为何多线程程序输出需Thread.Join或移除Thread.Sleep才稳定？

测试代码 #

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Threading;

class Program
{
    static volatile int a = 0;
    static void Main()
    {
        List<Thread> threads = new List<Thread>();
        for (int i = 0; i < 1000; i++)
        {
            var t = new Thread(() =>
            {
                a++;
                Thread.Sleep(1000);
            });
            t.Start();
            threads.Add(t);
        }
        // foreach(Thread t in threads) t.Join();
        Thread.Sleep(60000);
        Console.WriteLine(a);
        Console.ReadKey();
    }
}

问题现象 #

• 保留Thread.Sleep(1000)且注释t.Join()循环时，即使等待60秒，Console.WriteLine(a)的输出仍小于1000；
• 取消t.Join()循环注释或移除Thread.Sleep(1000)后，输出始终为1000。

疑问解答 #

1. 为何保留Thread.Sleep(1000)且注释t.Join()时输出不稳定？ #

核心原因有两点：

• a++不具备原子性：a++本质是三个独立的原子操作：读取a的当前值、执行加1计算、写回新值。volatile关键字仅能保证变量的读写可见性，无法将这三个步骤绑定为一个不可打断的原子操作。
• 高并发放大竞态冲突：线程执行完a++后立刻进入1秒休眠，此时线程仍处于活跃状态，操作系统会同时调度最多1000个线程执行a++操作。多个线程极有可能同时读取到a的旧值，各自加1后写回，最终导致多次自增只生效一次（比如两个线程都读取到a=0，加1后都写回1，相当于只完成了1次自增）。

主线程等待60秒只能保证所有线程执行完毕，但无法解决多线程同时操作带来的数值覆盖问题，因此输出会小于1000。

2. 为何使用t.Join()或移除Thread.Sleep(1000)后输出能稳定为1000？ #

• 移除Thread.Sleep(1000)的情况：
  线程执行完a++后立刻终止，操作系统无需同时维持1000个活跃线程，而是会分批调度线程执行。a++操作的并发度大幅降低，多个线程同时读取a旧值的概率几乎为0，因此实际测试中a能准确累加到1000（注：理论上仍存在极小概率的竞态，但1000次操作下很难触发）。

• 使用t.Join()的情况：
  t.Join()让主线程等待所有子线程执行完毕后再输出a，但这不是解决竞态的核心原因。真正的关键是：主线程调用Join()时，线程调度的优先级和时机发生变化，再加上Thread.Sleep(1000)触发的内存屏障，间接降低了a++操作的并发冲突概率，使得竞态条件几乎不会发生，最终输出稳定为1000。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Minimus Heximus