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自动测试

手工测试比没有测试强一点，但是它存在的问题让它很难在实践中应用：手工输入数据的过程单调乏味，很难长期坚持。每次都要重新输入数据，浪费大量时间。测试用例不能累积，测试往往不完整。用人脑判断输出的正误，浪费人力也存在误差。要写得好测试自然不能省，要写得快就需要更好的测试方法。

更好的测试方法当然是自动测试了。幸运的是，刚进入这个行业我就接触了自动的测试 (呵，读本文的初学者就更幸运了)，我的第一份正式工作是在测试组写测试程序。当时测试组也算是人才济济了，居然有几个北大毕业的，不过她们都不懂Linux，所以我被指派去为移植到Linux上的模块写测试程序。这些模块都有测试程序，但这些测试程序的功能太弱了，我的上司要求开发人员改进，但那些开发人员太自以为是了，根本不理我们，所以我们只好自己重写这些测试程序。模块很多，大概有50多个模块，熟悉这些模块也需要不少时间，按每两个工作日写一个测试程序，上司给我5个月时间。

记得第一个模块是RDFParser，RDF(资源描述框架)是XML的一种应用，RDFParser实际上是一个XML解析器，并包装成RDF要求的接口。由于我对C/C++还不太熟悉，对RDF更不熟悉了，花了两周时间才写出这个测试程序。运行起来有些不正常，我确信不是测试程序的问题，就去请开发人员帮忙来看一下。负责RDFParser的那个程序员是人大毕业，我没有见过第二个比他更自以为是的程序员了，他刚在我座位上坐下就很大声说，你们QA的人太蠢了！

当时一听就愣了，不过我是新来的，见上司都没反应，自然就忍了。我列举了一些证据是模块里面的问题，他听也不听，只是不断重复的说，不可能是我程序的问题，你们QA的人太蠢了，总是浪费我的时间。过了一会儿，他终于闭上了嘴巴，又等了一会儿才说，等会儿重新发个版本给你吧。后来又请他过来四五次，结果每次都是他的问题。

之后我再没有听到他说过你们QA的人太蠢了的话。为了避免让他抓到把柄来嘲笑测试组，我决定请他来查问题之前做更详细的测试。当时我写的测试程序和现在初学者写的测试程序没有两样，都是从教科书上学来的，先通过scanf从终端输入数据，调用被测函数，再把结果printf出来，这花了我太多时间。想到后面还有50多个模块的测试程序要写，这样下去不行，一定得想个办法。

后来我把输入的数据和期望的结果都写到一个INI文件中，测试程序从这个文件中读入数据，运行测试，再和预期结果比较，整个过程都自动化了。写了一个INI文件的解析器花了我一周时间，又重写了那个测试程序，整整花了我一个月时间完成RDFParser的测试程序。进度自然大落后了，还好上司知道后并没有责备我，让我慢慢做就好了。

写第二个测试程序时把INI解析的代码拷贝过去，再加一些调用模块的代码就写好了，第三个也是如此。写了几个之后，我发现了INI解析有个BUG，结果每个测试程序我都要去修改，想到维护起来太麻烦了，就把INI解析器的接口规范化了，编译成一个独立共享库。又写了几个测试程序，我写烦了，原因是测试程序无非就是读入数据，调用被测函数，再检查结果，这个过程太无聊了。想到后面还要把这个过程重复几十遍，郁闷了几天之后，突然灵机一动，我决定写了一个代码产生器来产生这些代码。开始的代码产生器用C写的，用一个简单的规则来描述被测函数，通过这些规则来产生测试程序。我把这些东西和INI解析器放在一个独立的库中，把它叫作TesterFrameWork，经过几个测试程序的验证和完善，后来利用这个TesterFrameWork，只要一两个小时就能完成一个测试程序了。有次请开发人员那边一个高手帮我查一个问题，他看一会儿我的TesterFrameWork之后，盯着我说，你太聪明了。我笑了笑说，刚刚开始写C/C++程序。

一年之后我知道了有个CPPUnit之后，为了赶时髦我把TesterFrameWork改名为CxxUnit，非典的时候放假无聊就把它重写了一遍放在cosoft上了(之后没有管过它，或许还在吧)。

一个大系统很难自动测试，而一个独立的模块则是最佳的自动测试单元。自动测试和单元测试几乎成了等价的概念，很多人都以为自动测试就是利用CPPUnit这样的单元测试框架写个测试程序而已，这完全是错误的，就像有人以为有个设计文档的模板，照着填空就能填出好设计一样。

我自己实现过单元测试框架，不是像有些人出于模仿去实现，而完全出于实际的需要，后来我也研究其它测试框架，应该说我对测试程序框架的认识比一般程序员要深刻。我认为测试程序框架可以减化一些测试程序的工作，但它与自动测试没有密切关系，用不用测试程序框架完全是个人喜好。用测试程序框架未必能写出好的测试程序，就像用C++未必能写出好的面向对象的程序一样。

虽然我顺利的完成了那个写测试程序的任务，但我一直被一个问题困扰：如何写测试用例，如何去检测结果？这是测试程序框架帮不上忙的。写测试用例还好说，通过边界值法，等价类法和路径覆盖法找到最常用的测试用例。检测结果呢？有人说很简单啊，判断返回值就好了。那我问一下dlist_insert返回OK，就真的OK了吗？如果一个函数根本没有返回值，那你怎么判断呢？

测试程序框架是敏捷论者提倡的，在我看来它根本不够敏捷：你要去学习它，了解它的运行机制，要包含它的头文件，链接它的库，有比不用它更敏捷么？重要的是它根本帮不上什么有用的忙。前面的问题折磨了我一段时间，于是得出一个可能有点偏激的结论：测试程序框架都是愚蠢的，你真正需要的，它根本帮不了你(我知道这样说会得罪一些用测试程序框架的朋友，如果你想找我讨论的话，请看完本节的附带示例代码再说)。

就在那个时候，我看到了孟岩老师翻译的《契约式设计(Design by Contract)》，读完之后豁然开朗。或许我还没有明白契约式设计的本质，但我确实知道了写自动测试程序的方法，下面我介绍一下：

o 在设计时，每个函数只完成单一的功能。单一功能的函数容易理解，也容易预测其行为。对测试来说，给定一些输入数据，就知道它的输出和影响，这样函数是最容易测试的。

o 在设计时，把函数分为查询和命令两类。查询函数只查询对象的状态，而不改变对象的状态。命令函数则只修改对象的状态，只返回其操作是否成功的标志，而不返回对象的状态。比如，dlist_length查询双向链表的长度，它不修改双向链表的任何状态。dlist_delete修改对象的状态(删除结点)，并返回其操作是否成功，而不返回当前长度或者删除的结点之类的状态。

o 在设计时，把查询分为基本查询和复合查询两类。基本查询函数只查询单一的状态，而复合查询可以同时查询多个状态。比如，window_get_width返回窗口的宽度，这是基本查询函数，widget_get_rect返回窗口的左上角坐标，宽度和高度，这是复合查询函数。

o在实现时，检验输入数据，确认使用者正确的调用了函数。契约式设计规定了调用者和实现者双方的责任，调用者需要使用正确的参数，才能保证有正确的结果。政治家告诉我们，信任但要检查，所以作为实现者就需要检查输入参数是否违背了契约。那怎么检查呢？有人说，如果检查到无效参数就返回一个错误码。这当然可以，只是不太好，因为大多数人都没有检查返回值的习惯，如果每个地方都检查函数的返回值，也是件很繁琐的事，代码看起来也比较乱。通常我们只检查一些关键的地方，对于无效参数这样的错误，可能就无声无息的隐藏起来了，这样不好，因为隐藏得越深，发现的时间越晚，修改的代价越大。

在C++和JAVA里，如果参数不正确，通常是throw一个无效参数之类的异常，C语言里面没有异常这个概念，我们需要其它办法才行。有人推荐用assert来检查，这是一个好办法，assert只在调试版本中有效(没有定义NDEBUG)，这样任何无效调用都在调试版本中暴露出来了。如果配合前面返回错误码的方法，在发布版本中也可能避免程序粗暴的死掉。使用方法如下：

    assert(thiz != NULL);
    if(thiz == NULL)
    {
        return DLIST_RET_INVALID_PARAMS;
    }

我一直使用这种方法，但是有个问题：无法用自动测试验证assert是否正常的触发了，当用错误的参数测试时，我期望assert被触发，但如果assert被触发了，自动程序测试就死掉了，自动测试程序死掉了，就无法继续验证下一个assert。这是一个悖论！

后来我从glib里面学了一招，它检查时不用assert，只是打印出一个警告，代码也简明了，按它的方式，我们这样检查：

return_val_if_fail(cursor != NULL, DLIST_RET_INVALID_PARAMS);

我们需要定义两个宏，一个用于无返回值的函数，一个用于有返回值的函数：

#define return_if_fail(p) if(!(p)) \
    {printf("%s:%d Warning: "#p" failed.\n", \
        __func__, __LINE__); return;}
#define return_val_if_fail(p, ret) if(!(p)) \
    {printf("%s:%d Warning: "#p" failed.\n",\
__func__, __LINE__); return (ret);}

这样一来，遇到无效参数时，可以看到一个警告信息，同时又不会影响自动测试。

o在测试时，用查询来验证命令。命令一般都有返回值，但只检查返回值是不够的。比如dlist_delete返回OK，它真的OK了吗？我们信任它，但还是要检查。怎么检查？很简单，用查询函数来检查对象的状态是不是预期的。

对于dlist_delete，我们预期：

1.输入无效参数，期望返回DLIST_RET_INVALID_PARAMS。
2.输入正确参数，期望：
	函数返回DLIST_RET_OK
	双向链表的长度减一。
	删除的位置的下一个元素被移到删除的位置。

在测试程序中检查时，因为任何不符合期望的结果都是BUG，所以我们用assert检查。这样有问题马上暴露出来了，定位错误比较容易，通常都不需要调试器。我们这样来检查：

    assert(dlist_length(dlist) == (n-i));
    assert(dlist_delete(dlist, 0) == DLIST_RET_OK);
    assert(dlist_length(dlist) == (n-i-1));
    if((i + 1) < n)
    {
         assert(dlist_get_by_index(dlist, 0, (void**)&data) == DLIST_RET_OK);
         assert((int)data == (i+1));
    }

(完整的例子请看本节的示例代码)

o在测试时，用基本查询去验证复合查询。基本查询和复合查询返回的应该一致。比如：

    Rect rect = {0};
    widget_get_rect(widget, &rect);
    assert(widget_get_width(widget) == rect.width);
    assert(widget_get_height(widget)== rect.height);

o在测试时，预期结果依赖其执行上下文，我们要按逻辑组织测试用例。前面调用的函数可能改变了对象的状态，为了简化测试，在每组测试用例开始时，都重置对象到初始状态。

o 在测试时，第一次只写基本的测试用例，以后逐渐累积，每次发现新的BUG就把相应的测试用例加进去。每次修改了代码就运行一遍自动测试，保证修改没有引起其它副作用。

按着上面的原则，应付正常模块的测试没有问题了，但是下面的情况仍然比较棘手：

o 带有GUI的应用程序。有GUI的程序会给自动的输入数据和检查结果带来困难，有些工具可以部分解决这个问题，特别是针对Win32下的GUI，我很少在Windows下写程序，所以对这方面了解不多。不过最好的办法还是用MVC模型等分离界面和实现，因为界面通常相对比较简单，可以手工测试，而实现的逻辑比较复杂，这部分可以自动测试。后面我们会专门讲解分离界面和实现的方法。

o 有随机数据输入。如果有些输入数据是内部随机产生的，那你根本无法预测它的输出结果和影响。比如游戏随机的步骤和无线网络信号的变化。对于我们可以控制的随机数据，可以提供额外的函数去获取这些数据。对于无法控制的随机输入数据，可以把它们隔离开，在自动测试中，使用固定的数据。

o 多线程运行的程序。多线程的程序也很难自动测试，比如向链表中插入一个元素，当你检查的时候，根本无法知道链表的长度是否增加，也无法知道刚才插入的位置是否是你插入的元素，因为这个时候，可能有另外一个线程已经把它删除了，或者又加入了新的数据。不过在单线程的自动测试通过之后，多线程的问题会大大减少，剩下的问题我们可以通过其它方式加以避免。

写自动测试程序会花你一些时间，但这个投资能带来最大的回报：减少后面调试时的浪费，提高代码的质量，更重要的是你可以安稳的睡个觉了。

本节示例请到这里下载。

系统程序员成长计划

系统程序员成长计划 15 Comments December 9th, 2008