为何Python 3.11多线程代码无竞态条件，修改后却出现？

现象描述 #

执行下方多线程代码时，Python 3.11中最终输出的counter值始终等于4000000（无竞态条件），但将代码里的counter += 1修改为counter += int(1)后，竞态条件立即出现，最终结果会小于预期值。

原代码：

import threading
import time

counter = 0

lock = threading.Lock()


def increment():
    global counter

    for _ in range(10**6):
        counter += 1


threads = []
for i in range(4):
    x = threading.Thread(target=increment)
    threads.append(x)

for t in threads:
    t.start()

for t in threads:
    t.join()

print(counter)

原因解析 #

这是Python 3.10及以上版本新增的字节码优化导致的：

• 针对counter += 1这类简单整数自增操作，CPython编译器会把它直接优化为单条INPLACE_ADD字节码指令。由于CPython的全局解释器锁（GIL）在执行单条字节码指令期间不会释放，这个自增操作就变成了原子性操作，多线程执行时不会出现竞态。
• 改成counter += int(1)后，因为int(1)是一个函数调用，编译器无法将整个表达式合并为单条字节码。此时这条语句会被拆分成多个步骤：调用int(1)获取数值、加载counter当前值、执行加法运算、将结果赋值回counter。在这一系列步骤中，GIL可能会被释放，其他线程就有机会在中间阶段修改counter，进而引发竞态条件，导致最终结果小于预期。

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