我是怎樣測試Java類的執行緒安全性的
執行緒安全性是Java等語言/平臺中類的一個重要標準，在Java中，我們經常線上程之間共享物件。由於缺乏執行緒安全性而導致的問題很難除錯，因為它們是偶發的，而且幾乎不可能有目的地重現。如何測試物件以確保它們是執行緒安全的？
假如有一個記憶體書架
package com.mzc.common.thread;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
/**
* <p class="detail">
* 功能: 記憶體書架
* </p>
*
* @author Moore
* @ClassName Books.
* @Version V1.0.
* @date 2019.12.10 14:00:13
*/
public class Books {
final Map<Integer, String> map = new ConcurrentHashMap<>();
/**
* <p class="detail">
* 功能: 存書，並返回書的id
* </p>
*
* @param title :
* @return int
* @author Moore
* @date 2019.12.10 14:00:16
*/
int add(String title) {
final Integer next = this.map.size() + 1;
this.map.put(next, title);
return next;
}
/**
* <p class="detail">
* 功能: 根據書的id讀取書名
* </p>
*
* @param id :
* @return string
* @author Moore
* @date 2019.12.10 14:00:16
*/
String title(int id) {
return this.map.get(id);
}
}
首先，我們把一本書放進書架，書架會返回它的ID。然後，我們可以通過它的ID來讀取書名，像這樣:
Books books = new Books(); String title = "Elegant Objects"; int id = books.add(title); assert books.title(id).equals(title);
這個類似乎是執行緒安全的，因為我們使用的是執行緒安全的ConcurrentHashMap，而不是更原始和非執行緒安全的HashMap，對吧？我們先來測試一下：
public class BooksTest {
@Test
public void addsAndRetrieves() {
Books books = new Books();
String title = "Elegant Objects";
int id = books.add(title);
assert books.title(id).equals(title);
}
}
檢視測試結果：
測試通過了，但這只是一個單執行緒測試。讓我們嘗試從幾個並行執行緒中進行相同的操作（我使用的是Hamcrest）：
/**
* <p class="detail">
* 功能: 多執行緒測試
* </p>
*
* @throws ExecutionException the execution exception
* @throws InterruptedException the interrupted exception
* @author Moore
* @date 2019.12.10 14:16:34
*/
@Test
public void addsAndRetrieves2() throws ExecutionException, InterruptedException {
Books books = new Books();
int threads = 10;
ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(threads);
Collection<Future<Integer>> futures = new ArrayList<>(threads);
for (int t = 0; t < threads; ++t) {
final String title = String.format("Book #%d", t);
futures.add(service.submit(() -> books.add(title)));
}
Set<Integer> ids = new HashSet<>();
for (Future<Integer> f : futures) {
ids.add(f.get());
}
assertThat(ids.size(), equalTo(threads));
}
首先，我通過執行程式建立執行緒池。然後，我通過Submit（）提交10個Callable型別的物件。他們每個都會在書架上新增一本唯一的新書。所有這些將由池中的10個執行緒中的某些執行緒以某種不可預測的順序執行。
然後，我通過Future型別的物件列表獲取其執行者的結果。最後，我計算建立的唯一圖書ID的數量。如果數字為10，則沒有衝突。我使用Set集合來確保ID列表僅包含唯一元素。
我們看一下這樣改造後的執行結果：
測試也通過了，但是，它不夠強壯。這裡的問題是它並沒有真正從多個並行執行緒測試這些書。在兩次呼叫commit（）之間經過的時間足夠長，可以完成books.add（）的執行。這就是為什麼實際上只有一個執行緒可以同時執行的原因。
我們可以通過修改一些程式碼再來檢查它：
@Test
public void addsAndRetrieves3() {
Books books = new Books();
int threads = 10;
ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(threads);
AtomicBoolean running = new AtomicBoolean();
AtomicInteger overlaps = new AtomicInteger();
Collection<Future<Integer>> futures = new ArrayList<>(threads);
for (int t = 0; t < threads; ++t) {
final String title = String.format("Book #%d", t);
futures.add(
service.submit(
() -> {
if (running.get()) {
overlaps.incrementAndGet();
}
running.set(true);
int id = books.add(title);
running.set(false);
return id;
}
)
);
}
assertThat(overlaps.get(), greaterThan(0));
}
看一下測試結果：
執行錯誤，說明插入的書和返回的id數量是不衝突的。
通過上面的程式碼，我試圖瞭解執行緒之間的重疊頻率以及並行執行的頻率。但是基本上概率為0，所以這個測試還沒有真正測到我想測的，還不是我們想要的，它只是把十本書一本一本地加到書架上。
再來：
可以看到，如果我把執行緒數增加到1000，它們會開始重疊或者並行執行。
但是我希望即使執行緒數只有10個的時候，也會出現重疊並行的情況。怎麼辦呢？為了解決這個問題，我使用CountDownLatch：
@Test
public void addsAndRetrieves4() throws ExecutionException, InterruptedException {
Books books = new Books();
int threads = 10;
ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(threads);
CountDownLatch latch = new CountDownLatch(1);
AtomicBoolean running = new AtomicBoolean();
AtomicInteger overlaps = new AtomicInteger();
Collection<Future<Integer>> futures = new ArrayList<>(threads);
for (int t = 0; t < threads; ++t) {
final String title = String.format("Book #%d", t);
futures.add(
service.submit(
() -> {
latch.await();
if (running.get()) {
overlaps.incrementAndGet();
}
running.set(true);
int id = books.add(title);
running.set(false);
return id;
}
)
);
}
latch.countDown();
Set<Integer> ids = new HashSet<>();
for (Future<Integer> f : futures) {
ids.add(f.get());
}
assertThat(overlaps.get(), greaterThan(0));
}
現在，每個執行緒在接觸書本之前都要等待鎖許可權。當我們通過Submit（）提交所有內容時，它們將保留並等待。然後，我們用countDown（）釋放鎖，它們才同時開始執行。
檢視執行結果：
通過執行結果可以知道，現線上程數還是為10，但是執行緒的重疊數是大於0的，所以assertTrue執行通過，ids也不等於10了，也就是沒有像以前那樣得到10個圖書ID。顯然，Books類不是執行緒安全的！
在修復優化該類之前，教大家一個簡化測試的方法，使用來自Cactoos的RunInThreads，它與我們上面所做的完全一樣，但程式碼是這樣的：
@Test
public void addsAndRetrieves5() {
Books books = new Books();
MatcherAssert.assertThat(
t -> {
String title = String.format(
"Book #%d", t.getAndIncrement()
);
int id = books.add(title);
return books.title(id).equals(title);
},
new RunsInThreads<>(new AtomicInteger(), 10)
);
}
assertThat（）的第一個引數是Func（一個函式介面）的例項，接受AtomicInteger（RunsThreads的第一個引數）並返回布林值。此函式將在10個並行執行緒上執行，使用與上述相同的基於鎖的方法。
這個RunInThreads看起來非常緊湊，用起來也很方便，推薦給大家，可以用起來的。只需要在你的專案中新增一個依賴：
<dependency>
<groupId>org.llorllale</groupId>
<artifactId>cactoos-matchers</artifactId>
<version>0.18</version>
</dependency>
最後，為了使Books類成為執行緒安全的，我們只需要向其方法add（）中同步新增就可以了。或者，聰明的碼小夥伴們，你們有更好的方案嗎？歡迎留言，大家一起討論。
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