基于Load Runner的軟件負載與壓力測試實驗教學改革

趙衛東，王樹強,張 峰

（山東科技大學 計算機科學與工程學院，山東 青島 266000）

0 引言

負載與壓力測試是指在一定的約束條件下，檢測系統所能承受的并發用戶量、運行時間、數據量等參數，以確定系統所能承受的最大負載和壓力，發現影響系統性能的缺陷。負載與壓力測試需要模擬系統真實的運行環境并借助測試工具才能完成。業界已經出現了很多成熟的自動化測試工具，每一種工具都有其自身的特點。負載與壓力測試是軟件測試課程教學的重點和難點之一，實踐型和應用性很強[1]，涉及較多容易混淆的抽象概念，必須經過有效的實踐教學環節，學生才能真正理解和掌握負載與壓力測試相關知識和技能。

目前，很多高校只是讓學生使用一些過時或者不實用的工具，對一些小型的程序進行簡單的負載與壓力測試實驗，實踐教學缺乏合理設計，實驗內容簡單陳舊，被測系統沒有實際意義[2]，對測試工具使用的深度和廣度不夠，實驗教學方法落后，導致學生對負載與壓力測試實踐教學不感興趣，重視程度不夠，積極性不高，教學效果較差。

1 負載與壓力測試概述

軟件性能測試是指利用測試工具模擬多種正常或異常負載條件來對系統的響應時間、吞吐量等性能指標進行測試，目的是驗證系統的性能是否能滿足用戶需求，發現影響性能的系統缺陷。性能測試包括負載與壓力測試、強度測試、并發測試、大數據量測試、配置測試和可靠性測試等。

負載測試是通過逐步增加系統負載，測試系統性能的變化，并最終確定在滿足性能指標的前提下，系統所能承受的最大負載量。負載測試不關注系統穩定性，也就是說不關注系統長時間運行的情況，只是得到不同負載下相關性能指標，根據這些結果作出決策并得出正確的結論[3]。實際測試中，一般從比較小的負載開始，通過逐漸增加負載，觀察不同負載下應用程序的響應時間、所耗資源等性能指標的變化，直到超時或關鍵資源耗盡，從而獲得系統所能承受的最大負載量。

壓力測試是通過逐步增加系統負載，測試系統性能的變化，并最終確定在什么負載條件下系統性能處于失效狀態，并以此獲得系統能提供的最大服務級別的測試。其目標是，測試在一定的負載下，系統長時間運行的穩定性。但是這個負載不一定是應用系統本身造成的，比如利用腳本或工具事先吃掉服務器的一部分CPU、內存或帶寬等，創造出負載環境來測試被測應用系統在此環境下的事物處理能力、響應時間等指標。壓力測試尤其關注大業務量情況下長時間運行系統性能的變化，例如系統是否反應變慢、是否會內存泄漏導致系統逐漸崩潰、是否能自行恢復等，它包括兩種情況。

（1）穩定性壓力測試：在選定的壓力值下，長時間持續運行。通過這類壓力測試，可以考查各項性能指標是否在指定范圍內，有無內存泄漏、有無功能性故障等。

（2）破壞性壓力測試：在穩定性壓力測試中可能會出現一些問題，如系統性能明顯降低，但很難暴露出其真實的原因。通過破壞性不斷加壓的手段，往往能快速復現問題。

2 測試工具選擇

由于手工測試存在“機器設備和可用人數有限，測試人員不能統一同步”等問題，采用自動化測試工具進行負載與壓力測試是必然的選擇。目前，可供選擇的測試工具有很多，通過對比分析Load Runner、JMeter與Gatling 3種流行的自動化測試工具（見表1），可以看出，盡管Load Runner不是開源產品，價格昂貴，靈活性不夠，但其具有的功能最全面，支持廣泛的協議和技術,是一種適用于各種體系架構的自動負載測試工具，它能預測系統行為并優化系統性能[4]。其有4個組件：虛擬用戶發生器（VuGen）、壓力調度與監控器（Controller）、負載壓力產生器（Load Generator）、結果分析器（Analysis）。

綜上所述，Load Runner足以適應各種情況下的測試需求，能最大限度地縮短測試時間、節約測試資源、優化性能和加速應用系統的發布周期，是執行負載與壓力測試的強有力工具，也是學生進行負載與壓力測試實驗較好的工具。

3 實驗教學方案設計

3.1 實驗內容設計

基于 Load Runner 的負載壓力測試一般要經過規劃測試、創建腳本、定義場景、執行場景、分析結果5個階段。負載壓力測試實驗教學的目的是讓學生理解響應時間、吞吐量等主要性能指標，掌握 Load Runner 的基礎操作和負載壓力測試的基本流程，學會利用Load Runner對實際Web系統進行負載壓力測試。為此，以常用的經典系統Web Tours和自主研發的“設備巡檢管理系統”作為測試對象，采用循序漸進的方式使學生逐步接觸真正的測試實踐[6]，設計了如下3次實驗。

實驗一：Load Runner基礎實驗。

實驗目的：學習負載與壓力測試基本概念、常見性能指標和Load Runner的測試流程。

實驗內容：①教師講解負載與壓力測試相關概念及平均事務響應時間、吞吐量、并發用戶量、資源利用率等性能指標；②教師講解Web Tours系統及其性能要求；③以Web Tours為測試對象，教師演示Load Runner的虛擬用戶發生器、壓力調度與監控器、負載壓力產生器、結果分析器等四大組件的功能與操作；④學生完成Load Runner安裝，利用虛擬用戶發生器錄制Web Tours系統用戶登錄、查找航班、選擇航班、預訂機票、查看航班路線并注銷的操作，回放腳本驗證能否正常運行；⑤利用虛擬用戶發生器模擬5個虛擬用戶，在此場景下，利用壓力調度與監控器執行所錄腳本；⑥控制負載壓力產生器將虛擬用戶數由5個逐步增加到10個；⑦學生利用結果分析器查看最大運行用戶數、總吞吐量、平均吞吐量和點擊次數的統計信息。

表1 測試自動化工具對比

實驗二：腳本編寫與測試環境配置技術實驗。

實驗目的：掌握插入事務、參數化腳本等增強腳本的方法，掌握配置測試環境的方法。

實驗內容：①教師講解事務、集合點和思考時間等概念。②學生使用實驗一錄制的腳本，找到腳本中的用戶登錄、查找航班、選擇航班、預訂機票、查看航班路線和注銷操作，在每個操作的開始位置和結束位置插入起始事務標志和結束事務標志，每個事務都要定義名稱；將用戶名、密碼和座位選項進行參數化，模擬多個用戶的登錄訂票行為；在預訂機票操作后面插入集合點函數，使10個用戶到達集合點時，并發運行后面的腳本。③將增強的腳本添加到壓力調度與監控器中創建3個場景，分別設置好虛擬用戶的活動和行為，包括重復一系列操作的次數以及各步驟之間的思考時間等。④第一個場景進行負載測試，學生制定不同負載得出相關性能指標；第二個場景進行穩定性壓力測試，學生控制負載壓力產生器配置加壓方式，即設置每隔一定時間啟動的用戶數和每個用戶持續運行的時間，將這種負載保持長時間運行；第三個場景進行破壞性壓力測試，通過不斷增加每秒點擊次數，測試服務器的性能瓶頸；⑤執行負載壓力測試場景；⑥學生在相關圖中查看系統運行用戶數、事務響應時間和每秒點擊次數的變化情況，分析系統的穩定性，評估系統性能。

實驗三：負載與壓力測試綜合實驗。

實驗目的：綜合運用Load Runner工具完成對實際Web系統的負載與壓力測試，提高項目實踐能力。

實驗內容：①教師講解如何規劃負載與壓力測試，分析測試需求，制定測試方案；②教師講解“設備巡檢管理系統”和性能需求；③學生根據系統概述，分析測試需求，錄制、回放、編寫和調試腳本，配置真實的測試環境，收集實驗數據；④對數據進行分析，預見系統的負載承受力，評估系統性能，找出系統瓶頸。

3.2 實驗教學方法改革

針對傳統實驗教學存在的“理論和實踐教學脫節”“學生缺乏主動性”“自主分析和解決問題的能力差”等突出問題，可以采用項目驅動、反轉課堂、理論和實驗相結合等先進教學理念，從以下幾個方面進行實驗教學方法的改革。

1）注重實驗和理論教學相結合。

將負載與壓力測試的有關理論教學與實驗統一安排，采用邊學理論邊做實驗的方法，將理論知識和實踐環節高度結合，相互驗證。每一次實驗課都包括理論講解、實驗演示、上機實驗3方面。教師講解能起到先導作用，即讓學生弄清楚實驗基礎理論，學生通過實際上機實驗正確地使用測試技術，進而對理論加深理解，變成他們真正掌握的知識。學生邊學邊做，看似減緩了教學進度，實際是在“做中學、學中做”，真正提高了課堂教學效率，學生的學習興趣和主動性提高了，對所學內容理解的更加具體和深入，自學能力與應用知識和技能解決實際工程問題的能力得以加強。

2）引入項目驅動的實驗教學模式。

采用自主開發的實際系統“設備巡檢管理系統”作為被測系統。教師對系統進行剪裁，整理出與測試相關的知識點，首先講解項目開發的背景、性能要求及其性能測試的企業流程；對學生進行分組，由組長負責，組員共同討論確定測試計劃和設計測試方案，小組成員執行測試，發現問題，并給出解決問題的技術方案。通過具體的項目實戰，學生盡快地熟悉軟件測試工作過程，能夠對完整的項目進行測試[7]，引導激發學生的興趣，增強學生的實際項目經驗，深刻理解所學專業知識和技能的實際應用價值，提前體驗從一名在校學生向IT工程師的角色轉變。

3）反轉課堂，激發學生學習主動性。

建立信息平臺，將學生在實驗中遇到的問題分類記錄到平臺上，以便學生能及時查找問題答案，對于平臺中沒有記錄的問題，鼓勵學生課堂討論，讓課堂成為研究和解決問題的場所，真正實現反轉課堂。只有給學生創造自主發現和解決問題的氛圍和環境，才能使反轉課堂不只是一句口號。設置積分制，鼓勵學生補充QA庫，對于優秀的問題和解決方案，可以獲得較高的積分。

4）改革實驗教學考核方式。

從4個方面對學生進行綜合考核。第一，考核學生實驗準備的情況，教師對學生遇到的問題進行指導，評價學生對實驗的認識是否充分。第二，考核學生課堂表現以及實驗采用的方法，教師檢查學生實驗過程，判斷學生是否理解涉及的知識點，能否對實驗方法進行優化和改進。第三，采用答辯的方式考核學生實驗結果，教師點評結果，對學生完成實驗的情況作出指導及建議。第四，考核學生撰寫的實驗報告，教師讓學生定期上交實驗報告，評價學生對課程理論和項目實踐的掌握情況。根據以上學生各個實驗環節的表現，按比例對實驗成績進行綜合評價，以表揚和鼓勵在實驗中表現優秀的學生，指出實驗過程中存在的各種不足，真正形成崇尚獨立自主和積極主動的實驗教學氛圍。

4 實驗教學效果總結與分析

從2014年開始，面向我校軟件工程專業本科三年級3個班的學生，持續對所設計的負載與壓力測試實驗教學方案進行了4年的應用。實際應用效果表明，學生的實驗課成績有了較大幅度的提升，見表2，優秀率從10%提升到20%，不及格率從15%下降到5%；學生學習積極性和主動性顯著改善，見表3，學生參與課堂討論的比例從24%提升到83%，學生補充QA庫的比例從16.8%提升到39.3%。

表2 學生實驗成績

表3 學生參與課堂討論和補充QA庫的比例

5 結語

選用流行的企業級軟件性能測試工具Load Runner，以真實的Web系統為測試對象，模擬軟件負載與壓力測試的實際流程，詳細設計了負載與壓力測試的實驗內容。以激發學生的學習興趣和主動性為目的，采用實驗和理論教學相結合、反轉課堂等先進的教學方法，從多個方面改革了實驗教學方法。

通過4年不間斷的實際教學應用，經過教學數據對比分析，參與課堂討論的學生比例、補充QA庫的學生比例得到了很大提高，這表明學生實踐的積極性和主動性有了顯著的改觀，取得了良好的教學效果，達到了提高學生學習興趣和實際動手能力的目標，對相關計算機課程實踐教學的改革具有參考和借鑒價值。