Rust中无Mutex实现多线程共享可变数据及未定义行为解析

背景 #

我要开发高并发物理模拟程序，原本计划用C实现，为了利用高级特性转而选择Rust。按照Rust线程安全规范应采用消息传递等通信方式，但必须实现多线程共享可变缓冲区，同时需要对不同实现技术做基准测试。

已尝试的三种方案 #

方案一：Arc<Data> + transmute强制转换 #

• 采用Arc<Data>共享不可变状态
• 需要修改数据时，用transmute将&Data转换为&mut Data
• 问题：即使在unsafe代码块中也无法通过编译。原因是编译器会基于数据不可变的假设做优化（如缓存不更新），这类优化可通过Cell等内部可变性包装器规避，但本方案未做处理。

方案二：Arc<UnsafeCell<Data>> #

• 用Arc<UnsafeCell<Data>>封装共享数据
• 通过data.get()获取裸指针访问数据
• 问题：无法编译，因为UnsafeCell不具备Send特性。官方提供的替代方案是SyncUnsafeCell，但在Rust 1.66稳定版中仍处于不稳定状态，而程序需要在稳定版生产环境运行。

方案三：Arc<Mutex<Data>> + 提前获取裸指针 #

• 线程启动流程：锁定互斥锁，将获取到的&mut Data强制转换为*mut Data，随后释放互斥锁
• 后续修改操作直接使用该*mut指针
• 疑问：在不考虑数据竞争的前提下，该方案的安全性是否与SyncUnsafeCell一致？

补充说明 #

并发修改的仅为f32类型的值，不存在并发内存分配或复杂操作，最坏情况仅为f32值错乱。

方案三的安全性分析（不考虑数据竞争） #

从内存安全维度看，该方案与SyncUnsafeCell等价，理由如下：

1. 线程启动时通过Mutex锁定拿到的&mut Data是唯一可变引用，完全符合Rust借用规则，此时转换为*mut指针是安全的
2. Arc确保了Data的生命周期覆盖所有线程的运行周期，不会出现悬垂指针问题
3. 只要接受数据竞争导致的f32值错乱（如补充说明中的最坏情况），该方案在稳定版Rust中是可行的，两者均仅放弃了Rust编译期的数据竞争检查，不会引入悬垂指针、野指针等额外内存不安全问题

内容的提问来源于stack exchange，提问作者uben