23 KiB
上一节课中，我们对“为什么要重构、到底重构什么、什么时候重构、该如何重构”，做了概括性介绍，强调了重构的重要性，希望你建立持续重构意识，将重构作为开发的一部分来执行。
据我了解，很多程序员对重构这种做法还是非常认同的，面对项目中的烂代码，也想重构一下，但又担心重构之后出问题，出力不讨好。确实，如果你要重构的代码是别的同事开发的，你不是特别熟悉，在没有任何保障的情况下，重构引入bug的风险还是很大的。
那如何保证重构不出错呢？你需要熟练掌握各种设计原则、思想、模式，还需要对所重构的业务和代码有足够的了解。除了这些个人能力因素之外，最可落地执行、最有效的保证重构不出错的手段应该就是单元测试（Unit Testing）了。当重构完成之后，如果新的代码仍然能通过单元测试，那就说明代码原有逻辑的正确性未被破坏，原有的外部可见行为未变，符合上一节课中我们对重构的定义。
那今天我们就来学习一下单元测试。今天的内容主要包含这样几个内容：
- 什么是单元测试？
- 为什么要写单元测试？
- 如何编写单元测试？
- 如何在团队中推行单元测试？
话不多说，让我们现在就开始今天的学习吧！
什么是单元测试？
单元测试由研发工程师自己来编写，用来测试自己写的代码的正确性。我们常常将它跟集成测试放到一块来对比。单元测试相对于集成测试（Integration Testing）来说，测试的粒度更小一些。集成测试的测试对象是整个系统或者某个功能模块，比如测试用户注册、登录功能是否正常，是一种端到端（end to end）的测试。而单元测试的测试对象是类或者函数，用来测试一个类和函数是否都按照预期的逻辑执行。这是代码层级的测试。
这么说比较理论，我举个例子来解释一下。
public class Text {
private String content;
public Text(String content) {
this.content = content;
}
/**
* 将字符串转化成数字，忽略字符串中的首尾空格；
* 如果字符串中包含除首尾空格之外的非数字字符，则返回null。
*/
public Integer toNumber() {
if (content == null || content.isEmpty()) {
return null;
}
//...省略代码实现...
return null;
}
}
如果我们要测试Text类中的toNumber()函数的正确性，应该如何编写单元测试呢？
实际上，写单元测试本身不需要什么高深技术。它更多的是考验程序员思维的缜密程度，看能否设计出覆盖各种正常及异常情况的测试用例，来保证代码在任何预期或非预期的情况下都能正确运行。
为了保证测试的全面性，针对toNumber()函数，我们需要设计下面这样几个测试用例。
- 如果字符串只包含数字：“123”，toNumber()函数输出对应的整数：123。
- 如果字符串是空或者null，toNumber()函数返回：null。
- 如果字符串包含首尾空格：“ 123”，“123 ”，“ 123 ”，toNumber()返回对应的整数：123。
- 如果字符串包含多个首尾空格：“ 123 ”，toNumber()返回对应的整数：123；
- 如果字符串包含非数字字符：“123a4”，“123 4”，toNumber()返回null；
当我们设计好测试用例之后，剩下的就是将其翻译成代码了。翻译成代码的过程非常简单，我把代码贴在下面了，你可以参考一下（注意，我们这里没有使用任何测试框架）。
public class Assert {
public static void assertEquals(Integer expectedValue, Integer actualValue) {
if (actualValue != expectedValue) {
String message = String.format(
"Test failed, expected: %d, actual: %d.", expectedValue, actualValue);
System.out.println(message);
} else {
System.out.println("Test succeeded.");
}
}
public static boolean assertNull(Integer actualValue) {
boolean isNull = actualValue == null;
if (isNull) {
System.out.println("Test succeeded.");
} else {
System.out.println("Test failed, the value is not null:" + actualValue);
}
return isNull;
}
}
public class TestCaseRunner {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("Run testToNumber()");
new TextTest().testToNumber();
System.out.println("Run testToNumber_nullorEmpty()");
new TextTest().testToNumber_nullorEmpty();
System.out.println("Run testToNumber_containsLeadingAndTrailingSpaces()");
new TextTest().testToNumber_containsLeadingAndTrailingSpaces();
System.out.println("Run testToNumber_containsMultiLeadingAndTrailingSpaces()");
new TextTest().testToNumber_containsMultiLeadingAndTrailingSpaces();
System.out.println("Run testToNumber_containsInvalidCharaters()");
new TextTest().testToNumber_containsInvalidCharaters();
}
}
public class TextTest {
public void testToNumber() {
Text text = new Text("123");
Assert.assertEquals(123, text.toNumber());
}
public void testToNumber_nullorEmpty() {
Text text1 = new Text(null);
Assert.assertNull(text1.toNumber());
Text text2 = new Text("");
Assert.assertNull(text2.toNumber());
}
public void testToNumber_containsLeadingAndTrailingSpaces() {
Text text1 = new Text(" 123");
Assert.assertEquals(123, text1.toNumber());
Text text2 = new Text("123 ");
Assert.assertEquals(123, text2.toNumber());
Text text3 = new Text(" 123 ");
Assert.assertEquals(123, text3.toNumber());
}
public void testToNumber_containsMultiLeadingAndTrailingSpaces() {
Text text1 = new Text(" 123");
Assert.assertEquals(123, text1.toNumber());
Text text2 = new Text("123 ");
Assert.assertEquals(123, text2.toNumber());
Text text3 = new Text(" 123 ");
Assert.assertEquals(123, text3.toNumber());
}
public void testToNumber_containsInvalidCharaters() {
Text text1 = new Text("123a4");
Assert.assertNull(text1.toNumber());
Text text2 = new Text("123 4");
Assert.assertNull(text2.toNumber());
}
}
为什么要写单元测试？
单元测试除了能有效地为重构保驾护航之外，也是保证代码质量最有效的两个手段之一（另一个是Code Review）。我在Google工作的时候，写了大量的单元测试代码，结合我的这些开发经验，我总结了以下几点单元测试的好处。尽管有些听起来有点“务虚”，但如果你认真写过一些单元测试的话，应该会很有共鸣。
1.单元测试能有效地帮你发现代码中的bug
能否写出bug free的代码，是判断工程师编码能力的重要标准之一，也是很多大厂面试考察的重点，特别是像FLAG这样的外企。即便像我这样代码写了十几年，逻辑还算缜密、清晰的人，通过单元测试也常常会发现代码中的很多考虑不全面的地方。
在离开Google之后，尽管我就职的很多公司，其开发模式都是“快、糙、猛”，对单元测试根本没有要求，但我还是坚持为自己提交的每一份代码，都编写完善的单元测试。得益于此，我写的代码几乎是bug free的。这也节省了我很多fix低级bug的时间，能够有时间去做其他更有意义的事情，我也因此在工作上赢得了很多人的认可。可以这么说，坚持写单元测试是保证我的代码质量的一个“杀手锏”，也是帮助我拉开与其他人差距的一个“小秘密”。
2.写单元测试能帮你发现代码设计上的问题
前面我们提到，代码的可测试性是评判代码质量的一个重要标准。对于一段代码，如果很难为其编写单元测试，或者单元测试写起来很吃力，需要依靠单元测试框架里很高级的特性才能完成，那往往就意味着代码设计得不够合理，比如，没有使用依赖注入、大量使用静态函数、全局变量、代码高度耦合等。
3.单元测试是对集成测试的有力补充
程序运行的bug往往出现在一些边界条件、异常情况下，比如，除数未判空、网络超时。而大部分异常情况都比较难在测试环境中模拟。而单元测试可以利用下一节课中讲到的mock的方式，控制mock的对象返回我们需要模拟的异常，来测试代码在这些异常情况的表现。
除此之外，对于一些复杂系统来说，集成测试也无法覆盖得很全面。复杂系统往往有很多模块。每个模块都有各种输入、输出、异常情况，组合起来，整个系统就有无数测试场景需要模拟，无数的测试用例需要设计，再强大的测试团队也无法穷举完备。
尽管单元测试无法完全替代集成测试，但如果我们能保证每个类、每个函数都能按照我们的预期来执行，底层bug少了，那组装起来的整个系统，出问题的概率也就相应减少了。
4.写单元测试的过程本身就是代码重构的过程
上一节课中，我们提到，要把持续重构作为开发的一部分来执行，那写单元测试实际上就是落地执行持续重构的一个有效途径。设计和实现代码的时候，我们很难把所有的问题都想清楚。而编写单元测试就相当于对代码的一次自我Code Review，在这个过程中，我们可以发现一些设计上的问题（比如代码设计的不可测试）以及代码编写方面的问题（比如一些边界条件处理不当）等，然后针对性的进行重构。
5.阅读单元测试能帮助你快速熟悉代码
阅读代码最有效的手段，就是先了解它的业务背景和设计思路，然后再去看代码，这样代码读起来就会轻松很多。但据我了解，程序员都不怎么喜欢写文档和注释，而大部分程序员写的代码又很难做到“不言自明”。在没有文档和注释的情况下，单元测试就起了替代性作用。单元测试用例实际上就是用户用例，反映了代码的功能和如何使用。借助单元测试，我们不需要深入的阅读代码，便能知道代码实现了什么功能，有哪些特殊情况需要考虑，有哪些边界条件需要处理。
6.单元测试是TDD可落地执行的改进方案
测试驱动开发（Test-Driven Development，简称TDD）是一个经常被提及但很少被执行的开发模式。它的核心指导思想就是测试用例先于代码编写。不过，要让程序员能彻底地接受和习惯这种开发模式还是挺难的，毕竟很多程序员连单元测试都懒得写，更何况在编写代码之前先写好测试用例了。
我个人觉得，单元测试正好是对TDD的一种改进方案，先写代码，紧接着写单元测试，最后根据单元测试反馈出来问题，再回过头去重构代码。这个开发流程更加容易被接受，更加容易落地执行，而且又兼顾了TDD的优点。
如何编写单元测试？
前面在讲什么是单元测试的时候，我们举了一个给toNumber()函数写单元测试的例子。根据那个例子，我们可以总结得出，写单元测试就是针对代码设计覆盖各种输入、异常、边界条件的测试用例，并将这些测试用例翻译成代码的过程。
在把测试用例翻译成代码的时候，我们可以利用单元测试框架，来简化测试代码的编写。比如，Java中比较出名的单元测试框架有Junit、TestNG、Spring Test等。这些框架提供了通用的执行流程（比如执行测试用例的TestCaseRunner）和工具类库（比如各种Assert判断函数）等。借助它们，我们在编写测试代码的时候，只需要关注测试用例本身的编写即可。
针对toNumber()函数的测试用例，我们利用Junit单元测试框架重新实现一下，具体代码如下所示。你可以拿它跟之前没有利用测试框架的实现方式对比一下，看是否简化了很多呢？
import org.junit.Assert;
import org.junit.Test;
public class TextTest {
@Test
public void testToNumber() {
Text text = new Text("123");
Assert.assertEquals(new Integer(123), text.toNumber());
}
@Test
public void testToNumber_nullorEmpty() {
Text text1 = new Text(null);
Assert.assertNull(text1.toNumber());
Text text2 = new Text("");
Assert.assertNull(text2.toNumber());
}
@Test
public void testToNumber_containsLeadingAndTrailingSpaces() {
Text text1 = new Text(" 123");
Assert.assertEquals(new Integer(123), text1.toNumber());
Text text2 = new Text("123 ");
Assert.assertEquals(new Integer(123), text2.toNumber());
Text text3 = new Text(" 123 ");
Assert.assertEquals(new Integer(123), text3.toNumber());
}
@Test
public void testToNumber_containsMultiLeadingAndTrailingSpaces() {
Text text1 = new Text(" 123");
Assert.assertEquals(new Integer(123), text1.toNumber());
Text text2 = new Text("123 ");
Assert.assertEquals(new Integer(123), text2.toNumber());
Text text3 = new Text(" 123 ");
Assert.assertEquals(new Integer(123), text3.toNumber());
}
@Test
public void testToNumber_containsInvalidCharaters() {
Text text1 = new Text("123a4");
Assert.assertNull(text1.toNumber());
Text text2 = new Text("123 4");
Assert.assertNull(text2.toNumber());
}
}
对于如何使用这些单元测试框架，大部分框架都给出了非常详细的官方文档，你可以自行查阅。这些东西理解和掌握起来没有太大难度，所以这不是专栏要讲解的重点。关于如何编写单元测试，我更希望传达给你一些我的经验总结。具体包括以下几点。
1.写单元测试真的是件很耗时的事情吗？
尽管单元测试的代码量可能是被测代码本身的1～2倍，写的过程很繁琐，但并不是很耗时。毕竟我们不需要考虑太多代码设计上的问题，测试代码实现起来也比较简单。不同测试用例之间的代码差别可能并不是很大，简单copy-paste改改就行。
2.对单元测试的代码质量有什么要求吗？
单元测试毕竟不会在产线上运行，而且每个类的测试代码也比较独立，基本不互相依赖。所以，相对于被测代码，我们对单元测试代码的质量可以放低一些要求。命名稍微有些不规范，代码稍微有些重复，也都是没有问题的。
3.单元测试只要覆盖率高就够了吗？
单元测试覆盖率是比较容易量化的指标，常常作为单元测试写得好坏的评判标准。有很多现成的工具专门用来做覆盖率统计，比如，JaCoCo、Cobertura、Emma、Clover。覆盖率的计算方式有很多种，比较简单的是语句覆盖，稍微高级点的有：条件覆盖、判定覆盖、路径覆盖。
不管覆盖率的计算方式如何高级，将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。我来举个简单的例子解释一下。
像下面这段代码，我们只需要一个测试用例就可以做到100%覆盖率，比如cal(10.0, 2.0)，但并不代表测试足够全面了，我们还需要考虑，当除数等于０的情况下，代码执行是否符合预期。
public double cal(double a, double b) {
if (b != 0) {
return a / b;
}
}
实际上，过度关注单元测试的覆盖率会导致开发人员为了提高覆盖率，写很多没有必要的测试代码，比如get、set方法非常简单，没有必要测试。从过往的经验上来讲，一个项目的单元测试覆盖率在60～70%即可上线。如果项目对代码质量要求比较高，可以适当提高单元测试覆盖率的要求。
4.写单元测试需要了解代码的实现逻辑吗？
单元测试不要依赖被测试函数的具体实现逻辑，它只关心被测函数实现了什么功能。我们切不可为了追求覆盖率，逐行阅读代码，然后针对实现逻辑编写单元测试。否则，一旦对代码进行重构，在代码的外部行为不变的情况下，对代码的实现逻辑进行了修改，那原本的单元测试都会运行失败，也就起不到为重构保驾护航的作用了，也违背了我们写单元测试的初衷。
5.如何选择单元测试框架？
写单元测试本身不需要太复杂的技术，大部分单元测试框架都能满足。在公司内部，起码团队内部需要统一单元测试框架。如果自己写的代码用已经选定的单元测试框架无法测试，那多半是代码写得不够好，代码的可测试性不够好。这个时候，我们要重构自己的代码，让其更容易测试，而不是去找另一个更加高级的单元测试框架。
单元测试为何难落地执行？
虽然很多书籍中都会讲到，单元测试是保证重构不出错的有效手段；也有非常多人已经认识到单元测试的重要性。但是有多少项目有完善的、高质量的单元测试呢？据我了解，真的非常非常少，包括BAT这样级别公司的项目。如果不相信的话，你可以去看一下国内很多大厂开源的项目，有很多项目完全没有单元测试，还有很多项目的单元测试写得非常不完备，仅仅测试了逻辑是否运行正确而已。所以，100%落实执行单元测试是件“知易行难”的事。
写单元测试确实是一件考验耐心的活儿。一般情况下，单元测试的代码量要大于被测试代码量，甚至是要多出好几倍。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。
还有一种情况就是，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。
除此之外，还有人觉得，有了测试团队，写单元测试就是浪费时间，没有必要。程序员这一行业本该是智力密集型的，但现在很多公司把它搞成劳动密集型的，包括一些大厂，在开发过程中，既没有单元测试，也没有Code Review流程。即便有，做的也是差强人意。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。我在Google的时候，很多项目几乎没有测试团队参与，代码的正确性完全靠开发团队来保障，线上bug反倒非常少。
以上是我对单元测试的认知和实践心得。现在互联网信息如此的公开透明，网上有很多文章可以参考，对于程序员这个具有很强学习能力的群体来说，学会如何写单元测试并不是一件难事，难的是能够真正感受到它的作用，并且打心底认可、能100%落地执行。这也是我今天的课程特别想传达给你的一点。
重点回顾
好了，今天的内容到此就讲完了。我们来一块总结回顾一下，你需要掌握的重点内容。
1.什么是单元测试？
单元测试是代码层面的测试，由研发自己来编写，用于测试“自己”编写的代码的逻辑的正确性。单元测试顾名思义是测试一个“单元”，有别于集成测试，这个“单元”一般是类或函数，而不是模块或者系统。
2.为什么要写单元测试？
写单元测试的过程本身就是代码Code Review和重构的过程，能有效地发现代码中的bug和代码设计上的问题。除此之外，单元测试还是对集成测试的有力补充，还能帮助我们快速熟悉代码，是TDD可落地执行的改进方案。
3.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；
- 单元测试不要依赖被测代码的具体实现逻辑；
- 单元测试框架无法测试，多半是因为代码的可测试性不好。
4.单元测试为何难落地执行？
一方面，写单元测试本身比较繁琐，技术挑战不大，很多程序员不愿意去写；另一方面，国内研发比较偏向“快、糙、猛”，容易因为开发进度紧，导致单元测试的执行虎头蛇尾。最后，关键问题还是团队没有建立对单元测试正确的认识，觉得可有可无，单靠督促很难执行得很好。
课堂讨论
今天的课堂讨论有以下两个：
- 你参与的项目有没有写单元测试？单元测试是否足够完备？贯彻执行写单元测试的过程中，遇到过哪些问题？又是如何解决的？
- 在面试中，我经常会让候选人写完代码之后，列举几个测试用例，以此来考察候选人考虑问题是否全面，特别是针对一些边界条件的处理。所以，今天的另一个课堂讨论话题就是：写一个二分查找的变体算法，查找递增数组中第一个大于等于某个给定值的元素，并且为你的代码设计完备的单元测试用例。
欢迎在留言区写下你的答案，和同学一起交流和分享。如果有收获，也欢迎你把这篇文章分享给你的朋友。