构筑测试体系

2023-12-23 本文已影响0人 JBryan

重构是很有价值的工具，但只有重构还不行。要正确地进行重构，前提是得有一套稳固的测试集合，以帮我发现难以避免的疏漏。编写优良的测试程序，可以极大提高我的编程速度，也许这会违反许多程序员的直觉。

1 自测试代码的价值

如果你认真观察自己如何分配时间，就会发现，编写代码的时间仅占有所有时间很少的一部分，有些时间花在设计上，有些时间用来决定下一步干什么，但是花费在调试的时间是最多的。修复bug通常是比较快的，但找出bug所在却是一场噩梦。
我需要做的就是把我所期望的输出放到测试代码中，然后做一个对比就行了。由于我频繁地运行测试，每次测试都在不久之前，因此我知道bug地源头就是我刚刚写下的代码。因为代码量很少，我对它也记忆尤新，所以就能轻松找出bug。
注意到这一点后，我对测试的积极性提高了。我不再等待每次迭代结尾时再增加测试，而是只要写好一个功能点，就立即添加她们。
说服别人也这么做并不容易，编写测试程序，意味着要写很多额外的代码。除非你确实体会到这种方法是如何提升编程速度的，否则自测试似乎就没什么意义。
事实上，撰写测试代码的最好时机是在开始动手编码之前。编写测试代码其实就是在问自己：为了添加这个功能，我需要实现些什么，编写测试代码还能帮我把注意力集中于接口而非实现。
先编写一个测试，编写代码使测试通过，然后进行重构保证代码整洁。这个“测试、编码、重构”的循环应该在每个小时内都完成很多次。这种良好的节奏感可使编程工作更加高效、有条不紊的方式开展。
有时我需要重构一些没有测试的代码，在重构之前，我得先改造这些代码，使其能够自测试才行。

2 如何编写单元测试

写单元测试就是针对代码设计各种测试用例，以覆盖各种输入、异常、边界情况，并将其翻译成代码。我们可以利用一些测试框架来简化单元测试的编写。除此之外，对于单元测试，我们需要建立以下正确的认知：

编写单元测试尽管繁琐，但并不是太耗时；
我们可以稍微放低对单元测试代码质量的要求；
覆盖率作为衡量单元测试质量的唯一标准是不合理的，实际上，更重要的是要看测试用例是否覆盖了所有可能的情况，特别是一些 corner case；
单元测试不要依赖被测代码的具体实现逻辑，只需要关注代码实现的功能即可；
单元测试框架无法测试，多半是因为代码的可测试性不好。

3 单元测试为何难以落地

很多人往往会觉得写单元测试比较繁琐，并且没有太多挑战，而不愿意去做。有很多团队和项目在刚开始推行单元测试的时候，还比较认真，执行得比较好。但当开发任务紧了之后，就开始放低对单元测试的要求，一旦出现破窗效应，慢慢的，大家就都不写了，这种情况很常见。
由于历史遗留问题，原来的代码都没有写单元测试，代码已经堆砌了十几万行了，不可能再一个一个去补单元测试。这种情况下，我们首先要保证新写的代码都要有单元测试，其次，每次在改动到某个类时，如果没有单元测试就顺便补上，不过这要求工程师们有足够强的主人翁意识（ownership），毕竟光靠 leader 督促，很多事情是很难执行到位的。
写好代码直接提交，然后丢给黑盒测试狠命去测，测出问题就反馈给开发团队再修改，测不出的问题就留在线上出了问题再修复。在这样的开发模式下，团队往往觉得没有必要写单元测试，但如果我们把单元测试写好、做好 Code Review，重视起代码质量，其实可以很大程度上减少黑盒测试的投入。

4 案例实战

实战内容来自《极客时间》专栏《设计模式之美》，有兴趣的可以看下原文。
Transaction 是经过我抽象简化之后的一个电商系统的交易类，用来记录每笔订单交易的情况。Transaction 类中的 execute() 函数负责执行转账操作，将钱从买家的钱包转到卖家的钱包中。真正的转账操作是通过调用 WalletRpcService RPC 服务来完成的。除此之外，代码中还涉及一个分布式锁 DistributedLock 单例类，用来避免 Transaction 并发执行，导致用户的钱被重复转出。

public class Transaction {
  private String id;
  private Long buyerId;
  private Long sellerId;
  private Long productId;
  private String orderId;
  private Long createTimestamp;
  private Double amount;
  private STATUS status;
  private String walletTransactionId;
  
  // ...get() methods...
  
  public Transaction(String preAssignedId, Long buyerId, Long sellerId, Long productId, String orderId) {
    if (preAssignedId != null && !preAssignedId.isEmpty()) {
      this.id = preAssignedId;
    } else {
      this.id = IdGenerator.generateTransactionId();
    }
    if (!this.id.startWith("t_")) {
      this.id = "t_" + preAssignedId;
    }
    this.buyerId = buyerId;
    this.sellerId = sellerId;
    this.productId = productId;
    this.orderId = orderId;
    this.status = STATUS.TO_BE_EXECUTD;
    this.createTimestamp = System.currentTimestamp();
  }
  
  public boolean execute() throws InvalidTransactionException {
    if ((buyerId == null || (sellerId == null || amount < 0.0) {
      throw new InvalidTransactionException(...);
    }
    if (status == STATUS.EXECUTED) return true;
    boolean isLocked = false;
    try {
      isLocked = RedisDistributedLock.getSingletonIntance().lockTransction(id);
      if (!isLocked) {
        return false; // 锁定未成功，返回false，job兜底执行
      }
      if (status == STATUS.EXECUTED) return true; // double check
      long executionInvokedTimestamp = System.currentTimestamp();
      if (executionInvokedTimestamp - createdTimestap > 14days) {
        this.status = STATUS.EXPIRED;
        return false;
      }
      WalletRpcService walletRpcService = new WalletRpcService();
      String walletTransactionId = walletRpcService.moveMoney(id, buyerId, sellerId, amount);
      if (walletTransactionId != null) {
        this.walletTransactionId = walletTransactionId;
        this.status = STATUS.EXECUTED;
        return true;
      } else {
        this.status = STATUS.FAILED;
        return false;
      }
    } finally {
      if (isLocked) {
       RedisDistributedLock.getSingletonIntance().unlockTransction(id);
      }
    }
  }
}

在 Transaction 类中，主要逻辑集中在 execute() 函数中，所以它是我们测试的重点对象。为了尽可能全面覆盖各种正常和异常情况，针对这个函数，我设计了下面 6 个测试用例。

正常情况下，交易执行成功，回填用于对账（交易与钱包的交易流水）用的 walletTransactionId，交易状态设置为 EXECUTED，函数返回 true。
buyerId、sellerId 为 null、amount 小于 0，返回 InvalidTransactionException。
交易已过期（createTimestamp 超过 14 天），交易状态设置为 EXPIRED，返回 false。
交易已经执行了（status==EXECUTED），不再重复执行转钱逻辑，返回 true。
钱包（WalletRpcService）转钱失败，交易状态设置为 FAILED，函数返回 false。
交易正在执行着，不会被重复执行，函数直接返回 false。
对于上面的测试用例，第 2 个实现起来非常简单，我就不做介绍了。我们重点来看其中的 1 和 3。
现在，我们就来看测试用例 1 的代码实现。

public void testExecute() {
  Long buyerId = 123L;
  Long sellerId = 234L;
  Long productId = 345L;
  Long orderId = 456L;
  Transction transaction = new Transaction(null, buyerId, sellerId, productId, orderId);
  boolean executedResult = transaction.execute();
  assertTrue(executedResult);
}

execute() 函数的执行依赖两个外部的服务，一个是 RedisDistributedLock，一个 WalletRpcService。这就导致上面的单元测试代码存在下面几个问题。

如果要让这个单元测试能够运行，我们需要搭建 Redis 服务和 Wallet RPC 服务。搭建和维护的成本比较高。
我们还需要保证将伪造的 transaction 数据发送给 Wallet RPC 服务之后，能够正确返回我们期望的结果，然而 Wallet RPC 服务有可能是第三方（另一个团队开发维护的）的服务，并不是我们可控的。换句话说，并不是我们想让它返回什么数据就返回什么。
Transaction 的执行跟 Redis、RPC 服务通信，需要走网络，耗时可能会比较长，对单元测试本身的执行性能也会有影响。
网络的中断、超时、Redis、RPC 服务的不可用，都会影响单元测试的执行。
如果代码中依赖了外部系统或者不可控组件，比如，需要依赖数据库、网络通信、文件系统等，那我们就需要将被测代码与外部系统解依赖，而这种解依赖的方法就叫作“mock”。所谓的 mock 就是用一个“假”的服务替换真正的服务。mock 的服务完全在我们的控制之下，模拟输出我们想要的数据。
我们通过继承 WalletRpcService 类，并且重写其中的 moveMoney() 函数的方式来实现 mock。具体的代码实现如下所示。通过 mock 的方式，我们可以让 moveMoney() 返回任意我们想要的数据，完全在我们的控制范围内，并且不需要真正进行网络通信。

public class MockWalletRpcServiceOne extends WalletRpcService {
  public String moveMoney(Long id, Long fromUserId, Long toUserId, Double amount) {
    return "123bac";
  } 
}

public class MockWalletRpcServiceTwo extends WalletRpcService {
  public String moveMoney(Long id, Long fromUserId, Long toUserId, Double amount) {
    return null;
  } 
}

因为 WalletRpcService 是在 execute() 函数中通过 new 的方式创建的，我们无法动态地对其进行替换。也就是说，Transaction 类中的 execute() 方法的可测试性很差，需要通过重构来让其变得更容易测试。该如何重构这段代码呢？
我们可以应用依赖注入，将 WalletRpcService 对象的创建反转给上层逻辑，在外部创建好之后，再注入到 Transaction 类中。重构之后的 Transaction 类的代码如下所示：

public class Transaction {
  //...
  // 添加一个成员变量及其set方法
  private WalletRpcService walletRpcService;
  
  public void setWalletRpcService(WalletRpcService walletRpcService) {
    this.walletRpcService = walletRpcService;
  }
  // ...
  public boolean execute() {
    // ...
    // 删除下面这一行代码
    // WalletRpcService walletRpcService = new WalletRpcService();
    // ...
  }
}

现在，我们就可以在单元测试中，非常容易地将 WalletRpcService 替换成 MockWalletRpcServiceOne 或 WalletRpcServiceTwo 了。重构之后的代码对应的单元测试如下所示：

public void testExecute() {
  Long buyerId = 123L;
  Long sellerId = 234L;
  Long productId = 345L;
  Long orderId = 456L;
  Transction transaction = new Transaction(null, buyerId, sellerId, productId, orderId);
  // 使用mock对象来替代真正的RPC服务
  transaction.setWalletRpcService(new MockWalletRpcServiceOne()):
  boolean executedResult = transaction.execute();
  assertTrue(executedResult);
  assertEquals(STATUS.EXECUTED, transaction.getStatus());
}

WalletRpcService 的 mock 和替换问题解决了，我们再来看 RedisDistributedLock。RedisDistributedLock 是一个单例类。单例相当于一个全局变量，我们无法 mock（无法继承和重写方法），也无法通过依赖注入的方式来替换。
如果 RedisDistributedLock 是我们自己维护的，可以自由修改、重构，那我们可以将其改为非单例的模式，或者定义一个接口，比如 IDistributedLock，让 RedisDistributedLock 实现这个接口。这样我们就可以像前面 WalletRpcService 的替换方式那样，替换 RedisDistributedLock 为 MockRedisDistributedLock 了。但如果 RedisDistributedLock 不是我们维护的，我们无权去修改这部分代码，这个时候该怎么办呢？
我们可以对 transaction 上锁这部分逻辑重新封装一下。具体代码实现如下所示：

public class TransactionLock {
  public boolean lock(String id) {
    return RedisDistributedLock.getSingletonIntance().lockTransction(id);
  }
  
  public void unlock() {
    RedisDistributedLock.getSingletonIntance().unlockTransction(id);
  }
}

public class Transaction {
  //...
  private TransactionLock lock;
  
  public void setTransactionLock(TransactionLock lock) {
    this.lock = lock;
  }
 
  public boolean execute() {
    //...
    try {
      isLocked = lock.lock();
      //...
    } finally {
      if (isLocked) {
        lock.unlock();
      }
    }
    //...
  }
}

针对重构过的代码，我们的单元测试代码修改为下面这个样子。这样，我们就能在单元测试代码中隔离真正的 RedisDistributedLock 分布式锁这部分逻辑了。

public void testExecute() {
  Long buyerId = 123L;
  Long sellerId = 234L;
  Long productId = 345L;
  Long orderId = 456L;
  
  TransactionLock mockLock = new TransactionLock() {
    public boolean lock(String id) {
      return true;
    }
  
    public void unlock() {}
  };
  
  Transction transaction = new Transaction(null, buyerId, sellerId, productId, orderId);
  transaction.setWalletRpcService(new MockWalletRpcServiceOne());
  transaction.setTransactionLock(mockLock);
  boolean executedResult = transaction.execute();
  assertTrue(executedResult);
  assertEquals(STATUS.EXECUTED, transaction.getStatus());
}

至此，测试用例 1 就算写好了。我们通过依赖注入和 mock，让单元测试代码不依赖任何不可控的外部服务。你可以照着这个思路，自己写一下测试用例 4、5、6。
现在，我们再来看测试用例 3：交易已过期（createTimestamp 超过 14 天），交易状态设置为 EXPIRED，返回 false。针对这个单元测试用例，我们还是先把代码写出来，然后再来分析。

public void testExecute_with_TransactionIsExpired() {
  Long buyerId = 123L;
  Long sellerId = 234L;
  Long productId = 345L;
  Long orderId = 456L;
  Transction transaction = new Transaction(null, buyerId, sellerId, productId, orderId);
  transaction.setCreatedTimestamp(System.currentTimestamp() - 14days);
  boolean actualResult = transaction.execute();
  assertFalse(actualResult);
  assertEquals(STATUS.EXPIRED, transaction.getStatus());
}

那如果没有针对 createTimestamp 的 set 方法，那测试用例 3 又该如何实现呢？实际上，这是一类比较常见的问题，就是代码中包含跟“时间”有关的“未决行为”逻辑。我们一般的处理方式是将这种未决行为逻辑重新封装。针对 Transaction 类，我们只需要将交易是否过期的逻辑，封装到 isExpired() 函数中即可，具体的代码实现如下所示：

public class Transaction {

  protected boolean isExpired() {
    long executionInvokedTimestamp = System.currentTimestamp();
    return executionInvokedTimestamp - createdTimestamp > 14days;
  }
  
  public boolean execute() throws InvalidTransactionException {
    //...
      if (isExpired()) {
        this.status = STATUS.EXPIRED;
        return false;
      }
    //...
  }
}

针对重构之后的代码，测试用例 3 的代码实现如下所示：

public void testExecute_with_TransactionIsExpired() {
  Long buyerId = 123L;
  Long sellerId = 234L;
  Long productId = 345L;
  Long orderId = 456L;
  Transction transaction = new Transaction(null, buyerId, sellerId, productId, orderId) {
    protected boolean isExpired() {
      return true;
    }
  };
  boolean actualResult = transaction.execute();
  assertFalse(actualResult);
  assertEquals(STATUS.EXPIRED, transaction.getStatus());
}

实际上，可测试性差的代码，本身代码设计得也不够好，很多地方都没有遵守我们之前讲到的设计原则和思想，比如“基于接口而非实现编程”思想、依赖反转原则等。重构之后的代码，不仅可测试性更好，而且从代码设计的角度来说，也遵从了经典的设计原则和思想。这也印证了我们之前说过的，代码的可测试性可以从侧面上反应代码设计是否合理。除此之外，在平时的开发中，我们也要多思考一下，这样编写代码，是否容易编写单元测试，这也有利于我们设计出好的代码。
常见的测试不友好的代码有下面这 5 种：

代码中包含未决行为逻辑。所谓的未决行为逻辑就是，代码的输出是随机或者说不确定的，比如，跟时间、随机数有关的代码。
滥用可变全局变量。全局变量是一种面向过程的编程风格，有种种弊端。实际上，滥用全局变量也让编写单元测试变得困难。
滥用静态方法。静态方法跟全局变量一样，也是一种面向过程的编程思维。在代码中调用静态方法，有时候会导致代码不易测试。主要原因是静态方法也很难 mock。
使用复杂的继承关系。如果父类需要 mock 某个依赖对象才能进行单元测试，那所有的子类、子类的子类……在编写单元测试的时候，都要 mock 这个依赖对象。
高度耦合的代码。如果一个类职责很重，需要依赖十几个外部对象才能完成工作，代码高度耦合，那我们在编写单元测试的时候，可能需要 mock 这十几个依赖的对象。

构筑测试体系

1 自测试代码的价值

2 如何编写单元测试

3 单元测试为何难以落地

4 案例实战

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