如何使客户端-服务器套接字应用程序以同步的方式访问数据并对其进行测试

Posted 2023-02-16

【中文标题】如何使客户端-服务器套接字应用程序以同步的方式访问数据并对其进行测试

【英文标题】：How to make client-server socket applications access data in a synchronized way and test for it

【发布时间】：2021-12-14 18:33:55

【问题描述】：

我有一个使用 TCP 的简单服务器套接字应用程序，它允许多个客户端连接到服务器并从 ArrayList 存储和检索数据。 每次客户端连接被服务器接受时，都会创建一个新线程来处理客户端活动，并且由于所有客户端都必须与相同的数据结构进行交互，因此我决定创建一个静态 ArrayList，如下所示：

public class Repository 
    private static List<String> data;

    public static synchronized void insert(String value)
       if(data == null)
           data = new ArrayList<>();
       
        data.add(value);
    

    public static synchronized List<String> getData() 
        if(data == null)
            data = new ArrayList<>();
        
        return data;
    

因此，每次客户端插入一个值或读取列表时，他们都会从各自的线程中调用Repository.insert(value) 或Repository.getData()。

我的问题是：

使这些方法同步足以使操作线程安全吗？ 这个静态列表是否存在架构或性能问题？我还可以在服务器类（接受连接的那个）中创建 List 的一个实例，并通过构造函数将引用发送到线程，而不是使用静态的。这样更好吗？ Collections.synchronizedList() 可以为这样一个简单的任务增加任何价值吗？有必要吗？ 如何在这种情况下测试线程安全？我尝试创建多个客户端并让他们访问数据，一切似乎都正常，但我只是不相信......这是这个测试的简短 sn-p：

            IntStream.range(0,10).forEach(i->
            Client client = new Client();
            client.ConnectToServer();
            try 
                client.SendMessage("Hello from client "+i);
             catch (IOException e) 
                e.printStackTrace();
            );

            //assertions on the size of the array

提前致谢！ :)

【问题讨论】：

您的getData() 方法很危险。它使任何类、任何包、任何线程都能够修改data 列表，而无需通知或与您的Repository 类合作。您也可以将data 变量设为public。

Re，“在这种情况下我如何测试线程安全性？”首先，您的getData() 方法存在这一事实意味着它不是 线程安全的。 （您的Repository 类无法控制不同线程可能对列表执行的操作以及何时执行。）其次，测试线程安全通常是一个难题。仅仅因为程序是“不安全，”这并不意味着它保证会失败。您可以从程序中测试 ****，然后将其发送给客户，但对他们来说第一次失败，因为他们的系统配置与您的不同，...

...或者，它可能在客户站点运行半年，然后在他们升级操作系统时失败。 （不要问我是怎么知道那个的！！）

另外，仅供参考，在这种情况下并不重要，但一般来说，static 是测试的敌人。谷歌“依赖注入”和“模拟对象”以了解更多信息。

@SolomonSlow 你是完全正确的！我想根据需要将列表的当前状态返回给客户端，所以我应该让getData 方法返回它的字符串版本而不是整个内容。

【参考方案1】：

是的，请参阅https://***.com/a/2120409/3080094 是（请参阅下面的 cmets），是的。使用一个对象（如果您愿意，可以使用单例）优于静态方法（后者通常更难维护）。 不是必需的，但首选：它可以避免您犯错。另外，而不是：

private static List<String> data;

你可以使用

private static final List<String> data = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());

这有三个好处：final 确保所有线程都能看到这个值（线程安全），您可以删除检查空值的代码（这可能容易出错）并且您不再需要使用synchronized 在您的代码中，因为列表本身现在已同步。

是的，有一些方法可以改进这一点，让您更有可能发现错误，但在多线程方面，您永远无法完全确定。

关于“架构或性能问题”：列表的每次读取都必须同步，因此当多个客户端想要读取列表时，他们都将等待锁定来读取整个列表。由于您只是在末尾插入并阅读列表，因此您可以使用ConcurrentLinkedQueue。这种“并发”类型（即不需要使用synchronized - 队列是线程安全的）在读取整个列表时不会锁定，多个线程可以同时读取数据。此外，您应该隐藏您可以执行的实现细节，例如，使用Iterator：

import java.util.Queue;
import java.util.concurrent.ConcurrentLinkedQueue;

    private final Queue<String> dataq = new ConcurrentLinkedQueue<>();
    
    public Iterator<String> getData() 
        return dataq.iterator();
    

关于“测试线程安全”：关注需要线程安全的代码。使用客户端连接到服务器来测试Repository 代码是否是线程安全的是低效的：大部分测试只是在等待 I/O，而不是同时实际使用Repository。为Repository 类编写一个专用（单元）测试。请记住，您的操作系统决定了线程何时启动和运行（即您的线程启动和运行代码只是对操作系统的提示），因此您需要运行一段时间（即 30 秒）并提供一些输出（日志记录）以确保线程同时运行。到控制台的输出应该只在测试结束时显示：在 Java 中输出到控制台（System.out）是同步的，这反过来可以使线程一个接一个地工作（即不在被测类上同时工作） . 最后，您可以使用java.util.concurrent.CountDownLatch 改进测试，让所有线程在并发执行下一条语句之前同步（这提高了找到竞争条件的机会）。对于这个已经很长的答案要解释的内容有点多，所以我会给你一个（诚然复杂的）example（关注如何使用tableReady 变量）。