单元测试实践的主要问题与解决

转载于：http://blog.csdn.net/dellfox/article/details/7018181

本文是我在“第十届中国系统与软件过程改进年会广东会场”所作演讲的整理稿，主要分享单元测试的一些要点、单元测试实践的主要问题，以及如何来解决这些问题。

一、 单元测试概述

1.1 什么是单元测试

单元测试，就是针对代码单元的独立测试。为什么需要单元测试呢？这是代码的基本特性决定了的。代码有一个基本特性，就是对数据分类处理。

代码通常会有很多的判定。一个判定，就是一次分类。嵌套的判定，会使分类次数的翻倍。

如果我们在写代码的时候，有一个分类漏掉了，就会产生一个Bug；如果一个分类，虽然写了代码，但是处理不正确，也会产生一个Bug。一个函数要没有错误，必须做到两点：1，对数据的分类必须完整；2，每一个分类的处理必须正确。做到了这两点，就可以说，代码的功能逻辑是正确的。

那么，如何检测代码的功能逻辑是否正确呢？

调试，是临时的，且不完整的，例如，一个函数有十种输入，调试能覆盖五六种就不错了。而系统测试，并不针对某个具体的函数，不关注某个函数的功能逻辑是否正确。

要检测某个函数的功能逻辑，就必须要依照分类列出数据，检测代码是否对每一个分类都做了处理，而且每一个分类的处理是否正确。

——这就是单元测试。

1.2 单元测试的基本方法

由上面的分析可以看出，单元测试的基本方法就是：依数据的分类列出输入，执行被测试程序，然后，判断输出是否符合预期。

单元测试能达到什么样的效果呢？那就是：无论别人怎么样，我总是对的！

这里的“别人”，是指关联代码。“我”，是指当前正在编写或测试的代码。单元测试要做到的是，无论关联代码是否有错，都要保证我是对的。具体来说，我要考虑关联代码会产生什么样的数据，这些数据要如何分类处理，只要我的分类和处理是正确的，那么，无论别人怎么样，我总是对的。

1.3 单元测试的效益

单元测试的效益可以说是立竿见影，并且会推动整个开发过程的改进。

首先，单元测试可以保证代码的质量。因为只有单元测试，能够全面检测代码单元的功能逻辑，排除代码中大量的、细小的错误。

其次，排错成本最小。如果在编码阶段同时进行单元测试，排错成本可以忽略不计。但若到了后期，排错成本可能会增长上百倍，要是产品已经到了用户手里，那造成的损失就更难说了。

第三，提升开发效率。单元测试可以让程序行为一目了然，也就是程序行为可视化。什么叫程序行为呢？就是什么输入下，会执行哪些代码，会产生什么输出。如下图，黑色的代码是当前输入下所执行代码。

如果我们写几行代码，就可以看到程序的行为，相当于写文章时上下文可见，这可以促进我们的开发思维。如果我们的思维有了偏差，也可以及时发现。如果代码中有了错误，也可以随时排除。

那么，是不是整个项目的所有代码都做了单元测试，才能得到这些效益呢？不是的。80:20规则，在软件开发过程中也存在。也就是说，80%的代码错误，可能存在于20%的代码中；80%的编码、调试成本，可能会消耗在20%的代码上。这20%，就是算法密集度高的代码，也就是功能逻辑复杂的代码。

这些代码可能只有20%，但是却可能包含了80%的错误，消耗了80%的编码、调试时间，即使只对这部分代码进行单元测试，在提升产品的质量和开发效率方面，也会产生立竿见影的效果。

第四，自动回归。如果没有单元测试，系统测试发现了错误，当然要修改代码，而修改代码可能引入新的错误，又要进行全面的系统测试，这样就可能陷入循环，这通常也是项目延期的主要原因。

如果有了单元测试，修改代码时可以通过回归测试马上检测是否引入了新的错误。所谓回归，就是回复到原来正确的状态。

正是回归测试，使单元测试对整个开发过程的改进都产生积极影响，使项目适应频繁变化的需求。单元测试是敏捷开发的基础和核心，反过来说，有了单元测试，开发过程会自动趋于敏捷。单元测试也降低了后期测试的压力。

二、 单元测试实践的主要问题

单元测试有个特点：测试简单独立的代码很容易，但要在实际工作中做好单元测试却很困难。

根据我们的经验，企业在实施单元测试时，通常会面对四大问题——

• 不愿做：程序员没有单元测试习惯。
• 没时间：编写测试代码需要耗费大量的时间，项目的周期可能不允许。
• 做不了：代码具有较高的耦合性，使单元测试难以进行。
• 做不好：测试效果不能令人满意。我们通常会以覆盖率来衡量测试效果，但要实现高标准的测试覆盖很困难。

三、 解决思路和方法

如何解决上述问题呢？接下来，谈谈一些思路和方法，使用的工具是Visual Unit。Visual Unit，简称VU，是可视化的C/C++单元测试工具。

3.1 如何解决“不愿做”和“没时间”

对于“不愿做”，我们采用的对策是可视化，这个可视化，是指程序行为可视，后面我会用案例来演示；对于“没时间”，采用的对策是自动化，通过自动生成测试代码、自动打桩等功能，让测试的时间成本最小化。这两者结合起来，就是ETDD开发模式。

那么，ETDD是什么呢？

首先来介绍一下TDD，TDD就是测试驱动开发，这个大家可能听得比较多了。ETDD就是Easy TDD，即：易行版的TDD。ETDD具有以下一些特点：

• 可视化，在开发过程中，程序行为可视。
• 自动化，除了测试数据需要人工设定外，其他基本上都自动完成。
• 现实化，不一定要测试所有代码，在开始阶段，可以只测试功能逻辑复杂的20%代码。

下面，我用一个案例，讲解一下ETDD的过程：

假如我要编写一个函数，它的功能是删除字符串左边的空格。

先写好函数的框架，能通过编译就行。在编写代码前，程序员必须要做的一件事情，是想清楚代码的功能。如果我们想的时候，顺手把它记录下来，就可以让代码的功能更清晰、更明确。

我们现在来记录代码的功能。这里的记录，不是文字形式的宠统说明，而是数据形式的精确定义，也就是用输入和输出的方式来记录。
首先，记录最基本的功能，也就是最基本、最常见的输入和输出。输入一个左边有空格的字符串，输出是删除左边空格后的字符串，返回值跟参数的输出是一样的。

然后，记录详细的功能。例如，左边没有空格的，全是空格的，还有空字符串。

把每种输入的正确输出也记录一下。完成了这个工作后，代码的功能就完全定义下来了。

现在，我们开始编写代码。我的编码思路是这样的：分为两步，第一步计算左边的空格数量；第二步，将非空格的字符向左移动，覆盖掉左边的空格。

以下几行代码，计算左边的空格，现在编译一下。CTRL+F7。如果编译通过，测试就会自动运行。

我们可以看到，输入是什么，执行了哪些代码，产生了什么输出。这里，黑色的是当前输入下所执行的代码，未执行的话会显示为红色。这里全是黑色，表示当前输入下执行了全部代码。如果我们想看一下计算左边空格的结果对不对，这是内部的数据，要指定位置后才会打印出来。按ESC键回到开发环境。

用这种语法可以输出内部数据，适合于程序员开发过程中使用。复杂类型也可以用同样的语法输出。

另一种输出内部数据的语法是，在左边的代码窗口，在要输出的位置点击一下，右键菜单选择“输出内部数据”，这样填一下就行了。这种方式不会修改产品代码，适合于测试员使用。

再次执行后，可以看到，左边的空格的数量是4，这是对的，那我们可以继续编写。


（待续）

新加的这几行代码完成字符串的移动。这样，代码基本上写完了，结果对不对呢？CTRL+F7编译一下。

结果是完全不对的。我们来分析一下，输入是这个，全部代码都是黑色，表示都执行到了，跟我设想的一样。问题在哪里呢？

看一下计算左边空格的代码，经过计算后，指针偏移了，所以后面的计算，使用的是不正确的指针。

我们把指针先保存一下，第二次计算前再恢复回来。看看结果怎么样。

现在，参数的输出是正确的了。但是，返回值还是不对，返回值应该跟参数一样。分析一下，经过这里的计算后，指针再次偏移了，返回前没有恢复，所以，返回的是不正确的指针。

返回前，再次把指针恢复。看看结果。

现在，结果是正确的了。看一下测试结果，还有一个异常。

点击它，可以看到，是空指针产生了这个异常，我们的代码没有对空指针进行处理。在这里，可以很清晰的看到代码的执行状况。前面三行是黑色的，第四行开始都是红色的，表示代码只执行到第三行，也就是说，第三行产生了异常。

添加处理空指针的代码。

现在，代码写完了，单元测试也同步完成了。

我们来回顾一下ETDD过程：跟传统开发模式相比，ETDD多付出的，是把以前仅在头脑里想的代码功能记录下来，从而精确地、完整地进行代码的功能设计。

ETDD所得到的，是在编写代码的过程中，随时可以看到代码的行为，这可以让我们的编码过程变得轻松，而且也基本上不用调试，大家知道，调试，是最花费时间的。

另一方面，只要这里设定的数据是完整的，那么，我们的代码就没有问题。将来，如果需要修改代码，只要重新执行一下测试，就可以知道是不是破坏了原有的功能。

小结：ETDD通过可视化来帮助程序员轻松地编写程序，单元测试不再是一个负担；ETDD通过自动化，使程序员只需要在考虑代码功能时顺手记录一下，其他工作都由工具完成。ETDD提升了编码的效率，也省略大部分调试，从而大幅提升了生产力。

3.2 如何解决“做不了”

上面我们只是用一个独立的函数来演示ETDD过程。在实际的工作中，代码之间通常是互相依赖的，这种依赖关系会造成测试难于进行，这就是“做不了”的问题。

我们首先来分析一下。“做不了”主要是指可测性问题。可测性问题的核心是内部输入。在解释内部输入前，我们先来看一下一般的输入：外部输入。

外部输入是指在被测代码的外部可以设定的输入，包括参数、成员变量、全局变量。外部输入一般可以直接设定。

单元测试的核心难点在于内部输入，什么是内部输入呢？
像下面这个例子，这两个数据，都是在被测试代码的内部，通过调用关联代码来取得，也就是内部取得的数据。对于内部取得的数据，代码要如何处理呢？跟参数一样，也是分类处理。因此，测试时也要分类检测，这就是内部输入。

内部输入有六种情形，我们利用工具都可以处理。

解决内部输入的主要方法有打桩、模拟对象、底层模拟。
先来介绍打桩。桩就是代替真实代码的一些代码。桩的功能主要有隔离、补齐和控制。可以通过编写桩代码，来解决内部输入问题。这是桩的控制功能。

用打桩来解决内部输入，有一些问题：一是编写桩代码增加了工作量；二是内部输入和外部输入分离，难于管理；三是只能解决部分内部输入问题。例如，要在一个用例中多次调用同一关联函数，要求每次输出不同，桩代码就很难做到。

解决内部输入的另一个方法是模拟对象，这个比较复杂，另外，对于C和C++也不太适用。我们可以采用底层模拟来解决内部输入问题。

底层模拟有三个特点：一是内部输入与外部输入一起管理；二是不需要考虑关联代码的状态，无所关联代码是否存在，是否隔离，都可以直接使用；三是不需要编写代码。

下面我也用一个案例来讲解一下底层模拟。这个示例，是一个空调控制程序。

代码的功能，是首先取得环境的温度，然后与预设的目标温度比较，计算出温度差，温度每差一度，制冷器运行60秒。

首先，我们设定外部数据。假设，预设的目标温度是25度，是这个全局变量，设为25。返回值为1，表示操作成功。假设环境温度是28度，那么，制冷器应该运行180秒，这里填180。然后执行测试。

由于环境温度还没有设定，测试进行不下去。环境温度由这个函数来取得。即使这个函数可以正常工作，取到的环境温度也不可能满足我们的测试需求。我们可以用底层模拟来解决。