測(cè)試聊并發(fā)-入門篇

作者：京東保險(xiǎn) 張新磊

背景

在現(xiàn)代軟件測(cè)試的廣闊領(lǐng)域中，我們的工作不僅限于確保功能符合產(chǎn)品和業(yè)務(wù)需求的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)。隨著用戶對(duì)應(yīng)用性能的期望水漲船高，性能測(cè)試已成為衡量軟件質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。特別是在服務(wù)端接口的性能測(cè)試中，我們面臨的挑戰(zhàn)不僅僅是處理單個(gè)請(qǐng)求的效率，更在于如何在多用戶同時(shí)訪問時(shí)保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度。并發(fā)編程和測(cè)試，作為性能測(cè)試的核心，對(duì)于評(píng)估系統(tǒng)在高負(fù)載情況下的表現(xiàn)、識(shí)別潛在的性能瓶頸、以及優(yōu)化資源配置具有至關(guān)重要的作用。

并發(fā)編程是一門藝術(shù)，它要求開發(fā)者在多線程或多進(jìn)程的環(huán)境中精心編排代碼，以實(shí)現(xiàn)資源的高效共享和任務(wù)的并行執(zhí)行。這不僅需要深厚的編程功底，更需要對(duì)并發(fā)模型、同步機(jī)制和線程安全性有深刻的認(rèn)識(shí)。而在測(cè)試領(lǐng)域，性能測(cè)試工程師必須精通如何構(gòu)建并發(fā)測(cè)試場(chǎng)景，運(yùn)用工具模擬真實(shí)的高并發(fā)環(huán)境，以及如何從測(cè)試結(jié)果中提煉出有價(jià)值的洞察，以指導(dǎo)性能的持續(xù)優(yōu)化。

本文將深入剖析并發(fā)編程的深層原理、面臨的挑戰(zhàn)以及采納的最佳實(shí)踐。同時(shí)，我們將探討并發(fā)測(cè)試的策略、工具和技術(shù)，并通過實(shí)際案例的分析，闡釋如何在軟件開發(fā)生命周期中有效地整合并發(fā)測(cè)試，以及如何利用并發(fā)測(cè)試來顯著提升系統(tǒng)的性能和可靠性。

多線程基礎(chǔ)和作用

進(jìn)程與線程的區(qū)別

資源分配：進(jìn)程是資源分配的基本單位，線程是CPU調(diào)度和執(zhí)行的基本單位。
獨(dú)立性：進(jìn)程是獨(dú)立運(yùn)行的，而線程則依賴于進(jìn)程。
內(nèi)存分配：進(jìn)程有自己的內(nèi)存空間，線程共享進(jìn)程的內(nèi)存空間。
開銷：線程的創(chuàng)建和切換開銷小于進(jìn)程。
并發(fā)性：線程可以提高程序的并發(fā)性，因?yàn)樗鼈兛梢圆⑿袌?zhí)行。

Java中線程的創(chuàng)建方式

方式一.繼承Thread類
當(dāng)你創(chuàng)建一個(gè)繼承自Thread類的子類時(shí)，你需要重寫run方法，該方法包含了線程要執(zhí)行的代碼。然后，你可以通過創(chuàng)建這個(gè)子類的實(shí)例并調(diào)用其start方法來啟動(dòng)線程。

class MyThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        // 線程要執(zhí)行的代碼
        System.out.println("線程運(yùn)行中...");
    }
}

public class ThreadExample {
    public static void main(String[] args) {
        MyThread t = new MyThread();
        t.start(); // 啟動(dòng)線程
    }
}

方式二.實(shí)現(xiàn)Runnable接口
另一種創(chuàng)建線程的方式是實(shí)現(xiàn)Runnable接口。你需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)實(shí)現(xiàn)了Runnable接口的類，然后創(chuàng)建該類的實(shí)例，并把這個(gè)實(shí)例傳遞給Thread類的構(gòu)造函數(shù)。最后，通過調(diào)用Thread對(duì)象的start方法來啟動(dòng)線程。

class MyRunnable implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        // 線程要執(zhí)行的代碼
        System.out.println("線程運(yùn)行中...");
    }
}

public class RunnableExample {
    public static void main(String[] args) {
        MyRunnable r = new MyRunnable();
        Thread t = new Thread(r);
        t.start(); // 啟動(dòng)線程
    }
}

比較兩種方式
靈活性：實(shí)現(xiàn)Runnable接口比繼承Thread類更靈活，因?yàn)镴ava不支持多重繼承，但可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)接口。
資源管理：如果你需要多個(gè)線程共享同一個(gè)資源，實(shí)現(xiàn)Runnable接口是更好的選擇，因?yàn)槟憧梢远x一個(gè)資源類，然后創(chuàng)建多個(gè)Runnable實(shí)例來共享這個(gè)資源。
代碼重用：實(shí)現(xiàn)Runnable接口允許你將線程的運(yùn)行代碼與線程的控制代碼分離，這有助于代碼重用。
在實(shí)際開發(fā)中，推薦使用實(shí)現(xiàn)Runnable接口的方式來創(chuàng)建線程，因?yàn)樗峁┝烁玫撵`活性和代碼重用性，但也需考慮實(shí)際情況選擇使用。

線程生命周期

新建（New）、可運(yùn)行（Runnable）、阻塞（Blocked）、正在運(yùn)行（Running）、終止（Terminated）等狀態(tài)的解釋。
新建（New）：
線程對(duì)象已經(jīng)被創(chuàng)建，但還沒有調(diào)用start()方法。在這個(gè)狀態(tài)下，線程還沒有開始執(zhí)行。
可運(yùn)行（Runnable）：
線程已經(jīng)調(diào)用了start()方法，此時(shí)線程處于可運(yùn)行狀態(tài)?？蛇\(yùn)行狀態(tài)包括了操作系統(tǒng)線程的就緒（Ready）和運(yùn)行（Running）狀態(tài)。線程可能正在運(yùn)行，也可能正在等待CPU時(shí)間片，因?yàn)榭蛇\(yùn)行狀態(tài)的線程會(huì)與其他線程共享CPU資源。
阻塞（Blocked）：
線程因?yàn)榈却粋€(gè)監(jiān)視器鎖（比如進(jìn)入一個(gè)同步塊）而無法繼續(xù)執(zhí)行的狀態(tài)。在這種情況下，線程會(huì)一直等待直到獲取到鎖。阻塞狀態(tài)通常發(fā)生在多個(gè)線程嘗試進(jìn)入一個(gè)同步方法或同步塊時(shí)，但只有一個(gè)線程能夠獲得鎖。
正在運(yùn)行（Running）：
線程正在執(zhí)行其run()方法的代碼。這個(gè)狀態(tài)是可運(yùn)行狀態(tài)的一個(gè)子集，表示線程當(dāng)前正在CPU上執(zhí)行。
注意：在Java官方文檔中，并沒有明確區(qū)分“可運(yùn)行”和“正在運(yùn)行”這兩個(gè)狀態(tài)，通常將它們統(tǒng)稱為“可運(yùn)行（Runnable）”狀態(tài)。
終止（Terminated）：
線程的運(yùn)行結(jié)束。這可能是因?yàn)榫€程正常執(zhí)行完任務(wù)，或者因?yàn)槟硞€(gè)未捕獲的異常導(dǎo)致線程結(jié)束。一旦線程進(jìn)入終止?fàn)顟B(tài)，它就不能再被啟動(dòng)或恢復(fù)。

線程同步

同步指的是在多線程環(huán)境中，控制多個(gè)線程對(duì)共享資源的訪問順序，以防止數(shù)據(jù)不一致和競(jìng)態(tài)條件。同步機(jī)制確保了當(dāng)一個(gè)線程訪問某個(gè)資源時(shí)，其他線程不能同時(shí)訪問該資源。
數(shù)據(jù)一致性：防止多個(gè)線程同時(shí)修改同一數(shù)據(jù)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致。
線程安全：確保程序在多線程環(huán)境下能夠正確運(yùn)行，不會(huì)因?yàn)榫€程的并行執(zhí)行而出現(xiàn)錯(cuò)誤。
性能優(yōu)化：合理的同步可以提高程序的并發(fā)性能，避免不必要的線程阻塞和上下文切換。
synchronized關(guān)鍵字的使用
synchronized 是 Java 中用于同步的一個(gè)關(guān)鍵字，它可以用于方法或代碼塊，確保同一時(shí)間只有一個(gè)線程可以執(zhí)行該段代碼。

同步方法
public synchronized void myMethod() {
    // 需要同步的代碼
}

同步代碼塊
public void myMethod() {
    synchronized(this) {
        // 需要同步的代碼
    }
}

Locks&ReentrantLock
Java 提供了更靈活的鎖機(jī)制，稱為 Locks，其中最常用的是 ReentrantLock。
Locks：提供了比 synchronized 更靈活的鎖定機(jī)制，如嘗試鎖定、定時(shí)鎖定、可中斷的鎖定等。
ReentrantLock：是一種可重入的互斥鎖，支持完全的鎖定操作，可以被同一個(gè)線程多次獲得，但必須釋放相同次數(shù)。
使用 ReentrantLock 的基本步驟：
創(chuàng)建 ReentrantLock 對(duì)象。
在需要同步的代碼塊前后調(diào)用 lock() 和 unlock() 方法。
確保在 finally 塊中釋放鎖，以避免死鎖

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class Example {
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    public void myMethod() {
        lock.lock();
        try {
            // 需要同步的代碼
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

線程同步是確保多線程程序正確性和性能的關(guān)鍵技術(shù)。synchronized 和 ReentrantLock 提供了不同的同步機(jī)制，開發(fā)者可以根據(jù)具體需求選擇合適的同步方式。正確使用同步機(jī)制可以避免數(shù)據(jù)不一致和競(jìng)態(tài)條件，提高程序的穩(wěn)定性和性能。

線程間通信

線程間通信是多線程編程中的一個(gè)重要概念，它允許線程之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和狀態(tài)同步。在 Java 中，線程間通信主要通過等待/通知機(jī)制和條件變量來實(shí)現(xiàn)。

等待/通知機(jī)制（wait()、notify()、notifyAll()）

wait()：當(dāng)一個(gè)線程調(diào)用 wait() 方法時(shí)，它會(huì)釋放對(duì)象的鎖，并進(jìn)入該對(duì)象的等待池（wait set）中等待。其他線程可以調(diào)用 notify() 或 notifyAll() 方法來喚醒等待池中的線程。
notify()：?jiǎn)拘言谠搶?duì)象上等待的單個(gè)線程。選擇哪個(gè)線程是不確定的。
notifyAll()：?jiǎn)拘言谠搶?duì)象上等待的所有線程。

public class Message {
    private String content;
    private boolean empty = true;

    public synchronized String take() throws InterruptedException {
        while (empty) {
            wait();
        }
        empty = true;
        notifyAll();
        return content;
    }

    public synchronized void put(String content) throws InterruptedException {
        while (!empty) {
            wait();
        }
        empty = false;
        this.content = content;
        notifyAll();
    }
}

條件變量（Condition）

條件變量提供了一種更靈活的線程間通信方式。Condition 接口是 java.util.concurrent.locks 包的一部分，它與 Lock 接口一起使用。
await()：類似于 wait()，但需要在 Condition 對(duì)象上調(diào)用。
signal()：類似于 notify()，但需要在 Condition 對(duì)象上調(diào)用。
signalAll()：類似于 notifyAll()，但需要在 Condition 對(duì)象上調(diào)用。

import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class Message {
    private String content;
    private boolean empty = true;
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    private final Condition notEmpty = lock.newCondition();

    public void put(String content) throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while (!empty) {
                notEmpty.await();
            }
            empty = false;
            this.content = content;
            notEmpty.signal();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public String take() throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while (empty) {
                notEmpty.await();
            }
            empty = true;
            String result = content;
            notEmpty.signal();
            return result;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

線程池

線程池是一種執(zhí)行器（Executor），用于在一個(gè)后臺(tái)線程中執(zhí)行任務(wù)。線程池的主要目的是減少在創(chuàng)建和銷毀線程時(shí)所產(chǎn)生的性能開銷。通過重用已經(jīng)創(chuàng)建的線程來執(zhí)行新的任務(wù)，線程池提高了程序的響應(yīng)速度，并且提供了更好的系統(tǒng)資源管理。

Executor框架的使用

Java的java.util.concurrent包提供了Executor框架，它是一個(gè)用于管理線程的框架，包括線程池的管理。Executor框架的核心接口是Executor和ExecutorService。
Executor：一個(gè)執(zhí)行提交的Runnable任務(wù)的接口。
ExecutorService：Executor的子接口，提供了管理任務(wù)生命周期的方法，如關(guān)閉線程池、提交異步任務(wù)等。

如何創(chuàng)建和使用不同類型的線程池

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class ThreadPoolExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 創(chuàng)建一個(gè)固定大小的線程池
        ExecutorService fixedThreadPool = Executors.newFixedThreadPool(4);

        // 創(chuàng)建一個(gè)緩存線程池
        ExecutorService cachedThreadPool = Executors.newCachedThreadPool();

        // 創(chuàng)建一個(gè)單線程池
        ExecutorService singleThreadExecutor = Executors.newSingleThreadExecutor();

        // 提交任務(wù)給線程池
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            final int index = i;
            fixedThreadPool.submit(() -?> {
                System.out.println("執(zhí)行任務(wù)：" + index + " 線程：" + Thread.currentThread().getName());
            });
        }

        // 關(guān)閉線程池
        fixedThreadPool.shutdown();
        cachedThreadPool.shutdown();
        singleThreadExecutor.shutdown();
    }
}

并發(fā)集合

傳統(tǒng)的集合類在多線程環(huán)境下的問題

傳統(tǒng)的集合類（如 ArrayList、LinkedList、HashMap 等）并不是線程安全的。這意味著，如果在多線程環(huán)境下，多個(gè)線程同時(shí)對(duì)這些集合進(jìn)行讀寫操作，可能會(huì)導(dǎo)致以下幾種問題
數(shù)據(jù)不一致：當(dāng)多個(gè)線程同時(shí)修改集合時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致集合的狀態(tài)不一致。例如，一個(gè)線程正在遍歷列表，而另一個(gè)線程正在添加或刪除元素，這可能導(dǎo)致遍歷過程中出現(xiàn) ConcurrentModificationException。
競(jìng)態(tài)條件：當(dāng)多個(gè)線程并發(fā)訪問集合并且至少有一個(gè)線程在修改集合時(shí)，就會(huì)發(fā)生競(jìng)態(tài)條件。這意味著最終結(jié)果依賴于線程執(zhí)行的順序，這可能導(dǎo)致不可預(yù)測(cè)的結(jié)果。
臟讀：一個(gè)線程可能讀取到另一個(gè)線程修改了一半的數(shù)據(jù)，這種讀取被稱為“臟讀”。
幻讀：在一個(gè)事務(wù)中，多次查詢數(shù)據(jù)庫(kù)，由于其他事務(wù)插入了行，導(dǎo)致原本滿足條件的查詢結(jié)果集中出現(xiàn)了“幻影”行。
不可重復(fù)讀：在一個(gè)事務(wù)內(nèi)，多次讀取同一數(shù)據(jù)集合，由于其他線程的修改，導(dǎo)致每次都得到不同的數(shù)據(jù)，這被稱為不可重復(fù)讀。

通過以下幾種策略解決多線程環(huán)境問題

使用同步包裝器：Java提供了一些同步包裝器，如 Collections.synchronizedList、Collections.synchronizedMap 等，可以將非線程安全的集合包裝成線程安全的。
使用并發(fā)集合：Java的 java.util.concurrent 包提供了一些線程安全的集合類，如 ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList 等，它們內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了必要的同步機(jī)制。
使用鎖：可以使用 synchronized 關(guān)鍵字或 ReentrantLock 對(duì)集合的操作進(jìn)行顯式同步。
使用原子類：對(duì)于基本數(shù)據(jù)類型的集合，可以使用 java.util.concurrent.atomic 包中的原子類，如 AtomicInteger、AtomicReference 等。
使用不可變集合：不可變集合一旦創(chuàng)建就不能被修改，因此是線程安全的。可以使用 Collections.unmodifiableList、Collections.unmodifiableMap 等方法創(chuàng)建不可變集合。
使用線程局部變量：如果每個(gè)線程都需要有自己的集合副本，可以使用 ThreadLocal 類。
避免共享：如果可能，避免在多個(gè)線程間共享集合，每個(gè)線程使用獨(dú)立的集合可以避免同步問題。

并發(fā)設(shè)計(jì)模式

生產(chǎn)者-消費(fèi)者模式（Producer-Consumer Pattern）

生產(chǎn)者-消費(fèi)者模式是一種常見的并發(fā)設(shè)計(jì)模式，用于協(xié)調(diào)生產(chǎn)者線程和消費(fèi)者線程之間的工作。生產(chǎn)者線程負(fù)責(zé)生成數(shù)據(jù)，消費(fèi)者線程負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)。它們之間通常通過一個(gè)共享的緩沖區(qū)（如隊(duì)列）進(jìn)行通信。這個(gè)模式可以有效地解耦生產(chǎn)者和消費(fèi)者的工作，提高程序的并發(fā)性能。

BlockingQueue queue = new LinkedBlockingQueue();

class Producer extends Thread {
    public void run() {
        while (true) {
            Work item = produce();
            queue.put(item);
        }
    }

    Work produce() {
        // 生產(chǎn)數(shù)據(jù)
        return new Work();
    }
}

class Consumer extends Thread {
    public void run() {
        while (true) {
            Work item = queue.take();
            consume(item);
        }
    }

    void consume(Work item) {
        // 消費(fèi)數(shù)據(jù)
    }
}

讀寫鎖模式（Reader-Writer Lock Pattern）

讀寫鎖模式允許多個(gè)線程同時(shí)讀取共享資源，但寫入操作是互斥的。這種模式適用于讀多寫少的場(chǎng)景，可以提高程序的并發(fā)性能。

class ReadWriteResource {
    private final ReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();

    public void read() {
        lock.readLock().lock();
        try {
            // 執(zhí)行讀取操作
        } finally {
            lock.readLock().unlock();
        }
    }

    public void write() {
        lock.writeLock().lock();
        try {
            // 執(zhí)行寫入操作
        } finally {
            lock.writeLock().unlock();
        }
    }
}

線程池模式（ThreadPool Pattern）

線程池模式通過復(fù)用一組線程來執(zhí)行多個(gè)任務(wù)，減少了線程創(chuàng)建和銷毀的開銷。線程池可以控制并發(fā)線程的數(shù)量，提高資源利用率。

ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10);
executor.submit(() -> {
    // 執(zhí)行任務(wù)
});

executor.shutdown();

案例分析

寫了幾個(gè)多線程并發(fā)的小demo，有需要可以聯(lián)系獲取倉(cāng)庫(kù)權(quán)限

注：文章有很多瑕疵，歡迎各位大佬批評(píng)指正

審核編輯 黃宇