如何使客户端-服务器套接字应用程序以同步方式访问数据并对其进行测试

Question

我有这个使用 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。每次服务器接受客户端连接时，都会创建一个新线程来处理客户端 activity，并且由于所有客户端都必须与相同的数据结构交互，所以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，他们只是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？
这个静态列表是否存在任何架构或性能问题？我还可以在服务器 class（接受连接的服务器）中创建一个列表实例，并通过构造函数向线程发送一个引用，而不是使用静态的。这样好点了吗？
可以Collections.synchronizedList()为如此简单的任务增加任何价值吗？有必要吗？
在这种情况下如何测试线程安全？我试着创建多个客户端并让它们访问数据，一切似乎都正常，但我只是不相信......这是这个测试的一个简短片段：

            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！ :)

Answer 1

是的，参见
是的（请参阅下面的评论）是的。使用一个对象（如果你愿意，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：它可以避免您犯错误。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（这很容易出错）并且您不会不再需要在您的代码中使用 synchronized，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，使您更有可能发现错误，但是当涉及到多线程时，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，它们都将等待一个锁来读取整个列表。由于您只是在末尾插入并读取列表，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：大部分测试只会等待 I/O 而不是同时实际使用 Repository时间。只为 Repository class 编写专用（单元）测试。请记住，您的操作系统确定线程何时启动和运行（即您的线程启动代码和运行只是对操作系统的提示），因此您需要测试运行一段时间（即 30 秒）并提供一些输出（日志记录）以确保线程同时运行ning。到控制台的输出只应在测试结束时显示：在 Java 到控制台的输出 (System.out) 是同步的，这反过来可以使线程一个接一个地工作（即不同时）在 class 测试中）。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个语句之前同步（这提高了找到竞争条件的机会）。对于这个已经很长的答案来说，解释起来有点多，所以我会给你一个（公认的复杂）example（关注如何使用 tableReady 变量）。

如何使客户端-服务器套接字应用程序以同步方式访问数据并对其进行测试

How to make client-server socket applications access data in a synchronized way and test for it

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