C++多線程調試和測試的注意事項

　　今天順便說一下開發C++多線程應用程序時，有關調試和測試的一些注意事項。下面這些注意事項主要是針對C++，不過有些對於其它的語言也適用。

　　關於設置斷點和單步執行

　　很多同學非常依賴於調試器的斷點功能和單步功能。這在單線程情況下倒還好(不過有些單線程但涉及GUI的程序，也會有點麻煩)。至於多線程程序的調試，這兩種手段簡直就是噩夢的開始。多線程造成的主要問題大都和競態條件(Race Condition，詳細解釋看“這裡”)有關。而設置斷點或單步跟蹤可能會嚴重干擾多線程之間的競爭狀態。導致你看到的是一個假象。比如本來有兩個線程並發執行，存在某些不和諧的Bug(由競態引起)。一旦你在某一個線程設置了斷點，該線程在斷點處停住了，只剩下另一個線程在跑。這時候，並發的場景已經完全被破壞了，你通過調試器看到的可能是一個和諧的場景。

　　稍微跑一下題。這很類似量子力學的“測不准原理”，觀測者的觀測行為干擾了被測量的客體，導致觀測者看到的是一個干擾後的現象。

　　關於Log輸出

　　既然斷點和單步不好用。那咋辦捏?一個替代方案是輸出log日志。它可以有效減輕斷點和單步所導致的(針對競態條件的)副作用。

　　傳統Log機制的問題

　　傳統的log輸出主要是打印到屏幕或者輸出到文件。對於C++而言，標准庫內置的類和函數(比如cout、printf、fputs)可能會有線程安全 的問題(和編譯器的具體實現有關)。尤其是標准流類庫(iostream)的八個全局對象，更是要小心慎用。輕則輸出的log文本混雜，重則導致程序崩 潰。

　　鑒於上述原因，應該盡量使用第三方線程庫內置的log機制來搞定log輸出功能。比如ACE內置的ACE_Log_Msg等。

　　Log函數要短小精悍

　　很多情況下，我們會包裝一個公用的函數來實現log輸出功能。然後在該函數內部調用線程庫的log類/函數。為了不影響線程的競態條件，這個log函數要盡可能簡單輕便：不要涉及太多雜七雜八的瑣事、千萬別進行耗時的操作、盡量不操作一些全局的變量。

　　Log的副作用

　　不過捏，即使log函數再短小精悍，也還是有可能影響競態條件(畢竟log也有開銷，也要消耗CPU時間)。

　　萬一競態條件受到log的影響，那就比較棘手了。我以前就碰到過這種情況：加了log，程序沒有問題;去掉log，程序隨機崩潰。這種情況一般有兩種可能：要麼是log功能本身有問題，要麼是程序的競態條件非常敏感(連log的開銷都會有影響)。

　　這時候你能依靠的就只有肉眼和人腦了。先把相關的代碼和文檔仔細看上幾遍(最好再找其他有經驗的人一起Code Review)，然後大家一起開動腦筋使勁琢磨。

　　關於Debug版本和Release版本

　　C++程序經常有Debug版本和Release版本的區別。有些時候，這也會導致一些多線程的問題。

　　由於Debug版本包含了一些調試信息、啟用了某些調試機制(比如assert宏)。所以就可能影響到多線程的競爭狀態。在倒霉的時候，會碰上Debug版本工作正常，Release版本程序隨機崩潰。要避免這種情況，可以考慮下面兩個辦法：

　　放棄使用Debug版本

　　你可以干脆放棄使用Debug版本。在這種情況下，你需要考慮把諸如assert之類調試相關的宏替換成自己的一套宏，使得在非Debug版本下也可以生效。

　　兩種版本同步測試

　　使用此方法，程序員平時自測可以使用Debug版本，但是測試人員日常測試的必須是Release版本。具體的操作步驟可以利用每日構建來輔助進行(每日構建的介紹參見“這裡”)。一定要避免：在平時僅僅搞Debug版本的測試，等到發布前夕再制作Release版本。這種做法是非常危險的!

　　關於測試的機器(硬件)

　　說一個親身經歷、印象深刻的事情。

　　當年用ACE開發跨平台程序的時候，公司內的的開發環境和測試環境都是單CPU的機器。因為當時多核的機器還沒有面世，多CPU的機器又挺貴，公司沒捨得花錢配置。

　　軟件開發完之後，測試人員經過幾輪回歸測試，也沒發現太大問題。但是拿到客戶的環境中運行，卻經常會隨機性崩潰。因為不能在客戶環境中Debug，自己 的環境又死活沒問題，開發組的幾個人只好充分發揮肉眼和人腦的功能(盯著代碼和設計文檔猛想)。經過N長時間，差點把腦袋想破，最後才意識到客戶的機器是 多CPU的。然後趕緊從其它部門借了一台多CPU機器，裝上軟件調試，最後查出是一個第三方庫有問題。此事過後，我立即想出各種法子，去申請了幾台多 CPU機器給測試人員用。

　　由於上述的前車之鑒，所以我強烈建議：如果是開發多線程的應用程序，盡量給每一個編程人員和測試人員都配置多核/多CPU的機器。畢竟現在多核機器已經很普及了，即使多CPU的機器，價格也還湊合。實在沒必要為了省那點小錢而引入開發風險(不光會浪費開發/測試人員的時間，還可能增加實施和維護的成本)。

　　另外，可能有同學會問“超線程的機器如何捏?”關於多CPU、多核、超線程三者之間的差異，有興趣的同學可以看“這裡”。我個人感覺超線程不如多核與多CPU爽。