初识Java 14-1 测试

目录

测试

单元测试

JUnit

测试覆盖率

前置条件

断言

Java提供的断言语法

Guava提供的更方便的断言

契约式设计中的断言

DbC + 单元测试

Guava中的前置条件

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本笔记参考自： 《On Java 中文版》

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测试

||| 如果没有经过测试，代码就不可能正常工作。

        Java大体上可以被称为一门静态类型语言。静态类型检查是一种非常有限的测试类型，它仅仅保证代码的语法和基本类型没有问题，但却不能保证我们的代码能够满足程序的目标。

        为此，就需要程序员来进行代码验证。第一步，我们需要创建测试，检查我们的代码行为是否满足了我们的目标。

单元测试

        单元测试是一个将集成测试构建到我们所创建的所有代码中的过程。并在每次测试的时候运行这些测试。这种做法可以用来检测语义错误。

        单元测试通常是一小段代码。通过为每一个类构建自己的测试来检查它所有方法的行为。Java的垃圾收集和类型检查等功能共同构成了Java的安全网。将单元测试集成到构建过程中，我们就可以扩展这个安全网。从而加快开发速度。

    除此之外，还有“系统”测试，用来检测已完成的程序是否能够满足最终要求。

项目构建

        通过一些项目构建工具，我们可以把源代码生成可执行应用程序的过程自动化。这种工具可以帮助我们管理项目的外部依赖包、项目编译和打包等工作。这里简单介绍几种Java的项目构建工具（参考自默 语的博客）：

1. Ant
   1. 优点：灵活、速度快。
   2. 缺点：学习路线较为陡峭，配置复杂，难以适应大型项目。
2. Maven
   1. 优点：功能强大，可自动下载依赖包并构建项目。
   2. 缺点：项目构建僵化，配置不够灵活，不适合小型项目。
3. Gradle
   1. 优点：灵活、可扩展，支持远程仓库。可以根据需要自定义任务和行为。
   2. 缺点：学习成本高，版本兼容性差等。

JUnit

        JUnit是一个开源的Java测试框架，可用于编写可靠、高效的测试（并且可用于创建自动测试）。在编写单元测试时，它是一个很好的工具。

        直至笔者写下本笔记的时候，Junit已经更新到了JUnit 5版本，可以在GitHub上找到这个项目：

JUnit 5https://github.com/junit-team/junit5接下来将会参考JUnit 5的指导手册，做一些必要的介绍（但不会包括如何下载和配置JUnit，已经有许多人写过很出色的博客来说明这部分了）。

        JUnit需要运行在JVM上，而JUnit 5在运行时的最低配置是JDK 8（不过也可以用它来测试更早版本的程序）。JUnit提供了许多用于配置测试并扩展框架的注解，可以在官方提供的文档中进行查看，这里仅仅简单介绍一些我们会用到的：

注释	描述
@Test	表明该方法是测试方法。在JUnit 5中，该注释没有任何属性。
@TestFactory	表明该方法是一个被用于动态测试的测试工厂。
@BeforeAll	拥有该注解的方法会在任何测试执行之前运行一次，这种方法必须是静态的。
@AfterAll	拥有该注解的方法会在任何测试执行之后运行一次，这种方法必须是静态的。
@BeforeEach	通常用于创建和初始化一组公共对象，并在每次测试之前运行。
@AfterEach	拥有该注解的方法会在测试结束之后运行。通常用于每次测试之后的清理（如恢复static成员，关闭文件、数据库或网络连接等）。

【例子：简单的测试】

        首先写一段简单的代码：

package validating;import java.util.ArrayList;public class CountedList extends ArrayList<String> {private static int counter = 0;private int id = counter++;public CountedList() {System.out.println("CountedList #" + id);}public int getId() {return id;}
}

        接下来编写测试代码对其进行检查。标准的做法是将测试代码放在一个独立的包中：

package validating.tests;import org.junit.jupiter.api.*;
import validating.CountedList;import java.util.Arrays;
import java.util.List;import static org.junit.jupiter.api.Assertions.*;class CountedListTest {private CountedList list;// BeforeAll和AfterAll修饰的方法都是静态的@BeforeAllstatic void beforeAllMsg() {System.out.println(">>> 开始对CountedList的测试");}@AfterAllstatic void afterAllmsg() {System.out.println();System.out.println(">>> 结束对CountedList的测试");}@BeforeEachpublic void initialize() {System.out.println();list = new CountedList();System.out.println("对id为#" + list.getId() + "的单元进行设置");for (int i = 0; i < 3; i++)list.add(Integer.toString(i));}@AfterEachpublic void cleanup() {System.out.println("对id为#" + list.getId() + "的单元进行清理");}@Testpublic void insert() {System.out.println("运行测试：输入");assertEquals(list.size(), 3); // 断言方法list.add(1, "插入");assertEquals(list.size(), 4); // 断言方法assertEquals(list.get(1), "插入");}@Testpublic void replace() {System.out.println("运行测试：替换");assertEquals(list.size(), 3);list.set(1, "替换");assertEquals(list.size(), 3);assertEquals(list.get(1), "替换");}// 只需要在测试中运行的辅助方法compare// 没有@Test之类的注解，不会自动运行private void compare(List<String> lt, String[] strs) {assertArrayEquals(lt.toArray(new String[0]), strs);}@Testpublic void order() {System.out.println("运行测试：检查顺序");compare(list, new String[]{"0", "1", "2"});}@Testpublic void remove() {System.out.println("运行测试：删除");assertEquals(list.size(), 3);list.remove(1);assertEquals(list.size(), 2);compare(list, new String[]{"0", "2"});}@Testpublic void addAll() {System.out.println("运行测试：放入多项数据");list.addAll(Arrays.asList(new String[]{"许多", "项", "数据"}));assertEquals(list.size(), 6);compare(list, new String[]{"0", "1", "2", "许多", "项", "数据"});}
}

程序执行的结果是：

        JUnit使用@Test来标注测试方法。在这些方法中，我们可以执行任何所需的操作。并且可以使用JUnit的断言方法（这些方法都以“asset”开头）来验证测试的正确性。如果需要，可以在文档中找到这些断言方法的说明。

测试覆盖率

||| 测试覆盖率，也称为代码覆盖率。是衡量代码库的测试百分比，百分比越高，测试覆盖率越大。

        可能会存在这样一种误解，必须追求覆盖率的100%：

这是有问题的，因为这个数据并不是衡量测试有效性的合理标准。有时，即使我们测试了所有需要测试的内容，测试覆盖率也只会达到60%~70%。换言之，如果盲目追求100%的覆盖率，就会浪费大量的时间。

        一般情况下，测试覆盖率只作为粗略的衡量标准。注意，必要依赖覆盖率来获取测试质量的相关信息。

前置条件

        前置条件的概念来自契约式设计，并且使用了基本的断言机制来实现。在了解契约式设计之前，需要先介绍一下断言的基本概念。

断言

        断言通过验证程序执行期间是否满足某些条件来提高程序的稳健性。断言可以应用于判断数值的范围、参数的有效性等多种场景。

Java提供的断言语法

        有许多编程结构可以用来模拟断言的效果。Java本身也提供了两种现成的断言语句：

assert boolean-expression;
assert boolean-expression: information-expression;

断言会判断表达式的值是否为true。若不是true，断言会产生一个AssertionError异常（这个异常是Throwable的子类，因此不需要指定异常规范）。

        注意：第一种断言形式产生的异常不会包含boolean-expression的任何信息。

【例子：第一种断言形式】

// 需要在运行时显示地启动断言、
// 启动断言最简单的方法是在运行程序时使用-ea标志
public class Assert1 {public static void main(String[] args) {assert false;}
}

        程序执行的结果是：

        Java的断言默认不打开，因此我们必须在运行程序时显式地启用断言。最简单的方法是使用-ea标志（也可拼写为-enableassertions）。这将在运行程序时执行任何断言语句。IDEA可以通过修改运行配置添加该标志：

        而若使用第二种的断言，就可以在异常栈中生成一个有用的消息：

【例子：第二种断言形式】

public class Assert2 {public static void main(String[] args) {assert false :"这是一条信息，用来说明发生了什么"; // information-expression}
}

         程序执行的结果是：

        information-expression可以是任何类型的对象。但通常，我们会构造一个更复杂的字符串，其中会包含与失败断言有关的对象的信息。

    可以根据类名或包名打开或关闭断言，详见JDK文档。

        还有另一种控制断言的方式：以编程的方式操作ClassLoader对象。ClassLoader中有几种方法允许动态启用和禁用断言。

【例子：通过ClassLoader开启断言】

public class LoaderAssertions {public static void main(String[] args) {ClassLoader.getSystemClassLoader().setDefaultAssertionStatus(true); // 该方法会为其之后加载的所有类设置断言状态new Loaded().go();}
}class Loaded {public void go() {assert false : "Loaded.go()";}
}

        程序执行的结果是：

        这样就不需要使用-ea标志了。在独立交付产品时，可能会需要使用独立脚本来配置其他启动参数，以保证用户无论如何都可以启动程序。

        另外，也可以在程序运行时再决定是否启用断言，可以使用静态语句做到这一点。

【例子：使用静态语句控制断言】

static {boolean assertionsEnabled = false;assert assertionsEnabled = true; // 利用赋值的副作用进行重新赋值if (!assertionsEnabled)throw new RuntimeException("断言已禁用");
}

        由于赋值的返回值是赋值操作符右边的值，因此可以利用这一点控制断言的开启。

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Guava提供的更方便的断言

        Guava团队提供了一个Verify类来替代Java原生的断言，这个类提供了始终启动的替换断言（Guava是谷歌提供的第三方库，可以在GitHub上找到这个库）。他们建议静态导入Verify类：

【例子：Guava中的断言】

import com.google.common.base.VerifyException;import static com.google.common.base.Verify.*;public class GuavaAssertions {public static void main(String[] args) {verify(1 + 1 == 2);try {verify(1 + 1 == 4);} catch (VerifyException e) {System.out.println(e);}try {verify(1 + 1 == 4, "算错了");} catch (VerifyException e) {System.out.println(e.getMessage());}try {verify(1 + 1 == 4, "算错了：%s", "不是4");} catch (VerifyException e) {System.out.println(e.getMessage());}String s = "";s = verifyNotNull(s);s = null;try {verifyNotNull(s);} catch (VerifyException e) {System.out.println(e.getMessage());}try {verifyNotNull(s, "不应该为空：%s", "arg s");} catch (VerifyException e) {System.out.println(e.getMessage());}}
}

        程序执行的结果是：

        verify()和verifyNotNull()都可以提供错误信息。但推荐使用verifyNotNull()，因为verify()提供的信息过于笼统了。

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契约式设计中的断言

        契约式设计（DbC），即通过保证对象遵循某些规则来创建稳健的程序。这些规则由要解决问题的性质决定，而且超出了编译器可以验证的范围（也有说法认为，接口的本质就是契约）。

        断言可以创建一种非正式的DbC编程风格。

        DbC假定服务提供者和服务消费者之间存在着明确的合同。接口分隔了提供者和消费者，当客户调用某些公共方法时，他们会期望调用特定的行为：对象中状态的改变，或是可预测的返回值。这种行为的设计主旨概括如下：

1. 可以明确规定这种行为，就好像合同一样。
2. 通过运行时检查包装上述行为，即前置条件、后置条件和不变项。

    同任何解决方案一样，DbC也存在着它的局限。但只有知道这些局限，我们才能更好地使用它们。

        在DbC中，我们可以更多地去关注其对特定类的约束。

检查指令

        首先需要考虑断言最简单的用法，即检查指令：当我们无法仅凭借程序执行的结果得出结论时，就可以用一个检查指令来断言我们获得的结果是否正确。其思想是在代码中表达并非显而易见的结论，这不仅可以用来测试用例，还可以作为阅读代码时的文档。

前置条件测试

        确保客户（即调用此方法的代码）履行其合同部分。因此我们基本上需要在方法调用的最开始（准确的说，是在该方法开始执行任何操作之前）检查参数。

后置条件

        用于检测方法的执行结果。一般放置在方法调用的末尾，return语句之前。对复杂的计算而言，后置条件是必不可少的。我们可以将那些对方法结果的约束放在后置条件中。

不变项

        用以确保对象的状态在方法调用之间是不变的（但可以在方法执行期间偏离）。不变项只保证对象的状态信息在以下两个时间段遵守规定的规则：

1. 进入方法前；
2. 离开方法后。

   不变项是对对象构造后状态的保证。

        可以把不变项命名定义为一个方法，一般命名为invariant()，这个方法会在①对象构造之后以及②每个方法的开始和结束时被调用。可以这样调用该方法：

assert invariant(); // 当禁用断言时，就不会因此产生开销了

放宽DbC的限制

        尽管前置条件、后置条件和不变项十分有用，但在发布的产品中包含所有的DbC代码并不总是可行的。可以根据对特定位置代码的信任程度放宽DbC检查。以下是DbC检查的顺序，从最安全到最不安全：

1. 禁用方法开头的不变项检查。
2. 当有合理的单元测试来验证方法的返回值时，可以禁用后置条件检查。
3. 如果确信方法体不会将对象置于无效状态（可使用白盒测试进行检测，即使用可以访问私有字段的单元测试来验证对象状态），则可以禁用方法调用结束时的不变项检查。
4. 最不安全的，禁用前置条件检查。即使我们自己了解自己的代码，但无法控制客户传递给方法的参数。

    不建议在禁用检查时直接删除执行检查的代码（只需要将其注释掉即可）。

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DbC + 单元测试

        可以将契约式设计中的概念和单元测试进行结合：

【例子：测试一个循环队列】

        不同于以往直接编写程序，这次需要为这个队列做一些契约性的定义：

1. 前置条件（对put()）：不允许将空元素添加到队列中。
2. 前置条件（对put()）：将元素放入已满的队列是非法的。
3. 前置条件（对get()）：尝试从空元素中获取元素是非法的。
4. 后置条件（对get()）：不能从数组中获取空元素。
5. 不变项：队列中包含对象的区域不能有任何空元素。
6. 不变项：队列中不包含对象的区域必须只能有空值。

        ① 创建一个专用的Exception：

public class CircularQueueException extends RuntimeException {public CircularQueueException(String why) {super(why);}
}

        ② 接下来进行CircularQueue类的创建：

import java.util.Arrays;public class CircularQueue {private Object[] data;private intin = 0, // 指向下一个可用的空间out = 0; // 指向下一个出队的对象private boolean wrapped = false; // 用以判断是否回到了循环队列的开头public CircularQueue(int size) {data = new Object[size];// 构造完毕后的对象必须遵守不变项的约束assert invariant();}public boolean empty() {return !wrapped && in == out;}public boolean full() {return wrapped && in == out;}public boolean isWrapped() {return wrapped;}public void put(Object item) {precondition(item != null, "放入元素为空");precondition(!full(), "试图向已满的队列放入元素");assert invariant();data[in++] = item;if (in >= data.length) {in = 0;wrapped = true;}assert invariant();}public Object get() {precondition(!empty(), "试图从空队列中获取元素");assert invariant();Object returnval = data[out];data[out] = null;out++;if (out >= data.length) {out = 0;wrapped = false;}assert postcondition(returnval != null, "在循环队列中存在空元素");assert invariant();return returnval;}// 契约式设计的相关方法private static voidprecondition(boolean cond, String msg) { // 前置条件if (!cond)throw new CircularQueueException(msg);}private static booleanpostcondition(boolean cond, String msg) { // 后置条件if (!cond)throw new CircularQueueException(msg);return true;}private boolean invariant() { // 不变项// 确定对象的data区域不会有空值for (int i = out; i != in; i = (i + 1) % data.length)if (data[i] == null)throw new CircularQueueException("在循环队列中存在值");// 确定对象的data区域之外只会有空值if (full())return true;for (int i = in; i != out; i = (i + 1) % data.length)if (data[i] != null)throw new CircularQueueException("在循环队列之外存在非空值："+ dump());return true;}public String dump() { // 返回更多信息return "in = " + in +", out = " + out +", full() = " + full() +", empty() = " + empty() +", CircularQueue = " + Arrays.asList(data);}
}

        通常，我们会需要在代码中保留前置条件。将这些条件都封装在一个precondition()中，可以方便我们减少或关闭前置条件。注意，precondition()返回void，因为它不会和assert一起使用。

        与之相对，postcondition()和invariant()都返回boolean，它们可以和assert一起使用。并且在为了性能而关闭断言时，可以直接屏蔽这些方法调用。

        ③ 创建JUnit测试

import org.junit.jupiter.api.BeforeEach;
import org.junit.jupiter.api.Test;
import validating.CircularQueue;
import validating.CircularQueueException;import static org.junit.jupiter.api.Assertions.*;class CircularQueueTest {private CircularQueue queue = new CircularQueue(10);private int i = 0;@BeforeEachpublic void initialize() {while (i < 5)queue.put(Integer.toString(i++));}// 辅助用方法private void showFullness() {assertTrue(queue.full());assertFalse(queue.empty());System.out.println(queue.dump());}private void showEmptioness() {assertFalse(queue.full());assertTrue(queue.empty());System.out.println(queue.dump());}@Testpublic void full() {System.out.println("测试：Full");System.out.println(queue.dump());System.out.println(queue.get());System.out.println(queue.get());while (!queue.full())queue.put(Integer.toString(i++));String msg = "";try {queue.put("");} catch (CircularQueueException e) {msg = e.getMessage();System.out.println(msg);}assertEquals(msg, "试图向已满的队列放入元素");showFullness();}@Testpublic void empty() {System.out.println("测试：Empty");while (!queue.empty())System.out.println(queue.get());String msg = "";try {queue.get();} catch (CircularQueueException e) {msg = e.getMessage();System.out.println(msg);}assertEquals(msg, "试图从空队列中获取元素");showEmptioness();}@Testpublic void nullPut() {System.out.println("测试：NullPut");String msg = "";try {queue.put(null);} catch (CircularQueueException e) {msg = e.getMessage();System.out.println(msg);}assertEquals(msg, "放入元素为空");}@Testpublic void circularity() {System.out.println("测试：Circularity");while (!queue.full())queue.put(Integer.toString(i++));showFullness();assertTrue(queue.isWrapped());while (!queue.empty())System.out.println(queue.get());showEmptioness();while (!queue.full())queue.put(Integer.toString(i++));showFullness();while (!queue.empty())System.out.println(queue.get());showEmptioness();}
}

        程序执行的结果是：

        通过将DbC和单元测试向结合，我们不仅可以利用它们各自的优点，而且可以将一些DbC测试移动到单元测试之后（而不是替代它）。这样就能保证某些层次的测试。

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Guava中的前置条件

        之前提到过，前置条件是DbC中不应该删除的部分，因为它是用来检查方法参数的有效性的。因此我们最好检测它，这时Java默认的禁用断言就会造成些许麻烦，使用其他可以始终验证方法参数的库是一个不错的选择。

        这里还是使用Google的Guava库：

【例子：使用第三方库的前置条件检测】

import java.util.function.Consumer;import static com.google.common.base.Preconditions.*;public class GuavaPreconditions {static void test(Consumer<String> c, String s) {try {System.out.println(s);c.accept(s);System.out.println("成功");} catch (Exception e) {String type = e.getClass().getSimpleName();String msg = e.getMessage();System.out.println(type + (msg == null ? "" : ": " + msg));}}public static void main(String[] args) {test(s -> s = checkNotNull(s), "X");test(s -> s = checkNotNull(s), null);test(s -> s = checkNotNull(s, "s是null"), null);test(s -> s = checkNotNull(s, "s是null，%s %s", "arg2", "arg3"), null);System.out.println();// checkArgument()会使用布尔表达式对参数进行具体的检测test(s -> checkArgument(s == "ABC"), "ABC");test(s -> checkArgument(s == "ABC"), "X");test(s -> checkArgument(s == "ABC"), null);test(s -> checkArgument(s == "ABC", "匹配失败"), null);test(s -> checkArgument(s == "ABC", "匹配失败，应该是 %s", s), null);System.out.println();// 会检测对象的状态，而不是检查参数（也可用于检查不变项）。test(s -> checkState(s.length() > 6), "长度足够长");test(s -> checkState(s.length() > 6), "不够长");test(s -> checkState(s.length() > 6), null);System.out.println();// 确保第一个参数是一个List、String或数组的有效元素索引test(s -> checkElementIndex(6, s.length()), "比6个字符长一点");test(s -> checkElementIndex(6, s.length()), "短了");test(s -> checkElementIndex(6, s.length()), null);System.out.println();// 确保其的第一个参数在0和第二个参数（包括）的范围内test(s -> checkPositionIndex(6, s.length()), "看起来和上面的差不多");test(s -> checkPositionIndex(6, s.length()), "短了");test(s -> checkPositionIndex(6, s.length()), null);}
}

        程序执行的结果是：

        上述例子只演示了String类型，但Guava的前置条件是适用于所有类型的。

        另外，Guava提供的前置条件，其每个都有三种不同的重载形式：没有消息的测试、带有一个String消息的测试和带有String及替换值的可变参数列表的测试。出于效率考虑，只允许使用%s替换标签。

        因为checkNotNull()会返回参数，因此可以通过内联的方式进行使用：

【例子：内联的checkNotNull()】

import static com.google.common.base.Preconditions.checkNotNull;public class NonNullConstruction {private Integer n;private String s;NonNullConstruction(Integer n, String s) {this.n = checkNotNull(n);this.s = checkNotNull(s);}public static void main(String[] args) {NonNullConstruction nnc =new NonNullConstruction(3, "ABC");}
}

    编译器会判断是否进行内联。