C++并发编程（十一）多线程应用的测试和除错

Cvincent976

已于 2023-03-15 14:31:15 修改

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分类专栏： C++并发文章标签： c++

于 2023-03-15 14:29:23 首次发布

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测试和除错也是开发中的一个关键步骤，并发的代码的测试和除错更加困难。要掌握一些排错的技法，首先得了解错误可能出现的地方。

1.与并发相关的错误类型

某些类型的错误与并发的使用直接关联，这些并发错误主要分为两类：
1.多余的阻塞
2.条件竞争
两个大类可以进一步细分。

1.1多余的阻塞

若某线程等待某项条件成立或某一状态出现，而无法执行任务，该状态被称为阻塞。等待的目标可能是互斥、条件变量、future或I/O操作。阻塞有几种变化：死锁（线程相互等待）、活锁（线程相互等待，区别在于活动状态的循环，如自旋锁）、I/O阻塞或其它外部阻塞（等到外部输入而阻塞，应避免一个线程等另一个，另一个却等外部输入）。

1.2条件竞争

条件竞争是各种问题的常见诱因，许多死锁、活锁只是条件竞争的表现形式。当多个独立线程因调度导致相对次序有异，其上的操作又取决于这种差异，才会出现条件竞争。多数条件竞争为良性，如：就任务队列而言，由哪个线程执行下一项任务根本无关紧要，但是条件竞争经常造成如下问题：

数据竞争：由于对共享区域内的并发访问缺乏同步措施，导致未定义行为。

受破坏的不变量：
·悬空指针：当前线程正通过指针访问目标数据，而其它线程却同时删除指针。
·随机内存数据的破坏：数据更新到一半，其他线程同时读取，造成数据不一致。
·重复释放内存：两个线程同时从队列弹出相同的值，同时删除关联的数据。
错误的同步方式会破坏特定次序导致不变量破坏。

生存期问题：线程的生存期超过其访问数据的生存期。主要表现为：数据被删除后，线程仍试图访问。情形：局部变量引用在线程函数结束前传到函数外部，线程在作用范围以外访问失效或销毁变量。

以上三类问题均会产生可见后果（崩溃、错误输出），它们可能在代码的任何部分造成问题。

[多线程安全基本要求：若我们以join手动结束线程，要保证join()调用不会因异常而跳过]

2.定位并发相关错误的方法

代码经过全面审查，还是可能出现错误，在任何情况下，我们至少确保代码能够运作，我们先从代码审查开始，逐步过渡到多线程代码测试的方法。

2.1审查代码并定位潜在错误

通过审查代码找出错误，最关键在于“彻底”。在条件允许下，尽可能让别人审查自己的代码，他人往往能从不同角度出发发现自己疏忽的地方，同时能避免自己按照原来的设计思路理解而难以辨别错误。或者实在找不到他人，也可以先搁置一段时间，潜意识会暗自思考问题，等代码变得稍微陌生，可能就会从不同角度它。另一种方式是自问自答，向自己解释一遍代码工作逻辑，思考每段代码访问的数据，会产生什么效果等。

此处列举几个建议考虑的具体问题，我们还可以根据需要提出其他问题：

进行并发访问需要保护哪些数据？
如何确保数据受保护？
若当前线程在操作受保护数据，其他线程可能在执行什么代码？
当前线程有哪些互斥？
其他线程可能有哪些互斥？
当前线程和其他线程上的操作需要什么次序？
当前线程读取的数据是否仍合法、有效？数据是否可能已由别的线程修改？
假定其他线程可能以并发方式改动数据，那么改动的发生条件和影响是什么？

最后一个问题提出了明确要求：如果一份数据有指针或引用形式，它们能被数据作用域之外的代码轻易获取，我们对其处理就必须额外谨慎，对象所含的公有数据成员也是如此。

2.2通过测试定位与并发相关的错误

对于单线程应用软件，原则上我们可以找出所有可能的输入数据集，如果应用软件的行为符合预期并产生真正的结果，即可保证它在某个数据集上正确运行。
而多线程代码的测试却异常困难，因为多线程调度次序不可能精准确定，它们随着应用软件的多次运行而有异。尽管输入相同的数据，软件每次运行的情况也不唯一。

代码在多线程上运行报错，不一定与并发有关，若将代码改为单线程，错误依旧存在，则就是与并发无关的错误。若并发软件在多核处理器上有错误，转到单核系统上错误消失，则很有可能与同步操作或内存次序有关。

普通代码的测试主要针对逻辑结构，并发代码则还需另行测试更多项目，并且还要考虑代码自身结构（比如：全空、全满队列上，分别并发调用push()和pop()的多种组合情况）和测试环境（如：测试多线程的数目，处理器架构，硬件系统的处理器内核）。

2.3设计可测试的代码

要使代码相对容易测试，通常要做到以下几点：
·每个函数和类的职责明确
·接受测试的目标代码处于测试环境中
·函数短小精悍
·执行特定操作的代码汇聚在一起
·着手编写前，先想清楚如何对齐进行测试

相比单线程代码，多线程代码的设计应更关注代码的可测试性，在编写代码前，想清楚如何测试（如采用哪些输入、错误可能在哪些条件下产生、如何按可能的方式触发代码错误等）。

另一种方式是把代码拆分为几个部分，一部分专门处理线程通信，另一部分则在单线程内部操作数据。针对单线程的部分就能用普通的测试手段，并发代码负责处理线程间通信，保证特定数据互斥地访问。如：把软件设计成状态机，每个线程处理一个状态；将代码划分为读取数据、转换数据、更新共享数据三个部分，其中转换数据部分是单线程，多线程测试部分简化为数据读取和更新。

库函数的调用可能会以内部变量存储状态，当多个线程使用通一个库函数，可能无意中共享了内部变量，需要施以安全措施，或替换为安全并发的函数。

2.4多线程测试技术

为了验证线程的准确性，要尽可能地发现线程的错误，使线程复现报错的调度次序。有几种实现的方法。

2.4.1强力测试（压力测试）

让代码承受压力运行，往往需要多次运行代码，可能在同一测试中发起许多线程，假设代码按某种特定调度编排才会发生错误，则运行次数越多，错误就越可能被发现。我们的置信程度随着测试次数的增加而增加，其增长率因代码量的增加而降低（测试目标代码量大，多线程调度次序的编排组合会暴增，即便通过多轮测试，置信度仍然较低）。

强力测试可能导致错误的置信，若导致错误的环境只存在于特定系统中，测试系统与之不同，则无法复现错误。经典例子是在单处理器系统上测试多线程应用，许多错误只有在多处理器系统上出现（条件变量和缓存乒乓（两个CPU频繁轮流读写同一数据块，在两者缓存间不断切换））。而且在不同架构处理器中，同步功能和内存次序机制也不同。

因此如果我们要将应用软件移植到多个平台上，就有必要从各类平台中，选择有代表意义的系统进行专门测试。还要仔细设计驱动测试的代码，令测试尽量涵盖所有的代码路径，记录已经测试和尚未测试的功能。

2.4.2组合模拟测试

用特定软件模拟真实运行环境，在其中运行测试代码。我们知道虚拟机能模拟出各种特性和硬件配置的环境。而模拟软件没有完全虚拟出系统，而是记录每个线程上的数据访问、所操作和原子操作构成的序列，然后以C++内存模型为准则，重新组合前面所记录的操作。

这种方式能模拟出所有可能的操作序列组合，但是随着线程数与操作量的增加，组合呈指数级增长，所需时间也大大增长，因此适用于独立代码片段的精细测试，且依赖于相关的模拟软件。

2.4.3采用特殊的程序可检测错误

选取采用特殊实现方式的程序库，凭其同步原语（互斥、锁和条件变量等）检测各种错误。通常要求一份共享数据对应某个特定互斥，检查所有访问该数据的线程是否正确锁住互斥。如果某线程同时持有多个锁，程序库还能记录锁操作的序列，记录造成潜在隐患的部分。

另一种特殊程序库向测试的驱动代码授予超强的控制力度：多个线程在某互斥或某条件变量等待时，测试者可以指定哪个线程能获取锁，或指定notify_one()唤醒哪个线程，使我们基于还原特定运行场景。

2.5以特定结构组织多线程的测试代码

我们需要找到方法给出适当的调度次序，令测试中的操作真正实现“并发”。

考虑一个具体的例子：一个线程在空队列上调用push()，另一线程同时调用pop()：

void test_concurrent_push_and_pop_on_empty_queue()
{
	threadsafe_queue<int> q;//创建空队列
	std::promise<void> go, push_ready, pop_ready;//产生就绪信号
	std::shared_future<void> ready(go.get_future());
	std::future<void> push_done;//最早销毁，未完成则析构函数会等待
	std::future<int> pop_done;
	try
	{
		push_done = std::async(std::launch::async, [&q, ready, &push_ready]()
					{
						push_ready.set_value();//表示线程启动完成
						ready.wait();//用于接收主线程“开始执行”的信号
						q.push(42);
					});
		pop_done = std::async(std::launch::async, [&q, ready, &pop_ready]()
					{
						pop_ready.set_value();
						ready.wait();
						return q.pop();
					});
		push_ready.get_future().wait();//主线程等待接收并发线程的就绪信号
		pop_ready.get_future().wait();
		go.set_value();//主线程发出开始信号
		//主线程查验结果
		push_done.get();
		assert(pop_done.get() == 42);
		assert(q.empty());
	}
	catch (...)
	{
		go.set_value();
		throw;
	}
}

测试首先发起两个线程执行并发操作，分别设立相关std::promise表明启动完成；线程从promise上获取std::shared_future对象，接收“开始”信号。主线程等待并发的promise全部就绪，发出“开始”信号，让他们同时开始操作。最后主线程等待并发线程结束，查验数据和容器最终态。如果有异常抛出，令go实例跳过就绪信号，使线程在go上空等。

测试代码先发起两个并发线程，再使它们等待主线程（而非直接创建线程），得以令两个线程同时工作。