作者：京東保險 張新磊

背景

在現代軟件測試的廣闊領域中，我們的工作不僅限于確保功能符合產品和業務需求的嚴格標準。隨著用戶對應用性能的期望水漲船高，性能測試已成為衡量軟件質量的關鍵指標。特別是在服務端接口的性能測試中，我們面臨的挑戰不僅僅是處理單個請求的效率，更在于如何在多用戶同時訪問時保持系統的穩定性和響應速度。并發編程和測試，作為性能測試的核心，對于評估系統在高負載情況下的表現、識別潛在的性能瓶頸、以及優化資源配置具有至關重要的作用。

并發編程是一門藝術，它要求開發者在多線程或多進程的環境中精心編排代碼，以實現資源的高效共享和任務的并行執行。這不僅需要深厚的編程功底，更需要對并發模型、同步機制和線程安全性有深刻的認識。而在測試領域，性能測試工程師必須精通如何構建并發測試場景，運用工具模擬真實的高并發環境，以及如何從測試結果中提煉出有價值的洞察，以指導性能的持續優化。

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

多線程基礎和作用

進程與線程的區別

資源分配：進程是資源分配的基本單位，線程是CPU調度和執行的基本單位。
獨立性：進程是獨立運行的，而線程則依賴于進程。
內存分配：進程有自己的內存空間，線程共享進程的內存空間。
開銷：線程的創建和切換開銷小于進程。
并發性：線程可以提高程序的并發性，因為它們可以并行執行。

Java中線程的創建方式

方式一.繼承Thread類
當你創建一個繼承自Thread類的子類時，你需要重寫run方法，該方法包含了線程要執行的代碼。然后，你可以通過創建這個子類的實例并調用其start方法來啟動線程。

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

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

方式二.實現Runnable接口
另一種創建線程的方式是實現Runnable接口。你需要創建一個實現了Runnable接口的類，然后創建該類的實例，并把這個實例傳遞給Thread類的構造函數。最后，通過調用Thread對象的start方法來啟動線程。

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

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

比較兩種方式
靈活性：實現Runnable接口比繼承Thread類更靈活，因為Java不支持多重繼承，但可以實現多個接口。
資源管理：如果你需要多個線程共享同一個資源，實現Runnable接口是更好的選擇，因為你可以定義一個資源類，然后創建多個Runnable實例來共享這個資源。
代碼重用：實現Runnable接口允許你將線程的運行代碼與線程的控制代碼分離，這有助于代碼重用。
在實際開發中，推薦使用實現Runnable接口的方式來創建線程，因為它提供了更好的靈活性和代碼重用性，但也需考慮實際情況選擇使用。

線程生命周期

新建（New）、可運行（Runnable）、阻塞（Blocked）、正在運行（Running）、終止（Terminated）等狀態的解釋。
新建（New）：
線程對象已經被創建，但還沒有調用start()方法。在這個狀態下，線程還沒有開始執行。
可運行（Runnable）：
線程已經調用了start()方法，此時線程處于可運行狀態。可運行狀態包括了操作系統線程的就緒（Ready）和運行（Running）狀態。線程可能正在運行，也可能正在等待CPU時間片，因為可運行狀態的線程會與其他線程共享CPU資源。
阻塞（Blocked）：
線程因為等待一個監視器鎖（比如進入一個同步塊）而無法繼續執行的狀態。在這種情況下，線程會一直等待直到獲取到鎖。阻塞狀態通常發生在多個線程嘗試進入一個同步方法或同步塊時，但只有一個線程能夠獲得鎖。
正在運行（Running）：
線程正在執行其run()方法的代碼。這個狀態是可運行狀態的一個子集，表示線程當前正在CPU上執行。
注意：在Java官方文檔中，并沒有明確區分“可運行”和“正在運行”這兩個狀態，通常將它們統稱為“可運行（Runnable）”狀態。
終止（Terminated）：
線程的運行結束。這可能是因為線程正常執行完任務，或者因為某個未捕獲的異常導致線程結束。一旦線程進入終止狀態，它就不能再被啟動或恢復。

線程同步

同步指的是在多線程環境中，控制多個線程對共享資源的訪問順序，以防止數據不一致和競態條件。同步機制確保了當一個線程訪問某個資源時，其他線程不能同時訪問該資源。
數據一致性：防止多個線程同時修改同一數據，導致數據不一致。
線程安全：確保程序在多線程環境下能夠正確運行，不會因為線程的并行執行而出現錯誤。
性能優化：合理的同步可以提高程序的并發性能，避免不必要的線程阻塞和上下文切換。
synchronized關鍵字的使用
synchronized 是 Java 中用于同步的一個關鍵字，它可以用于方法或代碼塊，確保同一時間只有一個線程可以執行該段代碼。

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 更靈活的鎖定機制，如嘗試鎖定、定時鎖定、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，可以被同一個線程多次獲得，但必須釋放相同次數。
使用 ReentrantLock 的基本步驟：
創建 ReentrantLock 對象。
在需要同步的代碼塊前后調用 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鍵技術。synchronized 和 ReentrantLock 提供了不同的同步機制，開發者可以根據具體需求選擇合適的同步方式。正確使用同步機制可以避免數據不一致和競態條件，提高程序的穩定性和性能。

線程間通信

線程間通信是多線程編程中的一個重要概念，它允許線程之間進行數據交換和狀態同步。在 Java 中，線程間通信主要通過等待/通知機制和條件變量來實現。

等待/通知機制（wait()、notify()、notifyAll()）

wait()：當一個線程調用 wait() 方法時，它會釋放對象的鎖，并進入該對象的等待池（wait set）中等待。其他線程可以調用 notify() 或 notifyAll() 方法來喚醒等待池中的線程。
notify()：喚醒在該對象上等待的單個線程。選擇哪個線程是不確定的。
notifyAll()：喚醒在該對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 對象上調用。
signal()：類似于 notify()，但需要在 Condition 對象上調用。
signalAll()：類似于 notifyAll()，但需要在 Condition 對象上調用。

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

線程池是一種執行器（Executor），用于在一個后臺線程中執行任務。線程池的主要目的是減少在創建和銷毀線程時所產生的性能開銷。通過重用已經創建的線程來執行新的任務，線程池提高了程序的響應速度，并且提供了更好的系統資源管理。

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：一個執行提交的Runnable任務的接口。
ExecutorService：Executor的子接口，提供了管理任務生命周期的方法，如關閉線程池、提交異步任務等。

如何創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) {
        // 創建一個固定大小的線程池
        ExecutorService fixedThreadPool = Executors.newFixedThreadPool(4);

        // 創建一個緩存線程池
        ExecutorService cachedThreadPool = Executors.newCachedThreadPool();

        // 創建一個單線程池
        ExecutorService singleThreadExecutor = Executors.newSingleThreadExecutor();

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

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

并發集合

傳統的集合類在多線程環境下的問題

傳統的集合類（如 ArrayList、LinkedList、HashMap 等）并不是線程安全的。這意味著，如果在多線程環境下，多個線程同時對這些集合進行讀寫操作，可能會導致以下幾種問題
數據不一致：當多個線程同時修改集合時，可能會導致集合的狀態不一致。例如，一個線程正在遍歷列表，而另一個線程正在添加或刪除元素，這可能導致遍歷過程中出現 ConcurrentModificationException。
競態條件：當多個線程并發訪問集合并且至少有一個線程在修改集合時，就會發生競態條件。這意味著最終結果依賴于線程執行的順序，這可能導致不可預測的結果。
臟讀：一個線程可能讀取到另一個線程修改了一半的數據，這種讀取被稱為“臟讀”。
幻讀：在一個事務中，多次查詢數據庫，由于其他事務插入了行，導致原本滿足條件的查詢結果集中出現了“幻影”行。
不可重復讀：在一個事務內，多次讀取同一數據集合，由于其他線程的修改，導致每次都得到不同的數據，這被稱為不可重復讀。

通過以下幾種策略解決多線程環境問題

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，它們內部實現了必要的同步機制。
使用鎖：可以使用 synchronized 關鍵字或 ReentrantLock 對集合的操作進行顯式同步。
使用原子類：對于基本數據類型的集合，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 等方法創建不可變集合。
使用線程局部變量：如果每個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，避免在多個線程間共享集合，每個線程使用獨立的集合可以避免同步問題。

并發設計模式

生產者-消費者模式（Producer-Consumer Pattern）

生產者-消費者模式是一種常見的并發設計模式，用于協調生產者線程和消費者線程之間的工作。生產者線程負責生成數據，消費者線程負責處理數據。它們之間通常通過一個共享的緩沖區（如隊列）進行通信。這個模式可以有效地解耦生產者和消費者的工作，提高程序的并發性能。

BlockingQueue queue = new LinkedBlockingQueue();

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

    Work produce() {
        // 生產數據
        return new Work();
    }
}

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

    void consume(Work item) {
        // 消費數據
    }
}

讀寫鎖模式（Reader-Writer Lock Pattern）

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

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

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

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

線程池模式（ThreadPool Pattern）

線程池模式通過復用一組線程來執行多個任務，減少了線程創建和銷毀的開銷。線程池可以控制并發線程的數量，提高資源利用率。

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

executor.shutdown();

案例分析

寫了幾個多線程并發的小demo，有需要可以聯系獲取倉庫權限

注：文章有很多瑕疵，歡迎各位大佬批評指正

審核編輯 黃宇