单元测试与重构

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导读

本文通过讨论测试的必要性以及对比“蛋卷“和“金字塔”两种测试模型，得到越底层的测试应该写得越多的结论，从而得出单元测试的重要性。之后介绍了较为流行的测试驱动开发和如何写好代码，最后介绍了重构相关知识。

通过本文可对单元测试的重要性加深印象，对单元测试即是开发工作中的一个重要环节加以理解。并对如何提升代码质量和写好单元测试提供了扩展学习资料。

01

谁在做测试

开发人员肯定对“测试”工作的必要性不会产生疑问，但是对于“测试”由谁来做这个问题，相信很多人的第一直觉会是“测试不就应该是由测试人员做的事吗”。

事实上，开发人员在交付测试之前都会进行一些基本的测试，确保提交的代码是无误的，尽管你可能不认为这个是在做“测试”工作。

作为测试人员，其实只能站在系统外部做功能特性的测试，而软件是由诸多内部单元和模块所构成的，外部测试只能保证功能的准确性，但其实很难覆盖所有的分支和流程。

试想一下，你购买的一部分汽车，所有的零部件都未经过测试，只有组装完成后由质检员试开一圈，然后交付给你，你会购买这部汽车吗？但是，在软件工程当中，这种场景时时刻刻就在身边发生。

重要概念：

软件开发的成本会随着软件开发阶段逐步增加，也就是说尽早发现问题的修复成本是最低的，能在需求阶段发现就不要拖到开发阶段，能在开发阶段发现的就不要拖到测试阶段，如果上线后才发现问题，那很可能会演变成一场生产事故。

重要思想：

质量内建（Build quality in），其思想大意为，产品质量不是检测出来的，而是从它诞生的那一刻起就已经在那了。对于软件开发来讲，内建要求开发人员做好软件开发每个环节，尽早预防，以降低缺陷出现后的修复成本，要减少对创可贴式的补丁（hotfix）的依赖。更为理想的情况是软件质量贯穿开发的全流程，从需求开始的每个环节将“测试”纳入考量，产品经理确定验收标准，开发人员交出开发者测试。

所以，对于开发人员来说，只有在Coding时把Test也做好，才有资格说交付了高质量的代码，即测试也是开发人员工作中不可分割的一部分。那些在说因为需求比较紧急，所以没来得及做测试的开发人员，有必要定义一下开发阶段的DoD了。

02

测试模型

可以将测试分成以下几个部分：

1、关注最小程序模块的单元测试

2、将多个模块组合在一起的集成测试

3、将整个系统组合在一起的系统测试

以上这些不同类型的测试由上到下，覆盖面越来越高，那么这些不同的测试，开发人员应该怎么搭配更合适呢？

1. 蛋卷模型

一种方法认为，既然高层次的测试覆盖面广，那就多写高层测试，比如系统测试；对于高层次无法覆盖的场景，再由低层次的测试进行补充，比如单元测试；这样就形成了下面这种测试模型：

图一 蛋卷模型（图片源自于网络）

其实这就是很多团队目前的现状，这是一种费事费力的模型。

2.金字塔模型

相比于蛋卷模型，金字塔模型是目前的行业最佳实践。（该模型参考Martin Fowler 的博客TestPyramid）。

想要理解金字塔模型，就要理解不同层次测试间的差异，越是底层的测试，牵扯到相关内容越少，而高层测试则涉及面更广。比如单元测试，只关注一个单元，开发完成即可进行测试；而集成测试则是要把好几个单元组装再一起进行测试，测试通过的前提就是每个单元都正确；系统测试则更复杂，集成好所有模块和单元后，甚至还要维护好基础数据才能进行测试。另外，涉及的模块或单元越多，当其中一个发生变化时可能所有的高层测试都会牵涉其中，复杂度进一步提升，定位问题也会比较复杂。反观低层次的测试，因为涉及内容较少，更容易写测试，一旦出现问题，也比较容易定位。

图二 金字塔模型（图片源自于网络）

所以，测试金字塔的重点就是越底层的测试应该写得越多。那么为什么一些开发人员的单元测试写起来这么难？这个问题后面会有答案。

03

测试驱动开发

什么时候写测试？

对于这个问题，大部分开发者会说“肯定是写完代码之后再写测试”，这么说没有错，但是既然测试是程序员要做的工作之一，那么能不能先写测试再写代码呢？开发者脑海中肯定是浮现了一个词TDD（Test Driven Development），TDD 就是先写测试后写代码，然而这个理解是错误的，先写测试后写代码的实践应该是“测试先行开发（Test Frist Development）”，虽然只差了一个词“驱动”，那这两个词之间有什么区别呢？想要理解测试驱动开发，就要理解什么是“驱动”，也就是TFD和TDD的差别。

图三 测试驱动开发

如上图，测试先行开发和测试驱动开发，在第一步先写测试，第二步写代码使测试通过，这两步是一样的，区别点在于第三部分“重构”，也就是说测试驱动开发在开发完成，测试跑通之后，还需要再次回到代码上“重构”，因为刚刚只是让代码跑起来了，设计上还有可改之处，新增代码往往存在很多“坏味道”，而重构则是消除坏味道的手段，一旦有了测试，就可以大胆的进行重构，因为任何错误都可以很容易的被捕捉到。

平时总能听到“这段代码是有问题，但是现在不敢改”、“这段代码不敢动，所以复制了一份在此基础上进行增改”等等这样的话，这些问题总归来讲，就是没有做好单元测试。

测试驱动设计

很多开发人员排斥单元测试，常见有两个理由：需要“额外”的工作量，时间不够；代码太多不好测。第一点，上面已经提过，测试就是开发人员工作的一部分；第二点，细想一下会发现，其实说的是代码已经写完了，需要后补测试。

如果把“先写代码，后补测试”转换成：先写测试，写代码是为了让测试通过，写出的代码天然具备可测性，是不是就变得简单了呢？

在实际开发工作中，经常能见到长达100行及以上的函数/方法，这种代码绝大部分开发者会说不具备可测性。如果写代码时时刻想着可测性，是为了让测试通过，开发者再写这么长行数的代码都难。了解编写可测试代码的思路，即便不做 TDD，依然对改善软件设计有着至关重要的作用。所以，写代码之前，请先想想怎么测。

至于如何写好代码，可参考《代码整洁之道》。

04

简单测试

上面遗留了一个问题，为什么开发人员的测试写起来这么难呢？这个问题和开发者写出来长达100行的方法有着直接的关联，因为它太过于复杂了。只有将复杂的测试拆分成简单的测试，测试才有可能做好。

《代码整洁之道》有个很重要的原则：只做一件事。函数、类、模块，都全神贯注一件事。软件设计的许多原则最终都会归结为这句警句 。当定义的方法明明是getXXX，却改变了入参的属性；当定义方法时即有返回值，又改变了入参时；当在一个for循环里，改变两个值.....都在违反这一重要的原则。

既然测试也是用代码写的，那么如何保证测试代码的准确性呢？只有一个方法：把测试写简单，简单到一目了然，不需要证明它的正确性。

一种测试常见的坏味道是没有断言！这种测试就从来没失败过，一看代码竟然是print，这种测试最多也就能证明你曾经debug过这段代码。另一种是有断言，通常是assert 不等于0，true/false一类，看似没问题，但是如果真失败了，需要把调用代码读一遍，甚至debug才能定位到错误。还有一类测试，只能在编写测试时正常执行，后续其他开发人员将代码clone下来，无论如何也不能再次正常运行。

《单元测试之道》中总结道，好的测试应该遵循A-TRIP原则：

• Automatic，自动化
• Thorough，全面，应该尽可能用测试覆盖各种场景
• Repeatable，可重复的
• Independent，独立的
• Professional，专业的

另外，关于如何测试，也有个[Right]-BICEP缩写：

• Right – Are the results right? 结果是否正确？
• B – are all the boundary conditions correct? 所有边界条件都是正确的么？
• I – can you check the inverse relationships? 能否检查一下反向关联？
• C – can you cross-check results using other means? 能够使用其他手段交叉检查一下结果？
• E – can you force error conditions to happen? 是否可以强制错误条件产生？
• P – are performance characteristics within bounds? 是否满足性能要求？

其中边界测试有个CORRECT的缩写：

• Conformance（一致性）：值是否和预期一致。可以理解为当输入并不是预期的标准数据时，被测试方法是否可以正确输出预期结果（或抛出异常）。
• Ordering（顺序性）：值是否像应该的那样是无序或有序的。
• Range（区间性）：值是否位于合理的最小值和最大值之间。
• Reference（依赖性）：代码是否引用了一些不在代码本身控制范围之内的外部资源，当这些外部资源存在或不存在、满足或不满足时，代码是否可以产生相应的预期结果。
• Existence（存在性）：值是否存在（是否为null、0、在一个集合中）。测试方法是否可以处理值不存在的情况。
• Cardinatity（基数性）：是否恰好有足够的值。这里的基数指的是计数，测试方法是否可以正确计数，并检查最后的计数值。
• Time（相对或绝对时间性）：所有事情的发生是否是有序的、是否在正确的时刻、是否恰好及时。与时间相关问题有：相对时间（时间上的顺序）、绝对时间（消耗的时间和钟表上的时间）、并发问题。例如：方法调用的时间顺序、代码超时、不同的本地时间、多线程同步等。

05

重构

"Any fool can write code that a computer can understand. Good programmers write code that humans can understand."

任何傻瓜都可以编写计算机可以理解的代码。优秀的程序员会编写人类可以理解的代码。

本质上讲，重构是为了改进已有软件/代码的设计，使软件更易于维护；也就是说，在不改变系统/代码的外部行为前提下，以改进其内部结构的方式改变软件系统的过程，使其更易于理解且修改成本更低。

1、何时重构

《重构》中提到的三次法则，大意为：事不过三，三则重构。结合到日常开发工作中，可以在以下几个节点进行：

• 添加功能时一并重构
• 修复BUG时一并重构
• 代码评审时一并重构

是不是有些情况，也不适合重构？通常来讲，如果重构的现有代码过于混乱，重构的成本过高，甚至重来要比重构还要容易则不再适合重构。另外，应尽量避免在临近最后时间点时进行重构，以免推迟计划，这种情况更适合将重构当成一项新的任务进行。

2、常见坏味道

• 重复代码
• 大方法
• 大类
• 方法参数列表过长

对于如何做好重构，可参考Martin Fowler著作《重构》。