测试聊并发-入门篇

作者：京东保险 张新磊

背景

在现代软件测试的广阔领域中，我们的工作不仅限于确保功能符合产品和业务需求的严格标准。随着用户对应用性能的期望水涨船高，性能测试已成为衡量软件质量的关键指标。特别是在服务端接口的性能测试中，我们面临的挑战不仅仅是处理单个请求的效率，更在于如何在多用户同时访问时保持系统的稳定性和响应速度。并发编程和测试，作为性能测试的核心，对于评估系统在高负载情况下的表现、识别潜在的性能瓶颈、以及优化资源配置具有至关重要的作用。

并发编程是一门艺术，它要求开发者在多线程或多进程的环境中精心编排代码，以实现资源的高效共享和任务的并行执行。这不仅需要深厚的编程功底，更需要对并发模型、同步机制和线程安全性有深刻的认识。而在测试领域，性能测试工程师必须精通如何构建并发测试场景，运用工具模拟真实的高并发环境，以及如何从测试结果中提炼出有价值的洞察，以指导性能的持续优化。

本文将深入剖析并发编程的深层原理、面临的挑战以及采纳的最佳实践。同时，我们将探讨并发测试的策略、工具和技术，并通过实际案例的分析，阐释如何在软件开发生命周期中有效地整合并发测试，以及如何利用并发测试来显著提升系统的性能和可靠性。

多线程基础和作用

进程与线程的区别

资源分配：进程是资源分配的基本单位，线程是CPU调度和执行的基本单位。
独立性：进程是独立运行的，而线程则依赖于进程。
内存分配：进程有自己的内存空间，线程共享进程的内存空间。
开销：线程的创建和切换开销小于进程。
并发性：线程可以提高程序的并发性，因为它们可以并行执行。

Java中线程的创建方式

方式一.继承Thread类
当你创建一个继承自Thread类的子类时，你需要重写run方法，该方法包含了线程要执行的代码。然后，你可以通过创建这个子类的实例并调用其start方法来启动线程。

class MyThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        // 线程要执行的代码
        System.out.println("线程运行中...");
    }
}

public class ThreadExample {
    public static void main(String[] args) {
        MyThread t = new MyThread();
        t.start(); // 启动线程
    }
}

方式二.实现Runnable接口
另一种创建线程的方式是实现Runnable接口。你需要创建一个实现了Runnable接口的类，然后创建该类的实例，并把这个实例传递给Thread类的构造函数。最后，通过调用Thread对象的start方法来启动线程。

class MyRunnable implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        // 线程要执行的代码
        System.out.println("线程运行中...");
    }
}

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

比较两种方式
灵活性：实现Runnable接口比继承Thread类更灵活，因为Java不支持多重继承，但可以实现多个接口。
资源管理：如果你需要多个线程共享同一个资源，实现Runnable接口是更好的选择，因为你可以定义一个资源类，然后创建多个Runnable实例来共享这个资源。
代码重用：实现Runnable接口允许你将线程的运行代码与线程的控制代码分离，这有助于代码重用。
在实际开发中，推荐使用实现Runnable接口的方式来创建线程，因为它提供了更好的灵活性和代码重用性，但也需考虑实际情况选择使用。

线程生命周期

新建（New）、可运行（Runnable）、阻塞（Blocked）、正在运行（Running）、终止（Terminated）等状态的解释。
新建（New）：
线程对象已经被创建，但还没有调用start()方法。在这个状态下，线程还没有开始执行。
可运行（Runnable）：
线程已经调用了start()方法，此时线程处于可运行状态。可运行状态包括了操作系统线程的就绪（Ready）和运行（Running）状态。线程可能正在运行，也可能正在等待CPU时间片，因为可运行状态的线程会与其他线程共享CPU资源。
阻塞（Blocked）：
线程因为等待一个监视器锁（比如进入一个同步块）而无法继续执行的状态。在这种情况下，线程会一直等待直到获取到锁。阻塞状态通常发生在多个线程尝试进入一个同步方法或同步块时，但只有一个线程能够获得锁。
正在运行（Running）：
线程正在执行其run()方法的代码。这个状态是可运行状态的一个子集，表示线程当前正在CPU上执行。
注意：在Java官方文档中，并没有明确区分“可运行”和“正在运行”这两个状态，通常将它们统称为“可运行（Runnable）”状态。
终止（Terminated）：
线程的运行结束。这可能是因为线程正常执行完任务，或者因为某个未捕获的异常导致线程结束。一旦线程进入终止状态，它就不能再被启动或恢复。

线程同步

同步指的是在多线程环境中，控制多个线程对共享资源的访问顺序，以防止数据不一致和竞态条件。同步机制确保了当一个线程访问某个资源时，其他线程不能同时访问该资源。
数据一致性：防止多个线程同时修改同一数据，导致数据不一致。
线程安全：确保程序在多线程环境下能够正确运行，不会因为线程的并行执行而出现错误。
性能优化：合理的同步可以提高程序的并发性能，避免不必要的线程阻塞和上下文切换。
synchronized关键字的使用
synchronized 是 Java 中用于同步的一个关键字，它可以用于方法或代码块，确保同一时间只有一个线程可以执行该段代码。

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

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

Locks&ReentrantLock
Java 提供了更灵活的锁机制，称为 Locks，其中最常用的是 ReentrantLock。
Locks：提供了比 synchronized 更灵活的锁定机制，如尝试锁定、定时锁定、可中断的锁定等。
ReentrantLock：是一种可重入的互斥锁，支持完全的锁定操作，可以被同一个线程多次获得，但必须释放相同次数。
使用 ReentrantLock 的基本步骤：
创建 ReentrantLock 对象。
在需要同步的代码块前后调用 lock() 和 unlock() 方法。
确保在 finally 块中释放锁，以避免死锁

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

线程同步是确保多线程程序正确性和性能的关键技术。synchronized 和 ReentrantLock 提供了不同的同步机制，开发者可以根据具体需求选择合适的同步方式。正确使用同步机制可以避免数据不一致和竞态条件，提高程序的稳定性和性能。

线程间通信

线程间通信是多线程编程中的一个重要概念，它允许线程之间进行数据交换和状态同步。在 Java 中，线程间通信主要通过等待/通知机制和条件变量来实现。

等待/通知机制（wait()、notify()、notifyAll()）

wait()：当一个线程调用 wait() 方法时，它会释放对象的锁，并进入该对象的等待池（wait set）中等待。其他线程可以调用 notify() 或 notifyAll() 方法来唤醒等待池中的线程。
notify()：唤醒在该对象上等待的单个线程。选择哪个线程是不确定的。
notifyAll()：唤醒在该对象上等待的所有线程。

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();
    }
}

条件变量（Condition）

条件变量提供了一种更灵活的线程间通信方式。Condition 接口是 java.util.concurrent.locks 包的一部分，它与 Lock 接口一起使用。
await()：类似于 wait()，但需要在 Condition 对象上调用。
signal()：类似于 notify()，但需要在 Condition 对象上调用。
signalAll()：类似于 notifyAll()，但需要在 Condition 对象上调用。

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();
        }
    }
}

线程池

线程池是一种执行器（Executor），用于在一个后台线程中执行任务。线程池的主要目的是减少在创建和销毁线程时所产生的性能开销。通过重用已经创建的线程来执行新的任务，线程池提高了程序的响应速度，并且提供了更好的系统资源管理。

Executor框架的使用

Java的java.util.concurrent包提供了Executor框架，它是一个用于管理线程的框架，包括线程池的管理。Executor框架的核心接口是Executor和ExecutorService。
Executor：一个执行提交的Runnable任务的接口。
ExecutorService：Executor的子接口，提供了管理任务生命周期的方法，如关闭线程池、提交异步任务等。

如何创建和使用不同类型的线程池

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

public class ThreadPoolExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个固定大小的线程池
        ExecutorService fixedThreadPool = Executors.newFixedThreadPool(4);

        // 创建一个缓存线程池
        ExecutorService cachedThreadPool = Executors.newCachedThreadPool();

        // 创建一个单线程池
        ExecutorService singleThreadExecutor = Executors.newSingleThreadExecutor();

        // 提交任务给线程池
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            final int index = i;
            fixedThreadPool.submit(() - > {
                System.out.println("执行任务：" + index + " 线程：" + Thread.currentThread().getName());
            });
        }

        // 关闭线程池
        fixedThreadPool.shutdown();
        cachedThreadPool.shutdown();
        singleThreadExecutor.shutdown();
    }
}

并发集合

传统的集合类在多线程环境下的问题

传统的集合类（如 ArrayList、LinkedList、HashMap 等）并不是线程安全的。这意味着，如果在多线程环境下，多个线程同时对这些集合进行读写操作，可能会导致以下几种问题
数据不一致：当多个线程同时修改集合时，可能会导致集合的状态不一致。例如，一个线程正在遍历列表，而另一个线程正在添加或删除元素，这可能导致遍历过程中出现 ConcurrentModificationException。
竞态条件：当多个线程并发访问集合并且至少有一个线程在修改集合时，就会发生竞态条件。这意味着最终结果依赖于线程执行的顺序，这可能导致不可预测的结果。
脏读：一个线程可能读取到另一个线程修改了一半的数据，这种读取被称为“脏读”。
幻读：在一个事务中，多次查询数据库，由于其他事务插入了行，导致原本满足条件的查询结果集中出现了“幻影”行。
不可重复读：在一个事务内，多次读取同一数据集合，由于其他线程的修改，导致每次都得到不同的数据，这被称为不可重复读。

通过以下几种策略解决多线程环境问题

使用同步包装器：Java提供了一些同步包装器，如 Collections.synchronizedList、Collections.synchronizedMap 等，可以将非线程安全的集合包装成线程安全的。
使用并发集合：Java的 java.util.concurrent 包提供了一些线程安全的集合类，如 ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList 等，它们内部实现了必要的同步机制。
使用锁：可以使用 synchronized 关键字或 ReentrantLock 对集合的操作进行显式同步。
使用原子类：对于基本数据类型的集合，可以使用 java.util.concurrent.atomic 包中的原子类，如 AtomicInteger、AtomicReference 等。
使用不可变集合：不可变集合一旦创建就不能被修改，因此是线程安全的。可以使用 Collections.unmodifiableList、Collections.unmodifiableMap 等方法创建不可变集合。
使用线程局部变量：如果每个线程都需要有自己的集合副本，可以使用 ThreadLocal 类。
避免共享：如果可能，避免在多个线程间共享集合，每个线程使用独立的集合可以避免同步问题。

并发设计模式

生产者-消费者模式（Producer-Consumer Pattern）

生产者-消费者模式是一种常见的并发设计模式，用于协调生产者线程和消费者线程之间的工作。生产者线程负责生成数据，消费者线程负责处理数据。它们之间通常通过一个共享的缓冲区（如队列）进行通信。这个模式可以有效地解耦生产者和消费者的工作，提高程序的并发性能。

BlockingQueue queue = new LinkedBlockingQueue<  >();

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

    Work produce() {
        // 生产数据
        return new Work();
    }
}

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

    void consume(Work item) {
        // 消费数据
    }
}

读写锁模式（Reader-Writer Lock Pattern）

读写锁模式允许多个线程同时读取共享资源，但写入操作是互斥的。这种模式适用于读多写少的场景，可以提高程序的并发性能。

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

    public void read() {
        lock.readLock().lock();
        try {
            // 执行读取操作
        } finally {
            lock.readLock().unlock();
        }
    }

    public void write() {
        lock.writeLock().lock();
        try {
            // 执行写入操作
        } finally {
            lock.writeLock().unlock();
        }
    }
}

线程池模式（ThreadPool Pattern）

线程池模式通过复用一组线程来执行多个任务，减少了线程创建和销毁的开销。线程池可以控制并发线程的数量，提高资源利用率。

ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10);
executor.submit(() -> {
    // 执行任务
});

executor.shutdown();

案例分析

写了几个多线程并发的小demo，有需要可以联系获取仓库权限

注：文章有很多瑕疵，欢迎各位大佬批评指正

审核编辑 黄宇