Swift中AtomicList线程安全测试有效性及失效原因咨询

我定义了如下AtomicList结构体：

public struct AtomicList<Element> {
    public var values: [Element] = []
    private let queue = DispatchQueue(label: UUID().uuidString)
    
    public var last: Element? {
        self.queue.sync { return self.values.last }
    }
    
    public mutating func append(item: Element) {
        self.queue.sync {
            self.values.append(item)
        }
    }
}

同时编写了一个验证其线程安全的测试，但该测试偶尔会失败：

class AtomicListTests: XCTestCase {
    func testReadingAndWritingOnDifferentThreads() {
        var arrayA = AtomicList<Int>()
        var arrayB = AtomicList<Int>()
        
        let expectation = expectation(description: "thread safety test")
        expectation.expectedFulfillmentCount = 10000
        
        for i in 0..<expectation.expectedFulfillmentCount {
            DispatchQueue.global().async {
                arrayA.append(item: i)
                if let last = arrayA.last {
                    arrayB.append(item: last)
                }
                expectation.fulfill()
            }
        }
        
        wait(for: [expectation], timeout: 5.0)
        XCTAssertEqual(arrayA.values.count, arrayB.values.count)
    }
}

我有两个问题：

1. 该测试是否能有效验证AtomicList的线程安全性？
2. 为何测试偶尔会出现计数不匹配（9999不等于10000）的失败？

注：我发现三种可修复该测试的方案：

1. 将AtomicList从结构体改为类
2. 将last属性改为mutating方法
3. 在测试中同步对arrayA和arrayB的访问
   但我仍不理解现有代码失效的原因，以及前两种方案能解决问题的原理。

问题解答 #

1. 该测试是否能有效验证AtomicList的线程安全性？

这个测试不能有效验证AtomicList的线程安全性。原因在于测试逻辑本身存在竞态条件：arrayA.append(item: i)和arrayA.last是两个独立的原子操作，但整个"写入后立即读取最后一个元素"的流程没有同步机制。即便AtomicList的单个方法是线程安全的，测试的组合操作也引入了外部竞态，无法准确反映AtomicList自身的线程安全特性。

2. 为何测试偶尔会出现计数不匹配？

核心问题在于AtomicList是值类型（结构体）：

• 调用append（mutating方法）时，会生成arrayA的副本，修改副本后再赋值回原变量。多线程环境下，多个线程同时修改arrayA会出现副本覆盖：比如线程1刚生成arrayA副本准备修改，线程2已经完成修改并把新副本赋值回去，此时线程1修改后的副本会覆盖线程2的修改，导致arrayA.values计数少一次。
• last是非mutating属性，访问时会读取当前arrayA的副本，可能拿到的是旧版本的arrayA，此时last为nil，导致arrayB没有追加元素，最终两个计数不匹配。

前两种修复方案的原理 #

1. 改为类（引用类型）：
   类是引用类型，所有线程操作的都是同一个实例的引用，不会像结构体那样产生副本。调用append时不会生成新实例，所有线程对arrayA的修改都作用在同一个对象上，避免了副本覆盖问题，同时last访问的也是最新的实例状态。

2. 将last属性改为mutating方法：
   mutating方法会强制调用者为var变量，且调用时会获取结构体的写权限（生成副本并替换原变量）。这样last的访问和append一样，都会触发结构体的副本更新机制，确保每次访问last时拿到的是最新的arrayA状态，避免读取旧副本导致的nil情况，同时减少了多线程下副本覆盖的概率。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者natecraft1