4. 原子操作实现计数器

任务说明

实现一个多线程环境下的安全计数器。多个线程同时对同一个计数器执行递增操作，要求最终结果与线程数量、每个线程递增次数严格一致，且全程无数据竞争。使用 AtomicUsize 配合 std::thread 完成，不借助 Mutex 或 RwLock。

核心实现

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

fn main() {
    // 目标：8个线程，每个线程递增10000次
    const THREADS: usize = 8;
    const INCREMENTS_PER_THREAD: usize = 10_000;

    // 原子计数器，初始值为0
    let counter = AtomicUsize::new(0);

    // 创建线程句柄容器
    let mut handles = Vec::with_capacity(THREADS);

    for _ in 0..THREADS {
        // 每个线程持有一个 AtomicUsize 的引用
        let counter_ref = &counter;
        handles.push(thread::spawn(move || {
            for _ in 0..INCREMENTS_PER_THREAD {
                // Relaxed 即可满足计数需求（无跨线程顺序约束）
                counter_ref.fetch_add(1, Ordering::Relaxed);
            }
        }));
    }

    // 等待所有线程完成
    for handle in handles {
        handle.join().expect("线程执行失败");
    }

    // 读取最终值
    let final_value = counter.load(Ordering::Relaxed);
    let expected = THREADS * INCREMENTS_PER_THREAD;

    println!("最终计数: {}", final_value);
    println!("期望值:   {}", expected);
    assert_eq!(final_value, expected, "计数结果与期望不符，存在数据竞争");
    println!("验证通过：无数据竞争，计数准确");
}

关键设计说明

• 原子类型：AtomicUsize 保证 fetch_add 的读-改-写操作在硬件层面不可分割，无需加锁。
• 内存序：此处仅需计数准确，无跨线程数据依赖，使用 Ordering::Relaxed 即可，开销最低。
• 所有权与借用：通过 &counter 将原子变量的引用移入闭包，多个线程共享同一计数器。
• 线程同步：join() 确保所有线程结束后再读取最终值，避免读取过早。

编译与运行

# 创建项目（若已有 Cargo.toml 可跳过）
cargo new atomic_counter
cd atomic_counter

# 将上述代码写入 src/main.rs

# 编译并运行
cargo run

验证方法与判定标准

程序运行后，控制台输出两行数值。判定通过需同时满足：

1. 输出行 最终计数: 80000 与 期望值: 80000 数值完全一致；
2. 程序正常退出，无 panic，且打印 验证通过：无数据竞争，计数准确。

若改用普通 usize 而非原子类型，多次运行大概率出现计数小于 80000 的情况，可自行替换对比验证原子操作的必要性。

预期输出

最终计数: 80000
期望值:   80000
验证通过：无数据竞争，计数准确