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全面介绍单元测试

发表于:2017-01-07 作者:王彤 来源: kailesoft.com 点击数:
一 单元测试概述 

  工厂在组装一台电视机之前,会对每个元件都进行测试,这,就是单元测试。 
  其实我们每天都在做单元测试。你写了一个函数,除了极简单的外,总是要执行一下,看看功能是否正常,有时还要想办法输出些数据,如弹出信息窗口什么的,这,也是单元测试,老纳把这种单元测试称为临时单元测试。只进行了临时单元测试的软件,针对代码的测试很不完整,代码覆盖率要超过70%都很困难,未覆盖的代码可能遗留大量的细小的错误,这些错误还会互相影响,当BUG暴露出来的时候难于调试,大幅度提高后期测试和维护成本,也降低了开发商的竞争力。可以说,进行充分的单元测试,是提高软件质量,降低开发成本的必由之路。 
  对于程序员来说,如果养成了对自己写的代码进行单元测试的习惯,不但可以写出高质量的代码,而且还能提高编程水平。 
  要进行充分的单元测试,应专门编写测试代码,并与产品代码隔离。老纳认为,比较简单的办法是为产品工程建立对应的测试工程,为每个类建立对应的测试类,为每个函数(很简单的除外)建立测试函数。首先就几个概念谈谈老纳的看法。 
  一般认为,在结构化程序时代,单元测试所说的单元是指函数,在当今的面向对象时代,单元测试所说的单元是指类。以老纳的实践来看,以类作为测试单位,复杂度高,可操作性较差,因此仍然主张以函数作为单元测试的测试单位,但可以用一个测试类来组织某个类的所有测试函数。单元测试不应过分强调面向对象,因为局部代码依然是结构化的。单元测试的工作量较大,简单实用高效才是硬道理。 
  有一种看法是,只测试类的接口(公有函数),不测试其他函数,从面向对象角度来看,确实有其道理,但是,测试的目的是找错并最终排错,因此,只要是包含错误的可能性较大的函数都要测试,跟函数是否私有没有关系。对于C++来说,可以用一种简单的方法区隔需测试的函数:简单的函数如数据读写函数的实现在头文件中编写(inline函数),所有在源文件编写实现的函数都要进行测试(构造函数和析构函数除外)。 
  什么时候测试?单元测试越早越好,早到什么程度?XP开发理论讲究TDD,即测试驱动开发,先编写测试代码,再进行开发。在实际的工作中,可以不必过分强调先什么后什么,重要的是高效和感觉舒适。从老纳的经验来看,先编写产品函数的框架,然后编写测试函数,针对产品函数的功能编写测试用例,然后编写产品函数的代码,每写一个功能点都运行测试,随时补充测试用例。所谓先编写产品函数的框架,是指先编写函数空的实现,有返回值的随便返回一个值,编译通过后再编写测试代码,这时,函数名、参数表、返回类型都应该确定下来了,所编写的测试代码以后需修改的可能性比较小。 
  由谁测试?单元测试与其他测试不同,单元测试可看作是编码工作的一部分,应该由程序员完成,也就是说,经过了单元测试的代码才是已完成的代码,提交产品代码时也要同时提交测试代码。测试部门可以作一定程度的审核。 
  关于桩代码,老纳认为,单元测试应避免编写桩代码。桩代码就是用来代替某些代码的代码,例如,产品函数或测试函数调用了一个未编写的函数,可以编写桩函数来代替该被调用的函数,桩代码也用于实现测试隔离。采用由底向上的方式进行开发,底层的代码先开发并先测试,可以避免编写桩代码,这样做的好处有:减少了工作量;测试上层函数时,也是对下层函数的间接测试;当下层函数修改时,通过回归测试可以确认修改是否导致上层函数产生错误。

二 测试代码编写 
  多数讲述单元测试的文章都是以Java为例,本文以C++为例,后半部分所介绍的单元测试工具也只介绍C++单元测试工具。下面的示例代码的开发环境是VC6.0。

  产品类: 
  class CMyClass 
  { 
  public
      int Add(int i, int j); 
      CMyClass(); 
      virtual ~CMyClass();

  private
      int mAge; //年龄 
      CString mPhase; //年龄阶段,如"少年","青年" 
  };

  建立对应的测试类CMyClassTester,为了节约编幅,只列出源文件的代码: 
  void CMyClassTester::CaseBegin() 
  { 
      //pObj是CMyClassTester类的成员变量,是被测试类的对象的指针, 
      //为求简单,所有的测试类都可以用pObj命名被测试对象的指针。 

     pObj = new CMyClass(); 
  }

  void CMyClassTester::CaseEnd() 
  { 
      delete pObj; 
  }

  测试类的函数CaseBegin()和CaseEnd()建立和销毁被测试对象,每个测试用例的开头都要调用CaseBegin(),结尾都要调用CaseEnd()。

  接下来,我们建立示例的产品函数: 
  int CMyClass::Add(int i, int j) 
  { 
      return i+j; 
  } 
  和对应的测试函数: 
  void CMyClassTester::Add_int_int() 
  { 
  } 

  把参数表作为函数名的一部分,这样当出现重载的被测试函数时,测试函数不会产生命名冲突。下面添加测试用例: 
  void CMyClassTester::Add_int_int() 
  { 
      //第一个测试用例 
      CaseBegin();{ //1 
      int i = 0; //2 
      int j = 0; //3 
      int ret = pObj->Add(i, j); //4 
      ASSERT(ret == 0); //5 
      }CaseEnd(); //6 
  } 
  第1和第6行建立和销毁被测试对象,所加的{}是为了让每个测试用例的代码有一个独立的域,以便多个测试用例使用相同的变量名。 
  第2和第3行是定义输入数据,第4行是调用被测试函数,这些容易理解,不作进一步解释。第5行是预期输出,它的特点是当实际输出与预期输出不同时自动报错,ASSERT是VC的断言宏,也可以使用其他类似功能的宏,使用测试工具进行单元测试时,可以使用该工具定义的断言宏。

  示例中的格式显得很不简洁,2、3、4、5行可以合写为一行:ASSERT(pObj->Add(0, 0) == 0);但这种不简洁的格式却是老纳极力推荐的,因为它一目了然,易于建立多个测试用例,并且具有很好的适应性,同时,也是极佳的代码文档,总之,老纳建议:输入数据和预期输出要自成一块。 
  建立了第一个测试用例后,应编译并运行测试,以排除语法错误,然后,使用拷贝/修改的办法建立其他测试用例。由于各个测试用例之间的差别往往很小,通常只需修改一两个数据,拷贝/修改是建立多个测试用例的最快捷办法。

三 测试用例 
  下面说说测试用例、输入数据及预期输出。输入数据是测试用例的核心,老纳对输入数据的定义是:被测试函数所读取的外部数据及这些数据的初始值。外部数据是对于被测试函数来说的,实际上就是除了局部变量以外的其他数据,老纳把这些数据分为几类:参数、成员变量、全局变量、IO媒体。IO媒体是指文件、数据库或其他储存或传输数据的媒体,例如,被测试函数要从文件或数据库读取数据,那么,文件或数据库中的原始数据也属于输入数据。一个函数无论多复杂,都无非是对这几类数据的读取、计算和写入。预期输出是指:返回值及被测试函数所写入的外部数据的结果值。返回值就不用说了,被测试函数进行了写操作的参数(输出参数)、成员变量、全局变量、IO媒体,它们的预期的结果值都是预期输出。一个测试用例,就是设定输入数据,运行被测试函数,然后判断实际输出是否符合预期。下面举一个与成员变量有关的例子: 
  产品函数: 
  void CMyClass::Grow(int years) 
  { 
      mAge += years;

      if(mAge < 10) 
          mPhase = "儿童"; 
      else if(mAge <20) 
          mPhase = "少年"; 
      else if(mAge <45) 
          mPhase = "青年"; 
      else if(mAge <60) 
          mPhase = "中年"; 
      else 
          mPhase = "老年"; 
  }

  测试函数中的一个测试用例: 
  CaseBegin();{ 
  int years = 1; 
  pObj->mAge = 8; 
  pObj->Grow(years); 
  ASSERT( pObj->mAge == 9 ); 
  ASSERT( pObj->mPhase == "儿童" ); 
  }CaseEnd(); 

  在输入数据中对被测试类的成员变量mAge进行赋值,在预期输出中断言成员变量的值。现在可以看到老纳所推荐的格式的好处了吧,这种格式可以适应很复杂的测试。在输入数据部分还可以调用其他成员函数,例如:执行被测试函数前可能需要读取文件中的数据保存到成员变量,或需要连接数据库,老纳把这些操作称为初始化操作。例如,上例中 ASSERT( ...)之前可以加pObj->OpenFile();。为了访问私有成员,可以将测试类定义为产品类的友元类。例如,定义一个宏: 
  #define UNIT_TEST(cls) friend class cls##Tester; 
  然后在产品类声明中加一行代码:UNIT_TEST(ClassName)。

  下面谈谈测试用例设计。前面已经说了,测试用例的核心是输入数据。预期输出是依据输入数据和程序功能来确定的,也就是说,对于某一程序,输入数据确定了,预期输出也就可以确定了,至于生成/销毁被测试对象和运行测试的语句,是所有测试用例都大同小异的,因此,我们讨论测试用例时,只讨论输入数据。 
  前面说过,输入数据包括四类:参数、成员变量、全局变量、IO媒体,这四类数据中,只要所测试的程序需要执行读操作的,就要设定其初始值,其中,前两类比较常用,后两类较少用。显然,把输入数据的所有可能取值都进行测试,是不可能也是无意义的,我们应该用一定的规则选择有代表性的数据作为输入数据,主要有三种:正常输入,边界输入,非法输入,每种输入还可以分类,也就是平常说的等价类法,每类取一个数据作为输入数据,如果测试通过,可以肯定同类的其他输入也是可以通过的。下面举例说明: 
  正常输入 
  例如字符串的Trim函数,功能是将字符串前后的空格去除,那么正常的输入可以有四类:前面有空格;后面有空格;前后均有空格;前后均无空格。 
  边界输入 
  上例中空字符串可以看作是边界输入。 
  再如一个表示年龄的参数,它的有效范围是0-100,那么边界输入有两个:0和100。 
  非法输入 
  非法输入是正常取值范围以外的数据,或使代码不能完成正常功能的输入,如上例中表示年龄的参数,小于0或大于100都是非法输入,再如一个进行文件操作的函数,非法输入有这么几类:文件不存在;目录不存在;文件正在被其他程序打开;权限错误。 
  如果函数使用了外部数据,则正常输入是肯定会有的,而边界输入和非法输入不是所有函数都有。一般情况下,即使没有设计文档,考虑以上三种输入也可以找出函数的基本功能点。实际上,单元测试与代码编写是“一体两面”的关系,编码时对上述三种输入都是必须考虑的,否则代码的健壮性就会成问题。

四 白盒覆盖 
  上面所说的测试数据都是针对程序的功能来设计的,就是所谓的黑盒测试。单元测试还需要从另一个角度来设计测试数据,即针对程序的逻辑结构来设计测试用例,就是所谓的白盒测试。在老纳看来,如果黑盒测试是足够充分的,那么白盒测试就没有必要,可惜“足够充分”只是一种理想状态,例如:真的是所有功能点都测试了吗?程序的功能点是人为的定义,常常是不全面的;各个输入数据之间,有些组合可能会产生问题,怎样保证这些组合都经过了测试?难于衡量测试的完整性是黑盒测试的主要缺陷,而白盒测试恰恰具有易于衡量测试完整性的优点,两者之间具有极好的互补性,例如:完成功能测试后统计语句覆盖率,如果语句覆盖未完成,很可能是未覆盖的语句所对应的功能点未测试。 
  白盒测试针对程序的逻辑结构设计测试用例,用逻辑覆盖率来衡量测试的完整性。逻辑单位主要有:语句、分支、条件、条件值、条件值组合,路径。语句覆盖就是覆盖所有的语句,其他类推。另外还有一种判定条件覆盖,其实是分支覆盖与条件覆盖的组合,在此不作讨论。跟条件有关的覆盖就有三种,解释一下:条件覆盖是指覆盖所有的条件表达式,即所有的条件表达式都至少计算一次,不考虑计算结果;条件值覆盖是指覆盖条件的所有可能取值,即每个条件的取真值和取假值都要至少计算一次;条件值组合覆盖是指覆盖所有条件取值的所有可能组合。老纳做过一些粗浅的研究,发现与条件直接有关的错误主要是逻辑操作符错误,例如:||写成&&,漏了写!什么的,采用分支覆盖与条件覆盖的组合,基本上可以发现这些错误,另一方面,条件值覆盖与条件值组合覆盖往往需要大量的测试用例,因此,在老纳看来,条件值覆盖和条件值组合覆盖的效费比偏低。老纳认为效费比较高且完整性也足够的测试要求是这样的:完成功能测试,完成语句覆盖、条件覆盖、分支覆盖、路径覆盖。做过单元测试的朋友恐怕会对老纳提出的测试要求给予一个字的评价:晕!或者两个字的评价:狂晕!因为这似乎是不可能的要求,要达到这种测试完整性,其测试成本是不可想象的,不过,出家人不打逛语,老纳之所以提出这种测试要求,是因为利用一些工具,可以在较低的成本下达到这种测试要求,后面将会作进一步介绍。 
  关于白盒测试用例的设计,程序测试领域的书籍一般都有讲述,普通方法是画出程序的逻辑结构图如程序流程图或控制流图,根据逻辑结构图设计测试用例,这些是纯粹的白盒测试,不是老纳想推荐的方式。老纳所推荐的方法是:先完成黑盒测试,然后统计白盒覆盖率,针对未覆盖的逻辑单位设计测试用例覆盖它,例如,先检查是否有语句未覆盖,有的话设计测试用例覆盖它,然后用同样方法完成条件覆盖、分支覆盖和路径覆盖,这样的话,既检验了黑盒测试的完整性,又避免了重复的工作,用较少的时间成本达到非常高的测试完整性。不过,这些工作可不是手工能完成的,必须借助于工具,后面会介绍可以完成这些工作的测试工具。

五 单元测试工具 
   (略)