C++ 多线程调试和测试的注意事项

　　在上次的帖子聊了 C++ 多线程的跨平台问题，后来感觉意犹未尽。今天顺便说一下开发C++多线程应用程序时，有关调试和测试的一些注意事项。下面这些注意事项主要是针对C++，不过有些对于其它的语言也适用。

★关于设置断点和单步执行

　　很多同学非常依赖于调试器的断点功能和单步功能。这在单线程情况下倒还好（不过有些单线程但涉及 GUI 的程序，也会有点麻烦）。至于多线程程序的调试，这两种手段简直就是噩梦的开始。
　　多线程造成的主要问题大都和竞态条件（Race Condition，详细解释看“这里”）有关。而设置断点或单步跟踪可能会【严重干扰】多个线程之间的竞争状态。导致你看到的是一个假象。比如本来有两个线程并发执行，存在某些不和谐的 Bug（由竞态引起）。一旦你在某一个线程设置了断点，该线程在断点处停住了，只剩下另一个线程在跑。这时候，并发的场景已经完全被破坏了，你通过调试器看到的【有可能】是一个和谐的场景。
　　稍微跑一下题。这很类似量子力学的“测不准原理”，观测者的观测行为干扰了被测量的客体，导致观测者看到的是一个干扰后的现象。

★关于 Log 输出

　　既然断点和单步不好用。那咋办捏？一个替代方案是输出 log 日志。它可以有效减轻断点和单步所导致的（针对竞态条件的）副作用。

◇传统 Log 机制的问题

　　传统的 log 输出主要是打印到屏幕或者输出到文件。对于 C++ 而言，标准库内置的类和函数（比如“cout、printf、fputs”）可能会有线程安全的问题（和编译器的具体实现有关）。尤其是标准流类库（iostream）的八个全局对象，更是要小心慎用。轻则输出的 log 文本混杂，重则导致程序崩溃。
　　鉴于上述原因，应该尽量使用第三方线程库内置的 log 机制来搞定 log 输出功能。比如 ACE 内置的 ACE_Log_Msg 等。

◇Log 函数要短小精悍

　　很多情况下，我们会包装一个公用的函数来实现 log 输出功能。然后在该函数内部调用线程库的 log 类/函数。为了不影响线程的竞态条件，这个 log 函数要尽可能简单轻便：不要涉及太多杂七杂八的琐事、千万别进行耗时的操作、尽量不操作一些全局的变量。

◇Log 的副作用

　　不过捏，即使 log 函数再短小精悍，也还是有可能影响竞态条件（毕竟 log 也有开销，也要消耗 CPU 时间）。
　　万一竞态条件受到 log 的影响，那就比较棘手了。俺以前就碰到过这种情况：加了 log，程序没有问题；去掉 log，程序随机崩溃。这种情况一般有两种可能：要么是 log 函数本身就有 bug，要么是程序的竞态条件非常敏感（连 log 的开销都会有影响）。
　　这时候你能依靠的就只有肉眼和人脑了。先把相关的代码和文档仔细看上几遍（最好再找其他有经验的人一起 Code Review），然后大家一起开动脑筋使劲琢磨。

★关于 Debug 版本和 Release 版本

　　C++ 程序经常有 Debug 版本和 Release 版本的区别。有些时候，这也会导致一些多线程的问题。
　　由于 Debug 版本包含了一些调试信息、启用了某些调试机制（比如 assert 宏）。所以就【可能】影响到多线程的竞争状态。在倒霉的时候，会碰上 Debug 版本工作正常，Release 版本程序随机崩溃。要避免这种情况，可以考虑下面两个办法：

◇放弃使用 Debug 版本

　　你可以干脆放弃使用 Debug 版本。在这种情况下，你需要考虑把诸如 assert 之类调试相关的宏替换成自己的一套宏，使得在非 Debug 版本下也可以生效。

◇两种版本同步测试

　　使用此方法，程序员平时自测可以使用 Debug 版本，但是测试人员日常测试的必须是 Release 版本。具体的操作步骤可以利用每日构建来辅助进行（每日构建的介绍参见“这里”）。一定要避免：在平时仅仅搞 Debug 版本的测试，等到发布前夕再制作 Release 版本。这种做法是非常危险滴！

★关于测试的机器（硬件）

　　说一个亲身经历、印象深刻的事情。
　　当年用 ACE 开发跨平台程序的时候，公司内的的开发环境和测试环境都是单 CPU 的机器——在那个年代，多核的机器还没有面世，而多 CPU 的机器又挺贵，公司没舍得花钱配置。
　　软件开发完之后，测试人员经过几轮回归测试，也没发现太大问题。但是拿到客户的环境中运行，却经常会随机性崩溃。因为无法在客户环境中 Debug，自己的环境又死活没问题，开发组的几个人只好充分发挥肉眼和人脑的功能（盯着代码和设计文档猛想）。经过 N 长时间，差点把脑袋想破，最后才意识到客户的机器是多 CPU 的。然后赶紧从其它部门借了一台多 CPU 机器，装上软件调试，最后查出是一个第三方库有问题。此事过后，俺立即想出各种法子，去申请了几台多 CPU 机器给测试人员用。
　　由于上述的前车之鉴，俺强烈建议：如果是开发多线程的应用程序，尽量给【每个】编程人员和测试人员都配置“多核”或者“多 CPU”的测试机。毕竟现在多核机器已经很普及了，即使多 CPU 的机器，价格也还凑合。实在没必要为了省那点小钱而引入开发风险（不光会浪费开发/测试人员的时间，还可能增加实施和维护的成本）。
　　写到这里，可能有同学会问“超线程的机器如何捏？”
　　关于“多 CPU、多核、超线程”这三者之间的差异，有兴趣的同学可以看“Intel 官网的介绍”。俺个人感觉超线程不如多核与多CPU爽。