40、Java 单元测试全解析

Java 单元测试全解析

1. 单元测试概述

在软件开发项目中，软件会在不同阶段进行测试。单元测试主要针对应用程序的最底层组件，由软件开发团队负责执行。通常，开发某个组件的开发者也需要为该组件创建单元测试。

现代单元测试借助自动化测试框架，在 Java 开发中，JUnit 是事实上的标准测试框架。自动化测试会作为构建过程的一部分运行，如果测试未通过，构建将失败，这样能最大程度确保新代码不会破坏现有代码。

单元测试只是软件项目测试的开端。随着项目推进，会进行集成测试和系统测试，对整个应用程序进行测试。QA 团队会结合手动和自动化测试，使用各种专业的 QA 测试框架对整个系统进行测试。此外，应用程序可能还需要进行性能测试（特别是 Web 应用程序），以确保在负载下能正常运行。测试过程的最后一步是用户验收测试，由客户对应用程序的最终版本进行测试，确认其满足所有需求。

2. 单元测试类型

2.1 黑盒测试与玻璃盒测试

• 黑盒测试 ：只测试特定组件的功能，不考虑其实现方式。在示例中，黑盒测试主要测试组件的接口或契约，目的是确保组件能按预期工作。
• 玻璃盒测试 ：也称为白盒测试，会考虑组件的实现细节。测试设计会覆盖组件的每一条代码路径。由于采用分层/MVC 应用程序设计方法，更注重面向接口编程，将功能与实现分离，因此通常采用黑盒测试方法。

2.2 有状态组件与无状态组件

• 无状态组件 ：代码没有状态或副作用，类似于数学函数。相同的输入始终会产生相同的输出，例如 Java Math 类的所有静态方法。调用 Math.sqrt(100) 无论多少次，都会返回 10。
• 有状态组件 ：代码有状态或会产生副作用，相同输入的方法调用结果可能因之前的操作而不同。例如，在班级名册程序中，第一次添加学生 ID 为 0001 的学生时，系统会正常保存学生对象；但第二次尝试添加时，系统会抛出异常。

从实际操作角度看，测试有状态代码前需要将其置于已知状态，而无状态代码的测试顺序可以任意安排。

2.3 测试驱动开发与红/绿/重构

测试驱动开发（TDD）是一种软件开发方法，先为组件编写单元测试，再实现组件。在这种方法中，先创建接口和外壳实现（每个方法抛出 UnsupportedOperation-Exception），编写（全部失败）的单元测试后，开发者再将 UnsupportedOperationExceptions 替换为实际代码，直到所有单元测试通过。

这种方法也称为红/绿/重构。测试结果最初为红色（失败），随着实际代码的实现会变为绿色（通过）。所有测试通过后，开发者可以对代码进行重构，使其更简洁、高效。由于测试套件已经存在，开发者可以确保重构不会破坏现有功能。

2.4 测试桩

测试桩可以模拟系统的某些组件，方便对其他组件进行测试。例如，在测试服务层的业务逻辑时，可以模拟 ClassRosterDao 和 ClassRosterAuditDao 组件。在测试服务层时，DAO 不需要实际读写文件，因此可以用包含固定数据的测试桩实现替换文件实现。

3. JUnit 框架

JUnit 是 Java 领域事实上的标准自动化单元测试框架，与 NetBeans、Eclipse、IntelliJ 和 Maven 等工具集成良好。单元测试默认是 Maven 构建的一部分，如果任何测试失败，构建将失败。JUnit 便于为 Java 组件创建单元测试套件。

3.1 测试设置与清理

JUnit 框架提供了 Setup 和 tearDown 钩子，帮助将被测试代码置于已知的良好状态。有两种类型的 Setup/tearDown 方法：
- 只运行一次的 Setup/tearDown 方法：Setup 方法在 JUnit 测试类创建前运行，tearDown 方法在测试类销毁后运行，适用于特殊情况。
- 更常用的 Setup/tearDown 方法：在测试套件的每个单独测试前后运行，确保每个测试用例运行前代码处于已知状态，并在测试完成后清理所有资源。

3.2 注解

当前版本的 JUnit 是基于注解驱动的，包含单元测试代码的类只是普通的 Java 对象（POJOs）。不再需要测试类继承 JUnit 基类，只需用 JUnit 注解标记类，JUnit 就能识别。NetBeans 可以自动生成 JUnit 测试类的框架，开发者无需记住所有注解。其中，@Test 注解是最常用的，每个测试方法都需要用此注解标记，JUnit 才会执行该方法。

3.3 断言

JUnit 提供了一组静态辅助方法，用于在测试中测试不同条件，这些方法称为断言。常见的断言包括：
- 断言布尔条件为 false。
- 断言布尔条件为 true。
- 断言对象引用为 null。
- 断言对象引用不为 null。
- 断言两个值相等。
- 断言两个对象相等。

如果断言失败，方法会抛出 AssertionError，测试用例将失败。

4. Given/When/Then 方法

单元测试的通用方法是 Given/When/Then，也称为 Arrange/Act/Assert。
- Given ：将代码置于已知的良好状态，创建所有必要的测试数据。
- When ：编写测试用例，使用准备好的数据执行被测试的代码。
- Then ：断言结果符合预期。

5. 无状态单元测试

5.1 优秀单元测试的特点

优秀的单元测试应覆盖给定代码中所有可能的输入和输出组合类别，但不意味着要测试每一种可能的组合，在某些情况下这是不可能的。测试应设计为覆盖每个代码类和分支，尽量不遗漏。同时，测试应高效且不冗余，每个测试用例应唯一地处理一个代码类或分支。对相同类型输入进行多次测试是浪费精力的。

5.2 设计测试计划

测试计划是记录一组测试（通常称为测试套件）的范围和方法的文档。一个完整的测试计划应涵盖所有类型的有效输入、边界条件，偶尔还应包括无效的潜在输入。

以 areTheLlamasHappy 方法为例，该方法用于判断提供的蹦床是否能让羊驼开心。方法有两个输入参数：一个布尔值表示蹦床是否由超弹性 NASA 面料制成，一个整数表示蹦床的数量，返回一个布尔值表示羊驼是否开心。

设计测试计划时，需要为输入参数选择值，并确定使用这些参数后的预期返回值。对于 areTheLlamasHappy 方法，输入参数的边界是 24 和 42 个蹦床，以及普通或超弹性蹦床面料。

以下是一个简单的测试计划示例：
| 测试用例 | 超弹性面料 | 蹦床数量 | 预期结果 |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| 普通蹦床测试 1 | false | 10 | false |
| 普通蹦床测试 2 | false | 24 | true |
| 普通蹦床测试 3 | false | 30 | true |
| 普通蹦床测试 4 | false | 42 | true |
| 普通蹦床测试 5 | false | 50 | false |
| 超弹性蹦床测试 1 | true | 10 | false |
| 超弹性蹦床测试 2 | true | 24 | true |
| 超弹性蹦床测试 3 | true | 30 | true |
| 超弹性蹦床测试 4 | true | 42 | true |
| 超弹性蹦床测试 5 | true | 50 | true |

这个简单的测试计划已经涵盖了 10 个不同的测试用例，但如果要进行更全面的测试，还可以考虑其他值，如负数、极大值或边界附近的值。不过，全面测试很快会变得繁琐，因此需要在测试覆盖率和测试效率之间进行平衡。

建议在编写代码前先制定测试计划，这样可以减少遗漏输入和输出组合的可能性。

6. 实现单元测试

6.1 创建测试类

在 NetBeans 中创建测试计划的步骤如下：
1. 在 NetBeans 的项目视图中，右键单击要测试的类（例如 HappyLlamas.java）。
2. 选择“工具”，然后选择“创建/更新测试”。
3. 按照向导创建新的 JUnit 类：
- 类名应类似于 com.tsg.HappyLlamasTest，com.tsg 应与 HappyLlamas 类的 Java 包名一致。
- 在“位置”下拉菜单中选择“测试包”。
- 不选择“生成代码”复选框列表中的任何选项。
- 不选择“方法访问级别”复选框列表中的任何选项。
- 不选择“生成注释”复选框列表中的任何选项。
4. 点击“确定”。

完成向导后，会生成一个新的 Java 类，类似于以下代码：

public class HappyLlamasTest {

    public HappyLlamasTest() {
    }

    @Test
    public void testSomeMethod() {
    }
}

这个类会显示在项目标签的“测试包”文件夹下。

6.2 编写测试用例

编写测试用例时，需要注意以下几点：
- JUnit 测试方法是普通的 Java 方法，但有特定的结构要求。
- 所有测试方法都必须使用 @Test 注解，否则 JUnit 不会将其作为测试套件的一部分运行。
- 测试方法应是公共的、无返回值的，并且参数列表为空。从 JUnit 5 开始，这些限制有所放宽，测试类可以有除私有以外的任何可见性。
- 为测试用例命名，以便清楚知道测试的内容。
- 每个测试方法应只测试一个输入/输出组合，这样在测试失败时更容易调试。
- 使用 assertXxxx 方法判断测试结果是否符合预期。

以下是一个测试用例的示例：

@Test
public void testNormalTrampoline10() {
    // GIVEN - 为简单方法设置参数
    boolean isNasaFabric = false;
    int numTrampolines = 10;

    // WHEN - 调用被测试的方法并捕获返回值
    boolean result = areTheLlamasHappy(isNasaFabric, numTrampolines);

    // THEN - 断言结果符合预期，并提供额外的错误信息
    assertFalse(result, "10 Llamas w/ Normal Trampolines Should Be Unhappy!");
}

这个测试方法遵循了前面提到的 Given/When/Then 模型。首先设置输入参数，然后调用被测试的方法，最后断言结果符合预期。

Java 单元测试全解析

7. 单元测试的重要性和优势

单元测试在软件开发中具有不可忽视的重要性，它能带来诸多优势，以下为你详细阐述：
- 保证代码质量 ：通过对代码的各个组件进行细致的单元测试，可以及时发现代码中的潜在问题和错误。在开发早期解决这些问题，能避免问题在后续的开发过程中不断放大，从而提高代码的整体质量。
- 支持重构 ：当需要对代码进行重构时，已有的单元测试可以作为保障。只要所有的单元测试都能通过，就可以较为放心地对代码进行修改和优化，因为测试用例能确保重构后的代码仍然保持原有的功能。
- 提高开发效率 ：单元测试可以帮助开发者快速定位问题所在。当某个测试用例失败时，开发者可以根据测试结果迅速找到出现问题的代码部分，从而节省调试时间，提高开发效率。
- 促进代码设计 ：在编写单元测试的过程中，开发者需要将代码设计成易于测试的结构。这促使开发者遵循良好的编程原则，如单一职责原则、依赖注入等，从而提高代码的可维护性和可扩展性。

8. 单元测试的挑战和应对策略

尽管单元测试有很多好处，但在实际实施过程中也会遇到一些挑战，以下是常见的挑战及相应的应对策略：
| 挑战 | 应对策略 |
| ---- | ---- |
| 测试代码维护成本高 | 编写简洁、可维护的测试代码，遵循良好的编程规范。使用测试框架提供的工具和特性，如测试套件、测试数据生成器等，减少重复代码。 |
| 依赖外部资源 | 使用测试桩（Test Stubs）和模拟对象（Mock Objects）来替代外部资源，如数据库、网络服务等。这样可以使测试独立于外部环境，提高测试的稳定性和可重复性。 |
| 测试覆盖率难以达到 100% | 合理确定测试覆盖率的目标，不必追求 100% 的覆盖率。重点关注关键代码和容易出错的部分，确保这些部分得到充分测试。 |
| 测试执行时间长 | 优化测试代码，减少不必要的测试步骤和数据初始化。使用并行测试技术，同时执行多个测试用例，缩短测试执行时间。 |

9. 单元测试的最佳实践

为了更好地进行单元测试，以下是一些最佳实践建议：
- 遵循单一职责原则 ：每个测试用例应该只测试一个功能点或一个代码分支。这样可以使测试用例更加聚焦，便于理解和维护。
- 使用有意义的测试用例名称 ：测试用例的名称应该能够清晰地表达测试的目的和内容。例如， testNormalTrampoline10 这个名称就很明确地表示这是对普通蹦床数量为 10 的情况进行测试。
- 保持测试独立性 ：每个测试用例应该是独立的，不依赖于其他测试用例的执行结果。这样可以确保测试的可重复性和稳定性。
- 定期运行测试 ：将单元测试集成到持续集成（CI）流程中，每次代码提交时都自动运行测试。这样可以及时发现代码中的问题，保证代码质量。

10. 总结与展望

单元测试是软件开发过程中不可或缺的一部分，它对于保证代码质量、提高开发效率和促进代码设计都具有重要意义。通过本文的介绍，我们了解了单元测试的基本概念、JUnit 框架的使用、测试计划的设计和测试用例的编写等内容。

在未来的软件开发中，单元测试的重要性将更加凸显。随着软件系统的不断复杂和规模的不断扩大，对代码质量的要求也越来越高。单元测试将成为开发者保证代码质量的重要手段之一。同时，随着测试技术的不断发展，如自动化测试工具的不断完善、测试框架的不断更新，单元测试的效率和效果也将不断提高。

希望本文能帮助你更好地理解和掌握单元测试的知识和技能，在实际的软件开发中能够熟练运用单元测试来提高代码质量。

下面是一个简单的 mermaid 流程图，展示了单元测试的基本流程：

graph LR
    A[编写测试计划] --> B[创建测试类]
    B --> C[编写测试用例]
    C --> D[运行测试]
    D --> E{测试是否通过}
    E -- 是 --> F[代码完成]
    E -- 否 --> G[修复代码]
    G --> C

这个流程图清晰地展示了单元测试的基本流程：从编写测试计划开始，创建测试类，编写测试用例，然后运行测试。如果测试通过，则代码完成；如果测试失败，则需要修复代码，然后再次运行测试，直到所有测试用例都通过为止。