TSGL-Rust: Teaching Concurrency Through Compile-Time Enforcement via Rust-Based Visualization of Classical Synchronization Problems

Abstract

Concurrent programming remains a persistent challenge in undergraduate computer science and engineering education, largely because its failure modes are difficult to observe and reason about. Race conditions and deadlocks often emerge only under specific thread interleavings, leaving students to reconcile correct-looking code with unpredictable runtime behavior. Prior instructional approaches, such as the Thread-Safe Graphics Library (TSGL), address this issue by enabling real-time visualization, but they rely on languages that do not enforce safe access to shared state. This separation between observation and enforcement leaves a gap between how concurrency errors are detected and how they are prevented. This paper presents TSGL-Rust, a Rust-based reimplementation of classical TSGL visualizations that integrates compile-time safety guarantees with runtime visualization. Implemented using the egui/eframe framework, the system reproduces three canonical synchronization problems, namely Producer–Consumer, Reader–Writer, and Dining Philosophers, while shifting certain classes of errors from runtime to compilation through Rust's ownership model and borrow checker. The architecture deliberately separates concurrency logic from rendering through a crossbeam channel, decoupling worker threads from the egui main-thread render loop. This paper is presented as a system and tool description: it focuses on architectural design, the mapping from C++ TSGL primitives to Rust constructs, the channel-based communication pattern, and the instructional affordances that follow from these design choices. The contribution lies in the system itself and in the boundary it makes visible between data-race prevention and logical errors, such as deadlock, rather than in any claim about measured learning gains.

ABSTRAK: Pengaturcaraan serentak kekal sebagai cabaran utama dalam pendidikan sarjana muda sains komputer dan kejuruteraan, kerana mod kegagalannya sukar dicari dan difahami secara sistematik. Keadaan perlumbaan dan kebuntuan lazimnya hanya muncul di bawah jalinan pelaksanaan jalur tertentu, sekaligus menyebabkan pelajar perlu menyelaras kod yang kelihatan betul dengan tingkah laku masa jalan yang tidak menentu. Pendekatan pengajaran terdahulu, seperti Koleksi Grafik Jalur-Selamat (TSGL), menangani isu ini melalui visualisasi masa nyata, tetapi bergantung pada bahasa yang tidak menguatkuasa capaian selamat pada keadaan berkongsi. Pemisahan antara pemerhatian dan penguatkuasaan ini mewujudkan jurang antara bagaimana ralat serentak dikesan dan bagaimana ia dicegah. Kajian ini membentangkan TSGL-Rust, iaitu pelaksanaan semula TSGL berasaskan Rust yang mengintegrasi jaminan keselamatan masa kompilasi dan visualisasi masa jalan. Melalui rangka kerja e-GUI/e-rangka, sistem ini menjana semula tiga masalah menyegerakan kanonik, iaitu Pengeluar-Pengguna, Penulis-Pembaca, dan Dining Philosophers, sambil mengalihkan sebahagian kelas ralat daripada masa jalan kepada peringkat kompilasi melalui model pemilikan dan pemeriksa pinjaman Rust. Seni bina sistem ini secara sengaja memisahkan logik serentak daripada paparan alur silang, dengan jalur pekerja dipisahkan daripada gelung peparan utama eGUI. Kajian ini dibentangkan sebagai penerangan sistem dan alat: tumpuan diberi pada reka bentuk seni bina, pemetaan primitif TSGL C++ pada konstruk Rust, corak komunikasi berasaskan saluran, dan keupayaan instruksional yang berpunca daripada reka bentuk ini. Sumbangan utama terletak pada sistem ini sendiri dan pada sempadan yang dijelaskan antara pencegahan keadaan perlumbaan dan ralat logik seperti kebuntuan, dan bukan pada sebarang dakwaan terhadap pencapaian pembelajaran yang diukur.