如何从多个线程测试一个类的线程安全性？

Question

我正在研究线程安全的单例类，我知道下面的代码不是线程安全的，因为我正在做一个双重检查锁定错误。

protected static TestSingleton instance;

private TestSingleton() {
    // some code
}

public static synchronized void setup() {
    if (instance == null) {
        TestSingleton holder = new TestSingleton();
        instance = holder;
    }
}

public static TestSingleton getInstance() {
    if (instance == null) {
        setup();
    }
    return instance;
}

但我正在尝试对此进行测试，以便我可以通过编程方式证明这不是线程安全类。这是为了我的学习经验。

如何以编程方式对其进行测试并证明它不是线程安全的？

Answer 1

归结为：您的程序有一定数量的线程，在一定数量的处理器上运行，但您的计算机只有一个主内存。

每个线程都会以某种顺序读取和写入不同的内存位置，这在某种程度上独立于其他线程正在做的事情；所有这些读取和写入都必须在进入内存时进行序列化。也就是说，内存系统必须一个接一个地执行这些读取和写入。

对于多线程程序的任何给定执行，可以有无数不同的方式来序列化不同线程的操作。从字面上看，数不胜数。如果即使其中一种可能的序列化导致您的程序产生错误的输出，那么您的程序就不是线程安全的。

那么你如何测试它们呢？

你不能。它们太多了，并且可能在一台计算机（例如，您客户的关键任务服务器）上经常发生的序列化可能永远不会在其他计算机（例如，您的测试工具）上发生。

确保线程安全的唯一方法是使用经过数学​​验证的算法来同步线程的操作，这样就不会发生错误的交错。

Answer 2

简短回答：你不能。

无论您在测试环境中运行此代码多少次，它实际正常工作的可能性都非零。 问题是，您无法真正估计此概率，因此无法找到使它们显示正确结果的概率接近 1 所需的测试运行次数。

但您实际上可以推断给定程序可能如何执行。找到让多线程程序中断的方法通常比证明它永远不会中断要容易。

在这种情况下，存在以下问题：在线程 1 中执行 setup 期间 写入 到 instance 与 读取 之间没有发生之前的关系em> from instance 执行以从线程 2 中的 getInstance 执行返回一个值，也没有执行来自 instance 的 read 以检查线程 2 中 setup 执行中的 null。意味着来自不同线程的两次调用可能会产生不同的结果，也就是说，实现被破坏了，我们甚至没有开始考虑代码重新排序。

例如，通过将instance 声明为volatile 来建立这种关系可以解决它。

您可以在 Alexey Shipilev 的 this excellent paper about Java Memory Model 中了解有关顺序一致性、程序顺序和发生前关系的更多信息。这将极大地帮助您。

不幸的是，目前无法实现上述推理的自动化。

Answer 3

我知道为什么我的以下回复不正确。请参阅相关评论线程了解原因。

我认为不可能证明你的程序在当前版本中不是线程安全的，因为方法内部的逻辑足够“安全”。

这是因为，即使可能会尝试同时调用 getInstance() 内部的 setup() 调用，但 setup() 内部的逻辑将同步发生，因为方法被声明为同步。

假设您有两个线程，A 和 B，竞争对 setup() 的访问。 A 首先在实例变量中设置对 TestSingleton 对象的引用。当 A 在 setup() 方法中时，B 尝试调用它并被阻止。 A 完成，B 进入方法。由于 instance 现在不为空，B 不会调用 setup() 中的任何逻辑。因此，您将永远不会看到 setup() 中条件块内的逻辑的多次调用。

Answer 4

您最有可能通过您描述的测试寻找的东西是两个线程从其getInstance() 方法获得TestSingleton 的不同实例，或者一个线程从该方法获得null 返回值，或者一个线程在完全初始化之前返回一个实例。

问题在于，您无法确定其中任何一个发生的可能性有多大，实际上，它们可能非常不太可能。您可能会运行大量的测试迭代，而从未看到任何这些失败行为。如果您确实看到其中之一，那么您将证明该程序不是线程安全的，但没有看到其中任何一个说明什么。

线程安全是你必须通过分析程序来证明的程序属性。无法通过有限时间的测试来证明。