Ниже — практический план тестирования и отладки параллельного алгоритма сортировки на многопроцессорной системе: какие виды тестов писать, как воспроизводить и находить гонки и дедлоки, какие инструменты и методики использовать. Порядок — от базовых (корректность) к продвинутым (гонки/дедлоки, профилирование, CI).

Цели тестирования

Проверить корректность алгоритма (всех ветвей, границ, типов данных).Обнаружить и локализовать состояния гонок и дедлоков.Оценить масштабируемость и производительность (strong/weak scaling, NUMA).Проверить устойчивость при высоких нагрузках и в условиях отказов/ограничений ресурсов.Обеспечить воспроизводимость и регрессионную защиту.

Виды тестов и что в них проверять

2.1 Unit-тесты

Тестировать маленькие компоненты:
разделение/разбиение (partition), merge-функции, локальные сортировки (insertion sort / quicksort для малых фрагментов);сравнения/компараторы (включая пользовательские компараторы);буферные структуры, очередь задач, таск-стэк;функции синхронизации (lock wrapper-и, условные переменные, атомарные счетчики).Тестовые случаи:
пустой массив, один элемент, два элемента;малые массивы (N <= threshold для перехода в последовательный алгоритм);массивы со всеми одинаковыми элементами;отсортированный и обратный по порядку массивы;дубликаты, NaN/Inf (для float), нестандартные компараторы.Инструменты: gtest/GoogleTest, Catch2 (C++), JUnit (Java), go test (Go), pytest (Python).

2.2 Интеграционные тесты (end-to-end)

Полная сортировка больших массивов с разными конфигурациями (число потоков, chunk size, порог переключения).Сравнение результата с проверенной реализацией (std::sort, qsort, Java Arrays.sort) — differential testing.Тесты стабильности (если алгоритм обещает стабильность).Тесты на соответствие контракту (после сортировки массив полностью упорядочен и это перестановка исходного).Запуск с разными режимами планировщика ОС: потоки vs процессы.

2.3 Свойственные тесты (property-based)

Property tests (QuickCheck / Hypothesis): для случайных массивов проверять invariant (sorted & permutation).Randomized testing со множеством seed-ов; логирование seed-а для воспроизведения.

2.4 Стресс/нагрузочные тесты

Большие размеры (миллионы элементов), многопоточные профили, долгие прогоны (например, ночь).Повторение с разными seeds тысяч/миллионов раз.Параметры: (число потоков = 1..(2×cores)), разные размещения по NUMA, различные chunk sizes.Давление на память/кэш: одновременные запуски на машине, искусственная фрагментация памяти.Инструменты для автоматизации: stress-ng, custom scripts, CI jobs (nightly).

2.5 Тесты на отказоустойчивость / хаос (chaos testing)

Прерывание потоков/процессов, задержки, имитация OOM/падений.Инжектирование ошибок в компаратор (испускание исключений) и проверка корректного восстановления.

2.6 Регрессионные тесты

Любая найденная бага превращается в регрессионный тест (unit/integ) и попадает в CI.Как воспроизводить и находить гонки и дедлоки

3.1 Общая методика

Сначала добиться воспроизводимого минимального тест-кейса (минимальный вход, минимальный набор потоков).Воспроизводимость: фиксировать seed генератора, фиксировать число потоков, закреплять CPU (см. ниже).Включать максимальную логгирование с идентификаторами потоков и стек-трейсами при ошибке.

3.2 Инструменты обнаружения гонок

ThreadSanitizer (TSan) — GCC/Clang: компиляторская санитайзера для гонок. Компиляция: clang/gcc -fsanitize=thread -g -O1 -fno-omit-frame-pointer. Хорошо находит data races и даёт стек-трейсы.Valgrind Helgrind / DRD — для C/C++. Медленнее, но полезно.Go race detector: go test -race.Java: jcstress (для мелких concurrent invariants), Google’s Race Detector для JVM нет как такового, но можно использовать jvisualvm/jstack для deadlock; сторонние инструменты: IBM Concurrency Testing Tools, FindBugs/SpotBugs для статических проблем.Dynamic tools: ThreadScope/Concurrency Visualizer (Windows).

3.3 Инструменты обнаружения дедлоков

Статические проверки порядка захвата lock-ов (сделать документацию порядка или использовать lock hierarchy).Динамические: Valgrind Helgrind иногда указывает на возможные deadlocks. В Java — jstack/jconsole покажут потоки, заблокированные в ожидании locks.Linux: use lockdep-like tools for user-space? Для ядра есть lockdep; для userland можно добавлять собственную трассировку захвата/освобождения и строить граф захватов (lock order graph) и проверять циклы.GDB: если процесс "подвис", делаем gdb attach -> thread apply all bt (получим стек-трейсы всех потоков).rr (record & replay) + gdb для воспроизведения последовательности, приведшей к дедлоку.

3.4 Как воспроизвести нестабильные гонки

Запустить под санитайзером (TSan) — он часто делает гонки детерминированными.Увеличить степень параллелизма: запуск с большим количеством потоков/процессов.Вставлять искусственные задержки (yield(), usleep(), std::this_thread::sleep_for) в потенциально проблемных местах для создания нужного interleaving.Привязывать потоки к CPU (taskset / sched_setaffinity, numactl) для предсказуемого планирования.Использовать rr для записи поведения и последующего отладки: rr record ./prog; rr replay; rr replay -- gdb .Повторять тесты в цикле: for i in {1..10000}; do ./test_prog || break; done — многие гонки всплывают при многократном запуске.

3.5 Примеры команд (Linux/C/C++)

ThreadSanitizer:
clang++ -fsanitize=thread -g -O1 main.cpp -o main_tsanTSAN_OPTIONS=halt_on_error=1,report_thread_leaks=1 ./main_tsanValgrind Helgrind:
valgrind --tool=helgrind ./mainrr:
rr record ./mainrr replayrr replay --gdb

Инструменты профилирования и трассировки производительности

perf (Linux): perf stat, perf record -g ./prog, perf report — определить hotspots, частые syscalls.Intel VTune, AMD uProf — глубокий анализ памяти и кэш-промахов.eBPF / bcc / bpftrace — трассировка событий ядра и user-space.pprof (Go), async-profiler / Java Flight Recorder (JFR) для JVM.Hardware counters (perf stat —events=cache-misses,cycles,instructions).

Методики отладки

Минимизация: получить минимальный вход/минимальный код, демонстрирующий баг.Логгирование: структурированные логи (JSON), include thread-id, cpu, timestamp, stack snapshot on error.Lock-order graph: при захвате/освобождении логировать (thread, lock_id, stack) и строить граф захватов для выявления циклов.Assertions/Invariant checks: проверять invariants на каждом шаге; в debug-сборке включить дополнительные проверки (проверка пересечения областей памяти, double free, corrupt).Регрессия: после фикса — добавить тест и запускать в CI.

Тестовая матрица (рекомендуется автоматизировать)

Размеры: 0,1,2,3, threshold-1, threshold, threshold+1, small(10), medium(10^4), large(10^7).Структуры данных: ints, 64-bit, floats, strings, struct с costly comparator.Профили нагрузки: num_threads = 1..(nb_cpu*2), varying CPU affinity, varying chunk size.Паттерны входных данных: sorted, reverse-sorted, random, many duplicates, adversarial (worst-case for pivot selection).Конфигурации памяти: ограниченная память (ulimit), NUMA regions.Сборки: debug+asan/tsan, release -O3, release -g (профилирование).

Формальные и статические методы (при необходимости)

Статический анализ: Clang Thread Safety Analysis (аннотации GUARDED_BY), Coverity, Infer.Модельная проверка: SPIN, TLA+ — для критичных протоколов (порядок захвата локов, барьеры).Беркейсы на уровне алгоритма: доказательство корректности параллельной части (инварианты, пред- и постусловия).

CI / Автоматизация

Включить тесты в CI:Unit + интеграционные тесты на каждом PR.Nightly/weekly stress- и long-running тесты (TSan, Valgrind) на отдельном ноде.Автоматическое снятие трасс и логов при падении.Хранить артефакты: core dumps, rr recordings, sanitizer reports.

Практические советы по исправлению и предотвращению ошибок

Чёткая модель владения данными: кто читает/пишет, какие операции атомарны.Минимизировать область применения locks; избегать вложенных блокировок, или фиксировать строгий порядок.Предпочесть lock-free / wait-free структуры там, где это применимо и проверено.Использовать высокоуровневые примитивы (concurrent queues, futures, thread pools), проверенные временем.В debug-сборке включать как можно больше санитайзеров (TSan, ASan, UBSan).После фикса гонки — прогонять TSan и большое число randomized тестов.

Пример процесса отладки гонки (шаги)
1) Обнаружили артефакт (например, неправильный результат) в стресс-тесте.
2) Запустить тот же тест под TSan/Helgrind/Go-race: если воспроизводимо — получить стек.
3) Если нет — включить детерминизацию: фиксировать seed, закрепить CPU, использовать rr для записи.
4) Вставить временные лог-сообщения/asserts вокруг подозрительных мест, или уменьшить до минимального воспроизводимого примера.
5) Проанализировать трассы захвата/чтения-писания, найти несовместимое пересечение.
6) Исправить (например, добавить нужную синхронизацию, использовать атомики с правильной семантикой memory_order).
7) Прогнать тесты под TSan снова и запустить регресс-тесты в CI.

Специфика NUMA / кэш-когерентности

Тестировать на NUMA-системах: numactl --cpunodebind, --membind.Наблюдать влияние на производительность при перемещении данных между узлами.Использовать инструменты для отслеживания локализации памяти (numastat).

Ещё полезные инструменты/ресурсы

rr (Mozilla) — record/replay debugging.TSAN/ASAN/UBSAN — sanitizers.Valgrind (Helgrind, DRD).perf, Intel VTune, eBPF/bcc, bpftrace.jcstress (Java), go test -race (Go).QuickCheck / Hypothesis для property-based тестов.AFL/libFuzzer для фуззинга (особенно компараторов и начального парсинга).TLA+/SPIN для формальной проверки протоколов синхронизации.

Контрольный чек-лист перед релизом

Все unit и интеграционные тесты проходят.Нет предупреждений TSan/Valgrind при тщательном запуске.Производительность/масштабирование адекватны (метрики в пределах SLA).Все найденные гонки/дедлоки — покрыты регрессионными тестами.CI имеет nightly stress-прогоны с логированием.

Если хотите, могу:

Составить конкретный набор тест-кейсов для вашего кода (нужен краткий обзор архитектуры — задачи/locks/стратегии разделения).Подготовить примерный скрипт для автоматического стресс-тестирования + команды для запуска TSan/rr/perf в вашей среде.Показать шаблон логгирования для lock-order graph и пример парсера для обнаружения циклов.