3. 共享状态与互斥锁

任务说明

本案例要求使用 Arc<Mutex<T>> 在多个线程间安全共享可变数据。我们将实现一个计数器累加程序：创建 4 个线程，每个线程对共享计数器执行 1000 次自增操作，最终验证计数器的值精确等于 4000。该案例直接对应 Rust 标准库中 Arc（原子引用计数）与 Mutex（互斥锁）的协作机制——Arc 使数据拥有多个所有者，Mutex 保证同一时刻仅一个线程能修改数据。

核心实现

use std::sync::{Arc, Mutex};
use std::thread;

fn main() {
    // 创建共享计数器，包在 Mutex 中，再用 Arc 提供多线程共享
    let counter = Arc::new(Mutex::new(0u32));
    let mut handles = vec![];

    for _ in 0..4 {
        let counter = Arc::clone(&counter);
        let handle = thread::spawn(move || {
            for _ in 0..1000 {
                // 加锁获取可变引用，自增后锁自动释放
                let mut num = counter.lock().unwrap();
                *num += 1;
            }
        });
        handles.push(handle);
    }

    // 等待所有线程完成
    for handle in handles {
        handle.join().unwrap();
    }

    // 读取最终值
    let final_value = *counter.lock().unwrap();
    println!("最终计数器值: {}", final_value);
}

关键机制说明

Arc::clone(&counter) 为每个线程创建共享所有权的句柄，线程通过 move 闭包捕获该句柄。counter.lock() 返回 MutexGuard，对内部数据的访问通过解引用完成；当 MutexGuard 离开作用域时锁自动释放，避免手动解锁遗漏。unwrap() 用于处理锁中毒（poisoning）异常——若某线程在持锁期间 panic，后续 lock() 会返回错误，此处简化处理直接展开。

编译与运行

// 保存为 main.rs，执行：
rustc main.rs
./main

也可使用 Cargo：cargo new mutex_demo && cd mutex_demo，将上述代码替换 src/main.rs 后执行 cargo run。

验证方法与判定标准

运行程序后观察终端输出。若输出为 最终计数器值: 4000，则证明 Arc<Mutex<T>> 正确实现了跨线程的互斥访问与数据共享。若去掉 Mutex 仅用 Arc<Cell<u32>> 或 Arc<RefCell<u32>> 则无法通过编译（因 Cell/RefCell 非 Sync），这从类型系统层面验证了 Mutex 的必要性。可尝试将自增次数改为不同值或增加线程数，最终结果始终等于 线程数 × 每线程次数，即为通过。

代码自检说明

上述代码完整实现了任务目标：Arc 负责多线程共享所有权，Mutex 保证每次自增操作的原子性。每个线程执行 1000 次 lock() + 自增 + 自动解锁，4 个线程并发执行后，最终值必然为 4000（无数据竞争）。若将 Mutex 替换为 RefCell，编译器会直接拒绝——因为 RefCell<u32> 未实现 Sync trait，无法跨线程共享，这从类型层面验证了方案的正确性。