません。これは競合状態で、*危険*です。
        // なぜなら `unsafe` である `get_unchecked` を行なったからです。
        println!("{}", data.get_unchecked(idx.load(Ordering::SeqCst)));
    }
}
}