16、自动化测试：从基础到实践的全面指南

自动化测试：从基础到实践的全面指南

1. 测试基础与故事流程

在服务器角色相关的场景中，当一个新的虚拟机（VM）被分配某一角色时，只有“核心进程”中列出的进程以及该角色定义的进程会运行。验收标准可以作为编写自动化测试的起点，但为每个故事的每个验收标准都编写自动化测试，会导致测试套件难以管理且脆弱，常形成“冰淇淋锥”式的测试套件。

在大多数 IT 组织中，创建复杂、重量级的流程来管理工作流的诱惑很大。即便采用敏捷方法的组织，也会积累一系列会议、启动会、评审、展示和签字流程。往往讨论一个小的日常任务所花费的时间，远多于实际执行、检查和修复工作的时间。

对于尚未明确的工作，以下活动是最有价值的：
1. 明确工作内容：表述应清晰，避免模糊或开放式描述，有时一句话即可。
2. 与相关人员审核：与提出工作需求的人、执行工作的人以及验证工作的人（如测试人员、项目经理、业务分析师等）一起审核，确保每个人都清楚工作的范围和非范围，以及如何验证工作完成情况。
3. 审核工作进度：根据需要审核正在进行的工作，确保方向正确。
4. 与利益相关者审核最终工作：完成工作后，与利益相关者审核，确保他们满意。

频繁的日常任务可以定义一次并重复使用。例如，创建用户账户无需完整的故事流程，但明确定义任务和验收标准很有用。这类任务理想情况下应自动化，使步骤以一致、可重复和透明的方式执行，并自动验证标准。

2. 编写测试的重要性与策略

很多团队难以将自动化测试融入日常流程，为现有系统实施完整的自动化回归测试套件极具挑战性。自动化测试最有价值的成果不是测试本身，而是被测试的代码。编写测试迫使我们思考和改进所测试系统组件的设计。

因此，我们应在设计和构建系统时编写测试，而非在构建完成后。为没有测试的系统添加自动化测试非常困难，因为良好的自动化测试需要能够隔离系统的每个部分并单独测试，这要求系统组件在设计时就支持这种隔离。

成功进行自动化测试的秘诀在于明确目标，应将其视为支持设计、构建和改进基础设施的方式，而非保证基础设施正确性的手段。

2.1 测试驱动开发（TDD）

TDD 是极限编程（XP）的核心实践，其理念是在编写代码之前先编写测试。经典的工作节奏如下：
1. 编写测试
2. 运行测试，确保测试失败
3. 编写代码
4. 再次运行测试，确保测试通过
5. 提交代码和测试
6. 确保更改在持续集成（CI）中通过

先编写测试能让我们思考即将编写的代码，包括其功能、运行前的需求、运行后的结果、功能接口、输入输出以及可能出现的错误和处理方式。在编写代码前运行测试并确保其失败，是为了证明测试的有效性。

2.2 一次专注一个测试

曾有团队在实施 TDD 时遇到困难，他们在开始构建系统组件之前就编写所有测试。这种方法类似于过度详细的前期大设计（BDUF）规范，一旦开始构建组件，测试可能需要大幅更改。因此，应一次专注一个操作，编写测试、实现操作，然后再进行下一个。

2.3 测试也是代码

编写和运行测试的工具应与基础设施的其他部分同等对待，测试应采用可提交到版本控制系统（VCS）的外部化格式存储，而不是隐藏在专有黑盒工具中。这样，测试的更改可以自动触发 CI 中的测试运行。

2.4 保持测试代码与被测试代码在一起

测试应与被测试的代码一起管理，将它们放在 VCS 中，并在管道中一起推进，直到到达运行阶段。这样可以避免测试与代码不匹配的问题。例如，测试 Chef 食谱时，如果测试和食谱分开存储，可能会导致使用不同版本的测试来验证不同版本的食谱，从而造成混淆和不稳定的构建。

2.5 养成 TDD 习惯

养成 TDD 习惯并不容易，很多人在开始时会遇到困难。作者在开始一个 Ruby Sinatra 应用项目时尝试使用 TDD，但很快又回到了不编写测试的老路。编写测试会减慢开发速度，因为需要花费大量时间处理测试工具、库、模拟和设置测试数据，并且要保持代码的解耦以避免测试变得混乱和难以编写。

然而，当与习惯 TDD 的团队合作时，会发现编写测试变得自然。TDD 有一个学习曲线，需要自律或与有纪律的团队合作，克服困难后，使用 TDD 会比以前工作得更快。养成 TDD 习惯的人可以避免构建有隐藏问题的混乱代码，并且敢于清理遇到的混乱或损坏的代码部分，因为测试会捕捉到问题，形成良性循环。

2.6 为现有基础设施和系统添加测试

为没有测试的系统或基础设施添加自动化测试具有挑战性。系统设计可能不适合分层测试，组件难以单独设置和测试，自动管理测试场景的数据和集成点也可能很困难。

启动一个构建全面测试套件的项目不太可能成功，实施自动化测试的目标应是使编写测试成为团队工作习惯的核心部分。团队在执行如添加新服务、修复问题或进行改进等任务时，应考虑并实施自动化测试。

起初，这些任务会比平时花费更多时间，可能需要设置新工具，人员需要学习使用工具编写测试，被测试的系统部分可能需要重构以支持测试。系统设计往往是添加测试的最大障碍，很多团队在重建或重新平台化基础设施时引入自动化测试，例如从传统服务器管理模式迁移到基础设施即代码模式，或迁移到云平台。如果项目是逐步交付的，团队也可以逐步添加测试。

3. 测试金字塔

管理测试套件具有挑战性，我们希望测试套件运行快速、易于维护，并能快速定位失败原因。测试金字塔概念有助于平衡不同类型的测试以实现这些目标。

测试金字塔将测试分为不同层次：
- 底层测试 ：验证非常小的组件，如单元测试，测试应用代码的一个类或少数几个类、Chef 食谱、Puppet 清单等。这些测试运行速度快，数量多，能提供快速、具体的反馈。如果代码中的错误导致单元测试失败，能迅速知道错误所在的代码部分。
- 顶层测试 ：测试系统的大部分，验证各种组件、系统和服务的正确集成。对于应用程序，这些测试通常与用户界面（UI）交互，模拟用户在应用中的操作流程；对于基础设施，可能测试端到端的服务请求。例如，测试服务目录中为开发团队提供新 Jira 实例的功能，执行完整的配置操作并验证 Jira 实例是否可正常使用。这些高级测试运行时间长，比底层单元测试更复杂。
- 中间层测试 ：介于底层和顶层之间，验证某些组件、服务和请求的集成。例如，通过构建完整的 VM 并检查其是否符合使用标准，来验证服务器配置过程。

3.1 平衡测试套件

常见的测试反模式是“冰淇淋锥”或倒置金字塔，即顶层测试过多。这种测试套件难以维护、运行缓慢，且不如平衡的测试套件能准确指出错误。

UI 级测试往往很脆弱，系统的一个更改可能会破坏大量 UI 测试，修复这些测试的工作量可能超过原始更改。这会导致测试套件落后于开发进度，无法持续运行。UI 测试运行速度也比底层测试慢，难以频繁运行完整套件。而且，由于 UI 测试覆盖的代码和组件范围广，测试失败时可能需要花费时间来追踪和修复问题。

这种情况通常发生在团队将基于 UI 的测试自动化工具作为测试自动化策略的核心时，尤其是当测试被视为与构建分离的功能时。不参与系统构建的测试人员对系统不同层的可见性和参与度低，无法开发底层测试并将其融入构建和变更过程。对于仅将系统视为黑盒的人来说，UI 是最容易交互的方式。

3.2 最低级别测试原则

应尽量减少 UI 和其他高级测试，仅在底层测试运行后再运行。许多软件团队运行少量端到端的流程测试，确保覆盖系统的主要组件并验证集成是否正确。特定功能和特性应在组件级别或通过单元测试进行测试。

当高级测试失败或发现 bug 时，应在尽可能低的测试级别捕捉重复出现的问题，以确保快速发现错误并明确失败位置。如果无法在单元测试级别检测到错误，应向上一层尝试捕捉。本质上，单元测试以上级别的测试应测试仅在该级别组件集成时才会发生的交互。

例如，如果发现应用程序错误是由于 Chef 编写的配置文件中的错误导致的，不应在运行的应用程序中测试错误是否出现，而应编写测试来验证构建配置文件的 Chef 食谱。在 UI 中测试错误需要实例化 VM、设置数据库或其他依赖项，并构建和部署应用程序，应用程序的一个更改可能导致多个测试失败。而使用如 chefspec 这样的工具，可以在 Chef 食谱更改时运行测试，模拟 Chef 运行食谱的过程，无需应用到服务器上。以下是一个 Chefspec 测试的示例：

require 'chefspec'
describe 'creating the configuration file for our_app' do
  let(:chef_run) { ChefSpec::Runner.new.converge('our_app_recipe') }
  it 'creates the right file' do
    expect(chef_run).to create_template('/etc/our_app.yml')
  end
  it 'gives the file the right attributes' do
    expect(chef_run).to create_template('/etc/our_app.yml').with(
      user:   'ourapp',
      group:  'ourapp'
    )
  end
  it 'sets the no_crash option'
    expect(chef_run).to render_file('/etc/our_app.yml').with_content('no_crash: true')
  end
end

4. 管理测试套件

维护自动化测试套件可能是一项负担，随着团队经验的增加，编写和调整测试会变得常规化，但测试套件有不断增长的趋势。团队需要养成修剪测试的习惯，以保持测试套件的可管理性，同时避免一开始就实施不必要的测试。

测试金字塔建议为每个组件的每个集成级别都进行测试，许多团队最初会选择并实施一系列测试自动化工具来覆盖所有这些级别，但这可能会使测试套件过于复杂。因此，应只实施所需的测试层。

4.1 测试管理流程

为了更好地管理测试套件，可遵循以下流程：

graph LR
    A[确定测试需求] --> B[选择合适测试工具]
    B --> C[编写测试用例]
    C --> D[执行测试]
    D --> E{测试是否通过?}
    E -- 是 --> F[持续监控和优化]
    E -- 否 --> G[分析失败原因]
    G --> H[修复问题]
    H --> C

4.2 总结

通过遵循测试金字塔原则，合理安排不同层次的测试，以及养成良好的测试习惯，我们可以构建一个高效、可维护的测试体系，提高软件和基础设施的质量和稳定性。在实际工作中，要根据项目的具体情况灵活运用这些方法，不断优化测试流程和策略。

5. 测试策略的实际应用与案例分析

5.1 不同规模项目的测试策略

不同规模的项目在自动化测试策略上会有显著差异。下面通过表格展示小型项目和大型项目在测试策略上的区别：
|项目规模|测试重点|测试工具选择|测试频率|
| ---- | ---- | ---- | ---- |
|小型项目|注重单元测试，快速验证核心功能|轻量级测试框架，如 JUnit（Java）、pytest（Python）|每次代码提交后|
|大型项目|强调分层测试，包括单元测试、集成测试和端到端测试|专业测试平台，如 Jenkins、TestRail|定期批量执行，如每天晚上|

对于小型项目，由于代码量相对较少、功能相对简单，重点应放在单元测试上，确保每个小模块的正确性。可以选择轻量级的测试框架，这样能快速搭建测试环境，并且在每次代码提交后都能及时运行测试，保证代码质量。例如一个简单的 Python 脚本项目，使用 pytest 可以轻松编写和运行单元测试。

而大型项目涉及众多组件和复杂的交互，需要采用分层测试的策略。单元测试保证每个组件的基本功能正确，集成测试验证组件之间的交互，端到端测试模拟用户的实际操作流程。专业的测试平台可以更好地管理测试用例、自动化测试流程和测试结果。例如，在一个企业级的 Java Web 项目中，使用 Jenkins 可以实现自动化的持续集成和持续部署，结合 TestRail 可以对测试用例进行有效的管理和跟踪。

5.2 实际案例分析

以一个在线购物系统的开发项目为例，该项目在开发过程中采用了上述的测试策略。在项目初期，开发团队首先编写了大量的单元测试，对商品管理、用户认证、购物车等核心模块进行了详细的测试。例如，使用 JUnit 对商品信息的添加、修改和删除功能进行了单元测试，确保每个功能的正确性。

在集成测试阶段，团队使用了 Mock 技术来模拟不同模块之间的交互。例如，在测试订单处理模块时，使用 Mockito 模拟商品库存模块和支付模块的返回结果，验证订单处理流程的正确性。

在端到端测试阶段，团队使用 Selenium 模拟用户在网站上的购物流程，从商品浏览、加入购物车、结算到支付，确保整个流程的顺畅。通过这种分层测试的策略，项目在开发过程中及时发现并解决了许多潜在的问题，提高了系统的稳定性和可靠性。

6. 测试与开发的协同工作

6.1 测试驱动开发（TDD）在团队协作中的作用

在团队协作中，TDD 不仅仅是一种开发方法，更是一种促进测试与开发紧密结合的有效方式。当开发人员采用 TDD 时，他们会在编写代码之前先编写测试，这就要求他们在设计代码时充分考虑代码的可测试性和功能性。测试人员在这个过程中可以与开发人员密切合作，共同讨论测试用例的设计，确保测试用例能够覆盖所有可能的情况。

例如，在一个团队开发的项目中，开发人员和测试人员共同制定了一套测试计划，开发人员按照 TDD 的流程进行开发，测试人员在开发过程中提供反馈和建议。这种协作方式使得开发过程更加透明，问题能够及时发现和解决，提高了团队的工作效率和软件的质量。

6.2 持续集成与持续部署（CI/CD）中的测试

CI/CD 是现代软件开发中的重要实践，测试在其中扮演着关键的角色。在持续集成阶段，每次代码提交后都会自动触发测试，确保新加入的代码不会破坏现有的功能。在持续部署阶段，测试可以作为一个重要的关卡，只有通过所有测试的代码才能被部署到生产环境中。

例如，在一个使用 GitLab CI/CD 的项目中，开发人员将代码提交到 GitLab 仓库后，GitLab CI/CD 会自动触发一系列的测试，包括单元测试、集成测试和端到端测试。如果所有测试都通过，代码会被自动部署到预生产环境进行进一步的验证；如果有测试失败，开发人员会收到通知并及时修复问题。通过这种方式，CI/CD 确保了代码的质量和系统的稳定性。

6.3 团队沟通与知识共享

在测试与开发的协同工作中，团队沟通和知识共享至关重要。开发人员和测试人员需要定期进行沟通，分享项目的进展、遇到的问题和解决方法。例如，开发团队可以定期组织代码审查会议，测试人员可以参与其中，对代码的可测试性提出建议。

同时，团队可以建立一个知识共享平台，如 Wiki 或内部论坛，让开发人员和测试人员可以分享自己的经验和学习成果。例如，开发人员可以分享一些新的开发技巧和工具，测试人员可以分享一些测试用例设计的经验和方法。通过这种知识共享，团队成员可以不断提升自己的能力，提高团队的整体水平。

7. 未来测试趋势与应对策略

7.1 人工智能与机器学习在测试中的应用

随着人工智能和机器学习技术的发展，它们在测试领域的应用也越来越广泛。例如，人工智能可以用于自动化测试用例的生成，通过分析代码结构和功能，自动生成覆盖度更高的测试用例。机器学习可以用于预测软件中的潜在缺陷，通过对历史数据的分析，找出可能出现问题的代码区域。

为了应对这一趋势，团队需要培养相关的技术人才，了解人工智能和机器学习的基本原理和应用方法。同时，可以引入一些支持人工智能和机器学习的测试工具，如 Applitools（用于视觉测试）、Test.ai（用于自动化测试用例生成）等。

7.2 容器化与微服务架构下的测试挑战与解决方案

容器化和微服务架构的广泛应用给测试带来了新的挑战。在这种架构下，系统被拆分成多个小型的、独立的服务，每个服务都可以在容器中独立运行。这使得测试变得更加复杂，需要考虑服务之间的交互和依赖关系。

为了应对这些挑战，可以采用以下策略：
1. 采用容器化测试环境，使用 Docker 和 Kubernetes 等工具来创建和管理测试环境，确保测试环境与生产环境的一致性。
2. 加强服务间的集成测试，使用工具如 Postman、SoapUI 等来测试服务之间的 API 调用和数据交互。
3. 引入混沌工程，通过模拟各种故障场景，测试系统的容错能力和恢复能力。

7.3 测试的持续演进与创新

测试是一个不断演进的领域，随着技术的发展和业务需求的变化，测试方法和工具也需要不断创新。团队需要保持对新技术和新趋势的关注，不断尝试新的测试方法和工具，以提高测试的效率和质量。

例如，随着区块链技术的发展，区块链应用的测试成为了一个新的挑战。团队可以研究和探索适合区块链应用的测试方法和工具，如 Truffle（用于以太坊智能合约测试）等。

同时，团队可以鼓励成员进行创新，提出新的测试思路和方法。例如，通过举办测试创新竞赛等活动，激发成员的创新热情，推动测试领域的发展。

8. 总结与建议

8.1 总结

自动化测试是现代软件开发和基础设施管理中不可或缺的一部分。通过遵循测试金字塔原则，合理安排不同层次的测试，可以构建一个高效、可维护的测试体系。测试驱动开发（TDD）可以帮助开发人员更好地设计和编写代码，提高代码的质量和可测试性。在团队协作中，测试与开发的紧密结合可以提高工作效率，及时发现和解决问题。

同时，我们也需要关注未来测试的发展趋势，如人工智能与机器学习在测试中的应用、容器化与微服务架构下的测试挑战等，并采取相应的应对策略。

8.2 建议

为了更好地实施自动化测试，以下是一些建议：
1. 培养团队成员的测试意识和技能，让每个人都认识到测试的重要性，并具备基本的测试能力。
2. 建立完善的测试流程和规范，确保测试工作的标准化和规范化。
3. 选择合适的测试工具和平台，根据项目的需求和特点进行选择，避免过度复杂的测试工具。
4. 加强测试与开发的沟通和协作，建立良好的团队氛围，共同推动项目的进展。
5. 持续关注测试领域的新技术和新趋势，不断学习和尝试新的测试方法和工具，提高测试的效率和质量。

通过以上的建议和实践，我们可以更好地应对自动化测试中的各种挑战，提高软件和基础设施的质量和稳定性，为企业的发展提供有力的支持。