Swift 中的单元测试线程安全列表

Question

我有一个 AtomicList 类型：

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)
        }
    }
}

还有一个不稳定的失败测试，​​应该验证它是线程安全的：

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. 这是否是检查该类型是否线程安全的有效测试？
2. 为什么测试偶尔会失败，并出现 9999 不等于 10000 的错误（即计数不匹配）

注意：我注意到有几个解决方案可以解决此问题并使其通过测试，例如：

1. 将 AtomicList 从结构更改为类
2. 将 var last 更改为 mutating func
3. 测试中同步访问arrayA和arrayB

但我仍然不完全理解为什么现有代码不起作用，以及为什么上面的前两个解决方案使它通过。

Answer 1

这是否是检查该类型是否线程安全的有效测试？

不会。仅仅因为竞争条件未能导致症状并不意味着不存在竞争条件。要测试测试期间发生的基本内存竞争条件，您需要使用线程清理程序。这会检测您的代码，以确保每个跨线程内存访问都受到锁的保护。这仍然不能证明不存在低级竞争条件，因为它可能不会执行所有代码路径（尽管它会检测不受保护的访问，即使它们碰巧没有冲突，这就是它的要点）。

所有这些仍然并不意味着没有更高级别的竞争条件。请参阅 bbum 的回答，了解为什么 Objective-Catomic不提供高级线程安全性，即使它消除了所有低级数据竞争。以这种方式证明系统是线程安全的可能是不可能的。

对于为什么此代码不起作用的问题，这不是访问值类型的有效方法。值类型在传递给函数或变异时会被复制。它们是价值观。它们不是一个可以有多个引用指向同一个引用的对象。从多个线程访问同一结构不是定义的行为，并且破坏了写时复制优化。您在内部数组周围有一个锁，但在 AtomicList 结构周围没有锁。（如果编译器在此方面失败就好了，但它会破坏太多进行单个结构修改的常见 GCD 模式。）

这意味着对内部数组的访问是同步的，但对结构体的修改不是同步的。你的问题比偶尔的长度不匹配要大得多。价值观也是错误的。如果我运行 100 次并检查arrayB，前几个元素通常是错误的。有时是[1,1,2]，有时是[1,0,2]，等等。

正确的工具是actor. 但对于 GCD 来说，这仅对引用类型的类有意义，因此锁可以工作。