研发效能之单元测试理论与实践

单元测试的理论概念

Definition

一个单元测试就是一段代码，这段代码会调用另一段代码，然后检验某种假设的正确性。如果假设是成立的，单元测试就成功了。如果假设不成立，则算失败。

从Unit Test调用开始到结束，系统发生的所有行为总称为一个工作单元，小到一个方法，大到很多个类。


对于被测试的对象，统一被称为SUT (System Under Test)，也可以称为CUT(Code Under Test)。


对于单元测试中的假设，是对执行结果的一次推断，执行结果可能是以下形式:

  • 被调用的方法的返回值
  • 方法被调用后引起的系统状态或行为变化
  • 方法被调用后引起对下游的调用

那么对于以上结果，我们分别可以进行以下推断:

  • 假设返回值等于期望值
  • 假设系统状态或行为变化为期望结果
  • 假设哪些下游系统被调用


Code Coverage

代码覆盖率是衡量单元测试的一个指标，形容代码覆盖程度。

最常用的代码覆盖率的度量方式有以下:

  • Statement Coverage

​ 又称为行覆盖率 、 段覆盖率 、 代码块覆盖率。

​ 这是最常用也是最常见的一种覆盖方式，就是度量被测代码中每个可执行语句是否被执行到了。

​ 可执行语句也就意味着不包含头文件、代码注释、空行等。


  • Decision Coverage & Condition Coverage

​ 判定覆盖和条件覆盖这两种很接近，所以放到一起。

​ 判定覆盖度量程序中每一个判定分支是否被执行到。

​ 条件覆盖度量包含子表达式覆盖情况。


  • Path Converage

​ 度量函数每一个分支是否被执行到。



demo:

int foo(int a, int b)
{
    int nReturn = 0;
    if (a < 10)
    {// 分支一
        nReturn += 1;
    }
    if (b < 10)
    {// 分支二
        nReturn += 10;
    }
    return nReturn;
}
TestCase a = 5, b = 5   nReturn = 11
语句覆盖率100％
 
TestCase1 a = 5,   b = 5     nReturn = 11
TestCase2 a = 15, b = 15   nReturn = 0
判定覆盖率100％

TestCase1 a = 5,   b = 15   nReturn = 1
TestCase2 a = 15, b = 5     nReturn = 10
条件覆盖率100％

TestCase1 a = 5,    b = 5     nReturn = 11
TestCase2 a = 15,  b = 5     nReturn = 10
TestCase3 a = 5,    b = 15   nReturn = 1
TestCase4 a = 15,  b = 15   nReturn = 0
路径覆盖率100％

可以看到路径覆盖率最靠谱，行覆盖率度量不了分支情况，而判定覆盖率和条件覆盖率效果没有路径覆盖率好。

最后对于覆盖率这回事，有以下建议：

  • 不要盲目追求覆盖率高，而是要提高case全面性
  • 不要为了提高覆盖率写没有意义的case
  • 覆盖率的卡点应该分应用，标准不应该一样


Jacoco

我们可以通过Jacoco来度量覆盖率，接入非常简单。

在maven中加入plugin如下:

            <!-- Runs JUnit tests under code coverage and creates a coverage report (target/site/jacoco/index.html). -->
            <plugin>
                <groupId>org.jacoco</groupId>
                <artifactId>jacoco-maven-plugin</artifactId>
                <version>0.8.5</version>
                <executions>
                    <execution>
                        <id>default-prepare-agent</id>
                        <goals>
                            <goal>prepare-agent</goal>
                        </goals>
                    </execution>
                    <execution>
                        <id>default-report</id>
                        <goals>
                            <goal>report</goal>
                        </goals>
                    </execution>
                    <execution>
                        <id>default-check</id>
                        <goals>
                            <goal>check</goal>
                        </goals>
                        <configuration>
                            <rules>
                                <rule>
                                    <element>BUNDLE</element>
                                    <limits>
                                        <limit>
                                            <counter>COMPLEXITY</counter>
                                            <value>COVEREDRATIO</value>
                                            <minimum>0.80</minimum>
                                        </limit>
                                    </limits>
                                </rule>
                            </rules>
                        </configuration>
                    </execution>
                </executions>
            </plugin>

public class CalculatorTest {

    @Test
    public void test3() {
        Calculator calculator = new Calculator();
        int expectedResult = 1;
        int actualResult = calculator.foo(5, 15);
        Assertions.assertEquals(expectedResult, actualResult, "test1测试结果不符合期待,应该返回1");
    }

    @Test
    public void test4() {
        Calculator calculator = new Calculator();
        int expectedResult = 10;
        int actualResult = calculator.foo(15, 5);
        Assertions.assertEquals(expectedResult, actualResult, "test1测试结果不符合期待,应该返回10");
    }

}

我们用上面的案例，运行jacoco试试 ， 在Terminal 输入 mvn clean verify ，然后查看报告。

image.png
image.png


Practical-test-paramid

Martin Fowler 在practical-test-pyramid中提出测试金字塔的概念 。

image.png

对于研发交付流程，对研发质量测试投入精力的优先级顺序应该是:

  1. Unit Tests
  2. Service Tests
  3. User Interface Tests

Unit Test 发现问题最早 ，投入的成本最小 ， 执行速度最快。所以从效能的角度来看，单元测试无疑是一个比较关键的角色。


单元测试的必要性

上面提到了测试金字塔，所以单元测试的必要性之一就是提高效能。

我能想到的必要性有这些:

  • 团队效能提升
    • 通过单测带来测试阶段的左移，及早发现问题，还有对于边界条件、执行结果的验证越齐全，联调的质量就会更高。
    • 通过行、分支覆盖率等实验室卡点，可以把控研发到交付过程中的代码质量，提高长期效能收益。
  • 带来重构的信心和保障
    • 单元测试做的越好，重构发现问题越精准，人们才会有更大的信心重构，这部分的作用不容小觑，很多开发都有优化代码的追求，却被代码现有的质量情况劝退，所以从这一点上来说，单元测试会带来良性的雪球效应，质量越高优化活动便会越容易产生。
  • 改进实现
    • 在单元测试编写过程中，如果感到很吃力，或者执行效果不佳，开发就会意识到代码设计是有问题的，然后进行优化，进一步，我们也可以尝试用TDD的思想驱动编码。
  • 通过BDD思想将期望的行为文档化
    • 基于BDD的思想，我们可以用Given、When、Then来形容一次调用，这样的好处是单测的方法可以表达行为意图，首先可以帮助新人从单测上了解业务，其次在重构时也可以针对性的进行回归。个人认为这里只适合借鉴BDD命名的思路，而不会和产品业务有任何交互。
  • 架构建设
    • 单元测试对于效能质量上的帮助，可以使核心应用的拆分合并变得更友好，利于开展架构发展工作。


优秀的单元测试实践

单元测试的作用取决于编写的质量，一个优秀的单元测试可以参考以下准则:

  • 一个单元测试只验证一种case，保证验证逻辑的单一原则。

    • 如果是方法，圈复杂度中每一个分支都应该有独立的case。
    • 如果是类，每一个public方法都应该有独立的case。

  • 可以重复执行，结果具有稳定性，每一次执行都会得到相同的结果。

    • 相反就是潮汐单测，时而成功，时而失败。

  • 执行速度快 。

    • 单个case不超过200ms
    • 单个套件不超过10s
    • 单个project不超过10分钟

  • 单元测试之间没有调用。

  • 单元测试之间没有执行顺序要求。

  • 单元测试具有原子性，要么成功要么失败。

  • 单元测试没有网络依赖

    • 如果有外部依赖，mock端口来回放内部。
    • 如果有mysql访问，用d2代替。

  • 单元测试边界条件检查良好、逻辑分支覆盖良好。

  • 命名精准、表达意图强。

    • 推荐以Given、When、Then的方式表达。

  • 结构清晰，可读性强。

    • 每一个unit test看起来应该是封装成三小段代码，Given 一个前提 ，When 真正调用 ， Then 验证结果。如下:

    • @Test
public void should_return_smart_phone_when_query_request_given_a_valid_id() {
    insertIntoDatabase(new Product(100, "Smartphone"));

    Product product = dao.findProduct(100);

    assertThat(product.getName()).isEqualTo("Smartphone");
}

  • 用actual* 、 expected* 来命名执行结果与期望值。

    对比感受一下

    // Don't
ProductDTO product1 = requestProduct(1);

ProductDTO product2 = new ProductDTO("1", List.of(State.ACTIVE, State.REJECTED))
assertThat(product1).isEqualTo(product2);

    // Do
ProductDTO actualProduct = requestProduct(1);

ProductDTO expectedProduct = new ProductDTO("1", List.of(State.ACTIVE, State.REJECTED))
assertThat(actualProduct).isEqualTo(expectedProduct); // nice and clear.

  • 单元测试代码存放结构

    • 保持maven结构即可，将测试代码与被测试代码保持同一个package路径即可。如下

      ── pom.xml
└── src
    ├── main
    │   ├── java
    │   │   └── com
    │   │       └── javadevelopersguide
    │   │           └── junit
    │   │               └── Calculator.java
    │   ├── resources
    └── test
        ├── java
        │   └── com
        │       └── javadevelopersguide
        │           └── junit
        │               └── CalculatorTest.java
        └── resources

  • Fixture 复用

    • 将创建对象行为封装、减少case创建成本 ，同样对比一下

      // Don't
@Test
public void categoryQueryParameter() throws Exception {
    List<ProductEntity> products = List.of(
            new ProductEntity().setId("1").setName("Envelope").setCategory("Office").setDescription("An Envelope").setStockAmount(1),
            new ProductEntity().setId("2").setName("Pen").setCategory("Office").setDescription("A Pen").setStockAmount(1),
            new ProductEntity().setId("3").setName("Notebook").setCategory("Hardware").setDescription("A Notebook").setStockAmount(2)
    );
    for (ProductEntity product : products) {
        template.execute(createSqlInsertStatement(product));
    }

    String responseJson = client.perform(get("/products?category=Office"))
            .andExpect(status().is(200))
            .andReturn().getResponse().getContentAsString();

    assertThat(toDTOs(responseJson))
            .extracting(ProductDTO::getId)
            .containsOnly("1", "2");
}

      // Do
@Test
public void categoryQueryParameter2() throws Exception {
    insertIntoDatabase(
            createProductWithCategory("1", "Office"),
            createProductWithCategory("2", "Office"),
            createProductWithCategory("3", "Hardware")
    );

    String responseJson = requestProductsByCategory("Office");

    assertThat(toDTOs(responseJson))
            .extracting(ProductDTO::getId)
            .containsOnly("1", "2");
}

  • 异常验证使用注解或者推断

        @Test(expected = InstitutionDecisionException.class)
    public void testXx(){}

        @Test
    void exceptionTesting() {
        Exception exception = assertThrows(ArithmeticException.class, () ->
            calculator.divide(1, 0));
        assertEquals("/ by zero", exception.getMessage());
    }

  • Suite 套件

    @RunWith(Suite.class)
@Suite.SuiteClasses({
  LoginServiceTest.class,
  UserServiceTest.class,
})
public class SuiteTest {
}

  • DisplayName 注释

        @Test
    @DisplayName("alias")
    public void testXx() {}
  • 尽可能把握mock的度，mock有利有弊

  • 使用一些AssertJ之类的断言api

    assertThat(actualProduct)
        .isEqualToIgnoringGivenFields(expectedProduct, "id");

assertThat(actualProductList).containsExactly(
        createProductDTO("1", "Smartphone", 250.00),
        createProductDTO("1", "Smartphone", 250.00)
);

assertThat(actualProductList)
        .usingElementComparatorIgnoringFields("id")
        .containsExactly(expectedProduct1, expectedProduct2);

assertThat(actualProductList)
        .extracting(Product::getId)
        .containsExactly("1", "2");

assertThat(actualProductList)
        .anySatisfy(product -> assertThat(product.getDateCreated()).isBetween(instant1, instant2));

assertThat(actualProductList)
        .filteredOn(product -> product.getCategory().equals("Smartphone"))
        .allSatisfy(product -> assertThat(product.isLiked()).isTrue());

        @Test
    fun `grouped assertions`() {
        assertAll("Person properties",
            { assertEquals("Jane", person.firstName) },
            { assertEquals("Doe", person.lastName) }
        )
    }

  • 断言信息描述清晰一些

    // Don't 
assertTrue(actualProductList.contains(expectedProduct));
assertTrue(actualProductList.size() == 5);
assertTrue(actualProduct instanceof Product);

    像上述这种case失败以后，一眼是看不出来原因的，报错信息很坑。

    两种办法

    • 使用AssertJ之类的

      // Do
assertThat(actualProductList).contains(expectedProduct);
assertThat(actualProductList).hasSize(5);
assertThat(actualProduct).isInstanceOf(Product.class);

    • 加错误提示

      // Do 
assertTrue(actualProductList.contains(expectedProduct) , "xxxxxxx");
assertTrue(actualProductList.size() == 5 , "xxxxxx");
assertTrue(actualProduct instanceof Product , "xxxxxxx");

  • Spring应用对外部依赖mock处理

        @MockBean
    InstitutionDecisionFacade institutionDecisionFacade;
    
    private void mock(){
    
        LoanDecisionResponse response = new LoanDecisionResponse();
        LoanDecisionInfoDTO loanDecisionInfoDTO = new LoanDecisionInfoDTO();
        loanDecisionInfoDTO.setHasAvailableInstitution(true);
        loanDecisionInfoDTO.setInstitutionCode(InstitutionTypeEnum.ALIBABA.name());
        loanDecisionInfoDTO.setLoanFundPlanNo("mock loanFund");
        response.setDecisionNo("decisionNo mock");
        response.setDecisionInfo(loanDecisionInfoDTO);
        response.setSuccess(true);
        when(institutionDecisionFacade.loanDecision(any())).thenReturn(response);
    }

  • 对参数的captor验证

        @Captor
    private ArgumentCaptor<LoanDecisionRequest> loanInstitutionDecisionRequestArgumentCaptor;

 
    private void thenCheck(){
                 verify(institutionDecisionFacade).loanDecision(loanInstitutionDecisionRequestArgumentCaptor.capture());
        LoanDecisionRequest loanDecisionRequest = loanInstitutionDecisionRequestArgumentCaptor.getValue();

        assertEquals(loanDecisionRequest.getProduct(), ProductTypeEnum.SAMPLE_PRODUCT.name());
        assertEquals(loanDecisionRequest.getTenant(), InstitutionTypeEnum.ALIBABA.name());
        assertEquals(loanDecisionRequest.getAmount(), BigDecimal.valueOf(2000L));
        assertEquals(loanDecisionRequest.getCurrency(), "CNY");
        assertEquals(loanDecisionRequest.getLoanType(), "LOAN");
        assertEquals(loanDecisionRequest.getUser().getUserId(), "1000");
        assertEquals(loanDecisionRequest.getUser().getUserType(), CustomerTypeEnum.ALI.name());
        assertEquals(loanDecisionRequest.getUser().getNativeUser(), null);
        assertEquals(loanDecisionRequest.getCustomerProfile().getCifNo(), Long.valueOf(3000));
    }

  • Before After setup处理

    • 将初始化和mock行为可以放到before流程，释放放到after流程。

          @Before
    public void init() {
        TmfTestUtil.register(InstitutionDecisionDomainService.class.getPackage().getName(),
            "com.alibaba.fin.tfp.solution.functions.institution.decision");
    }
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