TDD及單元測試最佳實踐

阿新 • • 發佈：2019-01-04

TDD：What？Why？How？

TDD（測試驅動開發）既是一種軟體開發技術，也是一種設計方法論。其基本思想是通過測試來推動整個開發的進行，但測試驅動開發並不只是單純的測試工作，而是把需求分析、設計、質量控制量化的過程。

為什麼要採用TDD呢？TDD有如下幾點優勢：

在開發的過程中，把大的功能塊拆分成小的功能塊進行測試，降低複雜性，幫助我們小步快跑前進。
遵循“keep it simple, stupid”（KISS）和“You aren't gonna need it”（YAGNI）原則，只寫通過測試的必要程式碼，所以程式碼通常精簡清晰（clean and clear）。
由於寫測試用例實際上在模仿使用者，所以可以提升程式碼結構和介面設計的合理性。

儘早的暴露問題並解決，減小後續測試成本，長遠的看還可以最大限度規避線上故障。
測試程式碼即文件，測試程式碼中的用例、入參、預期結果是對程式碼最好的解釋。

TDD的基本生命週期如下圖：

當一個需求來的時候，我們首先要做的就是增加一個測試或者重寫當前的相關測試。這個過程中，我們需要非常清楚的瞭解需求本質，反映在測試用例上，就是測試的輸入是什麼，得到的輸出是什麼。而測試資料也需要儘量包括真實資料和邊界資料。
執行測試，預期中，這個測試會失敗，因為相關功能還沒有被我們加在程式碼中。
編寫相關功能的程式碼，從而讓測試通過。
重新執行測試，這時候不僅要看第一步中的測試有沒有通過，還需要看以前通過的測試有沒有fail。如果測試失敗，那麼需要重寫編寫程式碼或者更新相關測試。

重構程式碼，為了讓新增的測試通過，不免會堆積程式碼，所以要時候保持重構，去除程式碼中的“bad smell”。

下面將用我們重構中的一個簡單的案例來展示TDD的過程。我們需要一個工具類來實現一個方法根據商品的tag判斷一個商品是否是批發商品：

明確需求和測試用例
批發商品的tag為Long型的10000L，傳入的商品tags為一個String，以逗號分隔的各個商品tag，比如"10000, 12345"。

我們的測試用例為如下幾個：

入參	結果
""	false
"12345"	false
"10000"	true
"12345,10000,20000"	true
"&^837,20000,10000"	true

實現方法
我們的測試為：

@DataProvider(name="isWholesaleProductDp")
public Object[][] isWholesaleProductDp() {
    return new Object[][] {
        {"", false},
        {"12345", false},
        {"10000", true},
        {"12345,10000,20000", true},
        {"&^837,20000,10000", true},
    };
}

@Test(dataProvider = "isWholesaleProductDp")
public void testIsWholesaleProduct(String productTags, boolean expected) {
    Assert.assertEquals(expected, ProductExtendsUtil.isWholesaleProduct(productTags));
}
複製程式碼

(1)第一個cycle 首先實現方法如下：

public boolean isWholesaleProduct(String productTags) {
    return true;
}
複製程式碼

很顯然前兩個用例會失敗。
(2)第二個cycle
我們需要編寫讓前兩個用例成功的程式碼：

public boolean isWholesaleProduct(String productTags) {
    if (StringUtils.isBlank(productTags)) {
        return false;
    }
    Set<Long> tagIdSet = Arrays.stream(productTags.split(Constant.COMMA)).filter(s -> StringUtils.isNotBlank(s)).map(Long :: valueOf).collect(
            Collectors.toSet());
    return CollectionUtils.isNotEmpty(tagIds) && tagIds.contains(WHOLESALE_TAG_ID);
}
複製程式碼

此時再執行單元測試，所有測試用例都通過。
3. 重構
考慮到以後我們不僅要判斷這個商品是否是批發品，還需要判斷其是否是其他型別的商品，於是重構將主要的判斷邏輯拆出來單獨成為一個函式：

public boolean containsTag(String productTags, Long tagId) {
    if (StringUtils.isBlank(productTags)) {
        return false;
    }
    Set<Long> tagIdSet = Arrays.stream(productTags.split(Constant.COMMA)).filter(s -> StringUtils.isNotBlank(s)).map(Long :: valueOf).collect(
            Collectors.toSet());
    return CollectionUtils.isNotEmpty(tagIds) && tagIds.contains(WHOLESALE_TAG_ID);
}
複製程式碼

以上就是TDD的基本過程，但在實際操作過程，對於一些簡單的方法實現，可以跳過一些步驟直接實現。

UTDD（單元測試驅動開發）

作為開發者（Developer），需要單獨完成的就是單元測試驅動開發。因為ATTD（Acceptance Test Driven Development，驗收驅動測試開發）通常需要QA同學介入。下面會針對Java單元測試的框架及技術展開。

1. 單元測試核心原則

單元測試需要遵循如下幾大核心原則：

自動化：單元測試應該是全自動執行的，並且非互動式的。利用斷言Assert進行結果驗證。
獨立性：保持單元測試的獨立性。為了保證單元測試穩定可靠且便於維護，單元測試用例之間決不能互相呼叫，也不能依賴執行的先後次序。單測不負責檢查跨類或者跨系統的互動邏輯，那是整合測試的領域。
可重複：單元測試是可以重複執行的，不能受到外界環境的影響。如果單測對外部環境(網路、服務、中介軟體等)有依賴，容易導致持續整合機制的不可用。
全面性：除了正確的輸入得到預期的結果，還需要強制錯誤資訊輸入得到預期的結果，為了系統的魯棒性，應加入邊界值測試，包括迴圈邊界、特殊取值、特殊時間點、資料順序等。
細粒度：保證測試粒度足夠小，有助於精確定位問題。單測粒度至多是類級別，一般是方法級別。單測不負責檢查跨類或者跨系統的互動邏輯，那是整合測試的領域。

2. 測試框架

在Java生態系統中，JUnit和TestNG是最受歡迎的兩個單元測試框架。JUnit最早由TDD的先驅Ken Beck和Erich Gamma開發，後來由JUnit團隊開發維護，截止到本文寫作時間已釋出JUnit 5。TestNG作為後起之秀，在JUnit的功能之外提供了一些獨特的功能。下面將結合一些程式碼案例對兩個框架的基本功能進行對比，其中JUnit將集中關注JUnit5中的功能。

總體架構

一個完整的測試平臺有以下幾個部分組成：

面向開發者的API，比如各種測試註解。
特定於某一測試框架的測試引擎。其中JUnit 5將呼叫Vintage Engine來相容JUnit 3和JUnit 4的測試，Juniper Engine則用來執行JUnit 5的測試。
通用測試引擎，是對第2層中各種框架引擎的抽象。
面向IDE的啟動器，IntelliJ IDEA、Eclipse等IDE通過啟動器來執行測試。

Test設定

JUnit可以在方法和類兩個級別完成初始化和後續操作，其中@BeforeEach和@AfterEach為方法級別的註解，@BeforeAll和@AfterAll為類級別的註解。TestNG同樣提供了@BeforeMethod和@AfterMethod作為方法級別的註解，@BeforeClass和@AfterClass作為類級別的註解。TestNG還多了@BeforeSuite、@AfterSuite、@BeforeGroup、@AfterGroup，提供套件以及組級別的設定能力。

停用測試

JUnit提供了@Ignore註解，而TestNG則是在@Test後加入了enable=false的引數：@Test(enable = false)。

套件/分組測試

所謂套件/分組測試，就是把多個測試組合成一個模組，然後統一執行。
在JUnit中利用了@RunWith、@SelectPackages、@SelectClasses註解來組合測試用例，比如：

@RunWith(JUnitPlatform.class)
@SelectClasses({Class1UnitTest.class, Class2UnitTest.class})
public class SelectClassesSuiteUnitTest {
}
複製程式碼

而在TestNG中，則用一個XML檔案來定義要組合的測試：

<suite name="suite">
    <test name="test suite">
        <classes>
            <class name="com.alibaba.icbu.product.Class1Test" />
            <class name="com.alibaba.icbu.product.Class2Test" />
        </classes>
    </test>
</suite>
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除此之外，TestNG還可以組合方法，在@Test註解中定義group：

@Test(groups = "regression")
public void regressionTestNegtiveSum() {
    int sum = numbers.stream().reduce(0, Integer::sum);
    Assert.assertTrue(sum < 0);
}
複製程式碼

然後再XML中定義如下：

<test name="test groups">
    <groups>
        <run>
            <include name="regression" />
        </run>
    </groups>
    <classes>
        <class
          name="com.alibaba.icbu.product.Class1Test" />
    </classes>
</test>
複製程式碼

異常測試

對於如下丟擲異常的方法：

public class Calculator {
    public double divide(double a, double b) {
        if (b == 0) {
            throw new DivideByZeroException("Divider cannot be equal to zero!");
        }
        return a/b;
    }
}
複製程式碼

在JUnit 5中，可以用assertThrows來斷言：

@Test
public void testDivideByZero() {
    Calculator calculator = new Calculator();
    assertThrows(DivideByZeroException.class, () -> calculator.divide(10, 0));
}
複製程式碼

在TestNG中，則可以在註解中加入期望的異常：

@Test(expectedExceptions = ArithmeticException.class) 
public void testDivideByZero() { 
    int i = 1 / 0;
}
複製程式碼

引數化測試

引數化的好處是重用測試方法來測試多組資料，我們可以申明資料來源，測試方法就能讀取各個資料進行測試。
在JUnit 5中，有如下幾種資料來源註解：

@ValueSource，可以定義Short、Byte、Int、Long、Float,、Double、Char和String陣列作為資料來源：java @ParameterizedTest @ValueSource(strings = { "Hello", "World" }) void testStringNotNull(String word) { assertNotNull(word); }
@EnumSource，把Enum作為引數：java @ParameterizedTest @EnumSource(value = ProductType.class, names = {"SOURCING", "MARKET"}) void testContainProductType(ProductType type) { assertTrue(EnumSet.of(ProductType.SOURCING, ProductType.MARKET).contains(type)); }

@MethodSource，呼叫函式產生引數：

static Stream<String> wordDataProvider() {
  return Stream.of("foo", "bar");
}

@ParameterizedTest
@MethodSource("wordDataProvider")
void testInputStream(String argument) {
  assertNotNull(argument);
}
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@CsvSource，CSV值作為引數：

@ParameterizedTest
@CsvSource({ "1, Car", "2, House", "3, Train" })
void testContent(int id, String word) {
  assertNotNull(id);
  assertNotNull(word);
}
複製程式碼

@CsvFileSource將會讀取classpath下的CSV檔案作為引數。
而在TestNG中，主要有如下兩種引數化註解：

@Parameter，讀取XML檔案中的資料作為引數：

<suite name="My test suite">
<test name="numbersXML">
    <parameter name="value" value="1"/>
    <parameter name="isEven" value="false"/>
    <classes>
        <class name="com.alibaba.icbu.product.ParametrizedTests"/>
    </classes>
</test>
</suite>
複製程式碼

在Java程式碼中：

@Test
@Parameters({"value", "isEven"})
public void testIsEven(int value, boolean isEven) {
  Assert.assertEquals(isEven, value % 2 == 0);
}
複製程式碼

@DataProvider，可以提供更復雜的類作為引數，通常定義一個返回Object[][]的函式作為資料提供者：

@DataProvider(name = "numbers")
public static Object[][] evenNumbers() {
  return new Object[][]{{1, false}, {2, true}, {4, true}};
}

@Test(dataProvider = "numbers")
public void testIsEven(Integer number, boolean expected) {
  Assert.assertEquals(expected, number % 2 == 0);
}
複製程式碼

依賴測試

依賴測試是指測試的方法是有依賴的，在執行的測試之前需要執行的另一測試。如果依賴的測試出現錯誤，所有的子測試都被忽略，且不會被標記為失敗。JUnit目前不支援依賴，而在TestNG中，在@Test中加入dependsOnMethods = {"xxx"}即可。

並行測試

JUnit並行測試需要自己定製一個Runner，而在TestNG中，可以通過XML設定並行度：

<suite name="Concurrency Suite" parallel="methods" thread-count="2" >
  <test name="Concurrency Test" group-by-instances="true">
    <classes>
      <class name="com.alibaba.icbu.product.ConcurrencyTest" />
    </classes>
  </test>
</suite>
複製程式碼

綜上來看，JUnit 5在功能上已經和TestNG十分接近，但TestNG還是在引數化測試、依賴測試、並行測試上更加簡潔、強大。

3. Mock

Mock是單元測試中重要的一環，在許多場景中需要mock一些外部依賴，比如：

依賴的外部服務的呼叫，比如一些webservice。
DAO層的呼叫，訪問MySQL、Tair等底層儲存。

根據之前所提到的單元測試的原則，我們可以專注於測試被測試主體的功能，而不是測試它的依賴。

基本概念

根據Martin Fowler的這篇文章，Mock有以下幾個基本概念：

Dummy：不包含實現的物件，在測試中需要被傳入，卻沒有真正的被使用，通常只是來填充引數列表。
Fake：有具體實現，但通常做了一些捷徑使之不能用於生產環境，比如記憶體資料庫。
Stubs：對於測試中的呼叫和請求，返回準備好的資料。
Spies：類似於Stubs，但會記錄被呼叫的成員，用於驗證資料。
Mocks：根據一系列物件將收到的呼叫已經預設好結果。

Mock原理

Mock主要分為三個階段：
1. Record階段：錄製期望。也可以理解為資料準備階段。建立依賴的Class或Interface或Method，模擬返回的資料、耗時及呼叫的次數等。
2. Replay階段：通過呼叫被測程式碼，執行測試。期間會Invoke到第一階段Record的Mock物件或方法。
3. Verify階段：驗證。可以驗證呼叫返回是否正確，及Mock的方法呼叫次數，順序等。

Mock框架

目前主流的Java Mock框架有JMockit、Mockito、EasyMock和PowerMock，功能對比如下：

從上圖可以看到，JMockit的功能最為全面和強大，就筆者的實際使用體驗來說，Mockito的API更加輕量易用。下面將以JMockit為例介紹一些基本的Mock。
(1) 測試設定
JMockit需要將Runner設定為JMockit。對於被Mock的物件，加上@Injectable（只建立一個Mock例項）和@Mocked（對於每個例項都建立一個Mock）註解即可。對於測試例項，加上@Tested註解。

@RunWith(JMockit.class)
public class JMockitExampleTest {

    @Tested
    JMockitExample jMockitExample;

    @Injectable
    TestDependency testDependency;
}
複製程式碼

在JMockit中，測試分為三個步驟：

Record：在一個new Expectations(){{}}區塊中定義Mock的行為及資料。
Replay：呼叫測試類中的某個測試方法，這將呼叫某個Mock物件。

Verification：在一個new Verifications(){{}}區塊中定義各種驗證。

@Test
public void testWireframe() { 
new Expectations() {{ 
   // 定義mock期望的行為
}};

// 執行測試程式碼

new Verifications() {{ 
   // 驗證mocks
}};

// 斷言
}
複製程式碼

(2) Mock物件
對於需要Mock的物件，將其加上@Mocked註解，作為測試方法的引數傳入即可。

@Test
public void testDoSomething(@Mocked TestDependency testDependency) throws Exception {
}
複製程式碼

(3）Mock方法呼叫
對於Mock方法呼叫，則是在Expectations區塊中定義mock.method(args); result = value;，如果想在多次呼叫時返回多個值，則可以使用returns(value1, value2,...)。包括異常的丟擲也可以在此定義。當返回的值需要一些計算邏輯時，我們就可以使用Delegate介面來定義result。
對於傳入Mock方法的引數，JMockit提供了Any來適配通用引數。每個原始類別、String均有自己的AnyX定義，Any則用來匹配通用物件。
比Any更高階一些的是with方法，比如withNotNull()限制了傳入的引數不為null，withSubstring("xyz")限制了傳入的String需要含有"xyz"。

@RunWith(JMockit.class)
public class JMockitExampleTest {

@Tested
JMockitExample jMockitExample;

@Test
public void testDoSomething(@Mocked TestDependency testDependency) throws Exception {
    new Expectations() {{
        testDependency.intReturnMethod(); result = 3;
        testDependency.stringReturnMethod(); returns("str1", "str2"); result = SomeCheckedException();
        testDependency.methodForDelegate();
        result = new Delegate() {
            public int delegate(int i) throws Exception {
                if (i < 3) {
                    return 5;
                } else {
                    throw new Exception();
                }
            }
        }
        testDependency.passStringMethod(anyString);
        testDependency.methodForTimes; times = 2;
    }}
}

jMockitExample.doSomething();
}
複製程式碼

（4）Mock靜態方法
在被測試程式碼中，常常需要呼叫一個外部類的一個靜態方法，這時候需要用到JMockit中的MockUp類。如果不想執行相關初始化邏輯，即可用$clinit()模擬掉。

public class TestUtils {
    public static String staticMethod() {}
}
@Test
public void testDoSomething() {
    new MockUp<TestUtils>() {
        @Mock
        void $clinit() {}

        @Mock
        public String staticMethod() {
            return "str";
        }
    };
}
複製程式碼

（5）Verification
在Verification區塊中，Expectations中提到的Any以及with都可以使用。如果要驗證方法呼叫的順序，則可以直接建立VerificationsInOrder。也可以使用FullVerifications確保所有呼叫都被驗證。

4. 斷言

JUnit 5、TestNG這些單測框架都有自己的斷言，提供了基礎的API，基本能滿足全部斷言需求。但其缺點是不對各類資料做邏輯封裝，比如判斷一個String是否以"abc"開頭，需要我們自己去實現。除了自帶的斷言，第三方斷言工具中比較流行的是AssertJ和HamCrest。HamCrest並不是一個只針對單元測試的庫，只是其中豐富的匹配器特別適合和斷言配合使用。而AssertJ同樣提供了豐富的API，不僅涵蓋了基礎型別、異常、日期、soft斷言，還對DB、Stream、Optional等提供了支援。其流式斷言的風格不僅使程式碼更加精簡優雅，還增強了程式碼的可讀性。對於AssertJ API的例子可以參考此處。

5. 測試覆蓋率

單元測試中我們主要關注：

語句覆蓋率
分支覆蓋率

我們可以在pom中加入一些maven外掛來幫助我們產生測試覆蓋率報告。常用的測試覆蓋率報告外掛有：

JaCoCo
clover
cobertura

以cobertura舉例，執行mvn cobertura:cobertura後，report會產生在${project}/target/site/cobertura/index.html。

ATDD

ATDD全稱Acceptance Test Driven Development，驗收驅動測試開發。主要是由QA編寫測試用例。根據驗收方法和型別的不同，ATDD又包含了BDD（Behavior Driven Development）、EDD（Example Driven Development），FDD（Feature Driven Development）、CDCD（Consumer Driven Contract Development）等各種的實踐方法。

TDD及單元測試最佳實踐

TDD：What？Why？How？

UTDD（單元測試驅動開發）

1. 單元測試核心原則

2. 測試框架

總體架構

Test設定

停用測試

套件/分組測試

異常測試

引數化測試

依賴測試

並行測試

3. Mock

基本概念

Mock原理

Mock框架

4. 斷言

5. 測試覆蓋率

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基本概念

Mock原理

Mock框架

4. 斷言

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