Rust 的原子操作主要通过 std::sync::atomic 模块提供。这些原子操作对于多线程编程至关重要，因为它们能够确保操作的原子性和内存可见性，从而避免数据竞争和其他并发问题。以下是一些 Rust 中常用的原子操作及其简要说明：

原子类型

Rust 提供了一系列原子类型，如 AtomicBool、AtomicU8、AtomicU16、AtomicUsize 等，这些类型与标准的基础类型（如 bool、u8、u16、usize 等）相对应，但它们的操作是原子的。

原子操作

1. 基本原子操作

   • load：读取原子变量的当前值。
   • store：将一个新值存储到原子变量中。
   • swap：将原子变量的值替换为一个新值，并返回旧值。

2. 比较并交换（CAS）

   • compare_and_swap（已弃用，但某些版本中可能仍可用）：如果原子变量的当前值等于期望的值，则将其替换为一个新值，并返回旧值。否则，不做任何修改并返回当前值。注意，从 Rust 1.50.0 开始，建议使用 compare_exchange 代替。
   • compare_exchange：与 compare_and_swap 类似，但提供了更多的灵活性，允许你分别为成功和失败的情况指定内存排序约束。
   • compare_exchange_weak：与 compare_exchange 类似，但在某些平台上可能会由于 spuriously fail 而需要重试。

3. 算术和位操作

   • fetch_add：将指定值加到原子变量的当前值上，并返回旧值。
   • fetch_sub：从原子变量的当前值中减去指定值，并返回旧值。
   • fetch_and、fetch_or、fetch_xor：分别执行按位与、按位或、按位异或操作，并返回旧值。
   • fetch_update：接受一个函数，将函数应用到原子变量的当前值上，并将生成的新值写回变量中。

4. 内存排序（Ordering）

   • 在执行原子操作时，你需要指定内存排序约束。Rust 提供了几种不同的排序约束，如 Ordering::Relaxed、Ordering::Acquire、Ordering::Release 和 Ordering::SeqCst。选择合适的排序约束可以提高性能，但也要确保满足你的并发需求。

示例代码

以下是一个使用原子操作的示例代码：

use std::sync::atomic::{AtomicUsize, Ordering};

fn main() {
    // 创建一个新的 AtomicUsize 实例，初始值为 0
    let counter = AtomicUsize::new(0);

    // 使用 fetch_add 方法进行原子加法操作
    let old_value = counter.fetch_add(1, Ordering::Relaxed);
    println!("Old value: {}, new value: {}", old_value, counter.load(Ordering::Relaxed));

    // 使用 compare_exchange 方法进行原子比较并交换操作
    let result = counter.compare_exchange(1, 10, Ordering::SeqCst, Ordering::Relaxed);
    match result {
        Ok(value) => println!("Exchange successful, old value: {}", value),
        Err(value) => println!("Exchange failed, current value: {}", value),
    }
}

在这个示例中，我们首先创建了一个 AtomicUsize 实例，并使用 fetch_add 方法进行原子加法操作。然后，我们使用 compare_exchange 方法尝试将值从 1 交换为 10。如果当前值不是 1，则交换失败，并返回当前值。

注意事项

• 原子操作虽然能够提供线程安全性，但并不意味着你可以随意地使用它们而不考虑性能影响。在某些情况下，原子操作可能会比使用锁更慢。
• 在选择内存排序约束时，要仔细考虑你的并发需求。如果不需要严格的顺序保证，可以选择较弱的排序约束以提高性能。
• Rust 的原子操作是基于硬件支持的，因此在不同的平台上可能会有不同的性能表现。在编写跨平台代码时，要特别注意这一点。

总的来说，Rust 提供了丰富的原子操作来支持多线程编程。通过合理使用这些原子操作，你可以编写出高效且线程安全的代码。