深入理解 Rust 原子交换（Atomic Swap）

什么是 Atomic swap？

swap 是 Rust 原子类型（如 AtomicI32、AtomicBool 等）提供的一个方法，用于原子地将当前值替换为新值，并返回旧值。整个过程是不可分割的——即使多个线程同时调用 swap，也不会出现数据竞争或中间状态被其他线程看到的情况。

这在 Rust并发编程 中非常有用，比如实现无锁队列、状态机切换、或者在线程间传递控制权等场景。

基本语法

以 AtomicI32 为例，swap 的签名如下：

pub fn swap(&self, val: i32, order: Ordering) -> i32

• val：要写入的新值。
• order：内存顺序（Memory Ordering），控制该操作与其他内存操作的同步行为（如 Ordering::SeqCst、Ordering::Relaxed 等）。
• 返回值：操作前的旧值。

实战示例：线程安全的状态切换

假设我们有一个后台任务，需要在“运行中”和“暂停中”两种状态之间切换。我们可以用 AtomicBool 和 swap 来实现：

use std::sync::atomic::{AtomicBool, Ordering};use std::sync::Arc;use std::thread;use std::time::Duration;fn main() {    let running = Arc::new(AtomicBool::new(true));    let running_clone = Arc::clone(&running);    // 启动一个工作线程    let handle = thread::spawn(move || {        while running_clone.load(Ordering::Relaxed) {            println!("正在工作...");            thread::sleep(Duration::from_millis(500));        }        println!("工作线程已停止。");    });    // 主线程等待2秒后暂停工作线程    thread::sleep(Duration::from_secs(2));    // 使用 swap 原子地将状态设为 false，并获取旧值    let old_value = running.swap(false, Ordering::SeqCst);    println!("旧状态: {}, 新状态已设为 false", old_value);    handle.join().unwrap();}

在这个例子中，running.swap(false, Ordering::SeqCst) 保证了状态切换是原子的。即使工作线程正在读取 running 的值，也不会看到“一半更新”的状态，从而保障了 Rust内存安全。

为什么使用 swap 而不是 store + load？

你可能会想：“我能不能先 load 再 store？”答案是：**不能保证原子性**！

例如：

// ❌ 危险！非原子操作let old = atomic.load(Ordering::SeqCst);atomic.store(new_value, Ordering::SeqCst);

在 load 和 store 之间，另一个线程可能已经修改了值，导致你拿到的 old 已经过时，甚至引发逻辑错误。而 swap 在硬件层面保证了“读-改-写”三步操作的原子性。

常见应用场景

• 无锁数据结构（如栈、队列）中的指针交换。
• 线程间传递一次性信号（如 shutdown flag）。
• 实现自旋锁或简单的状态机。

小结

通过本文，你应该已经掌握了 Rust 中 Atomic swap 的基本用法和原理。它是 Rust原子操作 家族中的重要成员，能够帮助你在不使用互斥锁（Mutex）的情况下实现高效的线程安全操作。记住：当需要“设置新值并获取旧值”时，优先考虑 swap 而不是分开的 load 和 store。

继续深入学习 Rust并发编程 和 Rust内存安全 模型，你将能构建出既高效又可靠的多线程应用！