41、Java 单元测试与有状态代码测试全解析

Java 单元测试与有状态代码测试全解析

1. 单元测试基础

单元测试是软件开发过程中至关重要的一环，它主要针对软件应用的最低级组件进行测试。开发者有责任为每个类创建单元测试，通常会借助自动化单元测试框架，如 JUnit 来完成。

1.1 测试方法示例

在编写单元测试时，我们可以按照以下步骤进行：
1. 定义测试所需的变量，这些变量应符合测试计划的要求。
2. 使用这些变量作为参数调用待测试的方法，并捕获其返回结果。
3. 运用断言方法检查方法的返回值是否符合预期。

以下是一个简单的示例，假设我们要测试一个方法，预期其返回值为 false：

// 假设这是测试代码的一部分
// 定义变量
// ...

// 调用方法并捕获结果
// ...

// 使用断言检查返回值
assertThat(result, is(false));

1.2 运行 JUnit 测试

运行 JUnit 测试的步骤如下：
1. 执行 Clean & Build 操作。
2. 在项目视图中右键单击项目，从下拉菜单中选择 Test，这将运行与该项目关联的所有单元测试。
3. 测试结果会显示在 Test Results 窗口中，你可以深入查看具体测试的结果。

如果不小心关闭了 Test Results 窗口，在 NetBeans 中可以通过导航到 Window ➢ IDE Tools ➢ Test Results 来重新打开它。

1.3 运行单个测试文件

测试文件位于 Test Packages 项目文件夹中。若要运行单个测试文件，可右键单击相应的测试文件，然后选择 Test File，这样只会运行该文件中描述的测试。

1.4 NetBeans 版本问题及解决方法

对于 NetBeans 10 及更高版本，在构建过程的测试步骤中可能会出现测试方法无法正确触发的问题。可以通过在项目的 pom.xml 文件中添加以下代码来解决，通常在 properties 节点之后添加：

<build>
    <plugins>
        <plugin>
            <artifactId>maven-surefire-plugin</artifactId>
            <version>2.19.1</version>
            <dependencies>
                <dependency>
                    <groupId>org.junit.platform</groupId>
                    <artifactId>junit-platform-surefire-provider</artifactId>
                    <version>1.1.0</version>
                </dependency>
            </dependencies>
        </plugin>
    </plugins>
</build>

1.5 单元测试要点总结

• 测试类型 ：
  • 黑盒测试 ：仅测试软件组件承诺的功能，不考虑实现细节。
  • 玻璃盒测试（白盒测试） ：考虑实现细节，旨在测试组件的所有可能路径。
• 测试方法 ：采用 Given/When/Then 方法，即先将系统置于已知良好状态并创建所需测试数据，然后使用这些数据运行待测试代码，最后检查实际结果是否与预期结果匹配。
• 测试驱动开发（TDD） ：在实现组件之前先构建单元测试，也称为 Red/Green/Refactor 方法。
• 测试存根 ：可用于简化某些组件的单元测试。
• 测试计划 ：在编写代码之前，应制定测试计划，明确测试方法所需的所有输入/输出组合。
• 测试方法要求 ：
  • 每个测试方法应尽可能只测试少量内容，同时保持测试的有效性，即测试方法应尽可能细化。
  • 标记有 @Test 注解的方法将由 JUnit 作为测试套件的一部分运行。
  • 测试方法必须标记为 @Test，为 public 类型，不返回任何值，且无参数。
  • JUnit 提供了许多 assertXxxx 方法，用于在测试中断言实际结果与预期结果是否匹配。

2. 有状态代码测试

有状态代码的测试比无状态代码更为复杂，因为相同的输入可能会根据代码的状态产生不同的输出。

2.1 有状态代码测试难点示例

以银行应用的账户部分测试为例，账户组件包含存款、取款和查询余额等功能。当测试存款方法时，我们向账户存入 100 美元，之后查询余额。但由于不知道测试开始前账户的余额，我们无法确定此时的余额应该是多少。如果再存入 100 美元，同样无法确定新的余额。这就体现了有状态代码测试的复杂性。

2.2 无状态与有状态代码测试的区别

比较项	无状态代码测试	有状态代码测试
测试前状态要求	无需考虑系统状态	必须将系统置于已知良好状态
测试顺序影响	多次调用相同方法，结果不受调用顺序影响	相同方法多次调用，结果可能因调用顺序不同而不同
方法调用结果关联	一个方法的调用结果不受其他方法调用的影响	一个方法的调用结果可能依赖于其他方法的调用次数和参数

2.3 分离生产数据和测试数据

在 Class Roster 应用中，DAO 的主要职责是存储和检索学生信息，而不改变这些数据。但 DAO 的实现与文件系统紧密相关，使用 DAO 会修改工作应用中当前存储的数据。因此，需要将生产数据和测试数据分离。

具体操作如下：
1. 将 ClassRosterDaoFileImpl 类中的 ROSTER_FILE 变量改为声明形式，移除其 static 关键字，并将其名称改为小写的 roster_file：

private final String roster_file;

2. 为 ClassRosterDaoFileImpl 类添加新的构造方法：

public ClassRosterDaoFileImpl(){
    roster_file = "roster.txt";
}

public ClassRosterDaoFileImpl(String rosterTextFile){
    roster_file = rosterTextFile;
}

第一个无参构造方法提供了原始的默认行为，将 roster.txt 赋值给 roster_file 变量；第二个重载构造方法允许在创建实例时指定其他文件，方便测试设置，避免覆盖生产应用数据。

2.4 为 Student 类添加方法

2.4.1 添加 hashCode 和 equals 方法

为了便于测试，我们需要为 Student 对象实现 equals 和 hashCode 方法。默认的 equals 方法仅比较两个 Student 对象的堆内存地址，而在测试中，我们更希望比较它们的字段值。因此，我们需要重写这两个方法。

添加步骤如下：
1. 打开 Student 类，右键单击类名，从弹出菜单中选择 Insert Code。
2. 在选项列表中选择 equals() 和 hashCode()。
3. 选中两个部分的所有四个复选框，确保考虑所有 Student 属性。
4. 点击 Generate 按钮。

生成的方法示例如下：

@Override
public int hashCode() {
    int hash = 7;
    hash = 89 * hash + Objects.hashCode(this.firstName);
    hash = 89 * hash + Objects.hashCode(this.lastName);
    hash = 89 * hash + Objects.hashCode(this.studentId);
    hash = 89 * hash + Objects.hashCode(this.cohort);
    return hash;
}

@Override
public boolean equals(Object obj) {
    if (this == obj) {
        return true;
    }
    if (obj == null) {
        return false;
    }
    if (getClass() != obj.getClass()) {
        return false;
    }
    final Student other = (Student) obj;
    if (!Objects.equals(this.firstName, other.firstName)) {
        return false;
    }
    if (!Objects.equals(this.lastName, other.lastName)) {
        return false;
    }
    if (!Objects.equals(this.studentId, other.studentId)) {
        return false;
    }
    if (!Objects.equals(this.cohort, other.cohort)) {
        return false;
    }
    return true;
}

需要注意的是，如果重写了 equals 或 hashCode 方法，必须同时重写另一个方法，并且在两个方法中使用相同的属性，否则可能会导致 Java 代码出现异常或错误。

2.4.2 添加 toString 方法

为了方便测试失败时查看信息，建议为 Student 类添加重写的 toString 方法。默认的 toString 方法仅序列化对象的类名和哈希码，可读性较差。重写该方法可以输出对象的所有属性值，便于在查看测试日志时更好地了解问题。

添加步骤与添加 equals 和 hashCode 方法类似：
1. 右键单击 Student 类名，选择 Insert Code。
2. 从菜单中选择 toString 以显示代码生成对话框。
3. 选中所有字段，然后点击 Generate 按钮。

生成的 toString 方法示例如下：

@Override
public String toString() {
    return "Student{" + "firstName=" + firstName + ", lastName=" + lastName + 
", studentId=" + studentId + ", cohort=" + cohort + '}';
}

2.5 创建测试类

创建 JUnit 测试类以包含 DAO 的测试套件，步骤如下：
1. 在 NetBeans 的项目视图中，右键单击 ClassRosterDaoFileImpl 类。
2. 选择 Tools，然后选择 Create/Update Tests。
3. 按照向导创建新的 JUnit 类：
- 类名应类似于 classroster.dao.ClassRosterDaoFileImplTest。
- 在 Location 下拉菜单中选择 Test Packages。
- 选中 Generated Code Checkbox List 中的所有选项。
- 不选中 Method Access Levels Checkbox List 中的任何选项。
- 不选中 Generated Comments Checkbox List 中的任何选项。
4. 点击 OK。

完成向导后，将得到一个类似于以下的新 Java 类：

public class ClassRosterDaoFileImplTest {

    public ClassRosterDaoFileImplTest() {
    }

    @BeforeAll
    public static void setUpClass() {
    }

    @AfterAll
    public static void tearDownClass() {
    }

    @BeforeEach
    public void setUp() {
    }

    @AfterEach
    public void tearDown() {
    }

    @Test
    public void testSomeMethod() {
        fail("The test case is a prototype.");
    }

}

2.6 JUnit 的设置和清理方法

JUnit 框架提供了四个注解方法，帮助将测试代码置于已知良好状态：
- @BeforeAll 注解的 setUpClass 方法：这是一个静态方法，在测试类初始化时运行一次，可用于设置外部资源。
- @AfterAll 注解的 tearDownClass 方法：这是一个静态方法，在所有测试运行完毕后运行一次，可用于清理外部资源。
- @BeforeEach 注解的 setUp 方法：这是一个非静态方法，在 JUnit 测试类中的每个测试方法运行之前运行一次，可用于在每次测试前将系统设置为已知良好状态。
- @AfterEach 注解的 tearDown 方法：这是一个非静态方法，在 JUnit 测试类中的每个测试方法完成后运行一次，可用于在每次测试后进行清理工作。

通过合理使用这些方法，我们可以更好地管理测试环境，确保每个测试都在一致的条件下进行，从而提高测试的准确性和可靠性。

综上所述，无论是单元测试基础还是有状态代码测试，都需要我们仔细规划和执行，以确保软件的质量和稳定性。在实际开发中，应根据具体情况选择合适的测试方法和工具，不断优化测试流程，提高开发效率。

3. 有状态代码测试流程总结

为了更清晰地展示有状态代码测试的整体流程，我们可以用 mermaid 格式的流程图来表示：

graph LR
    classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px
    classDef decision fill:#FFF6CC,stroke:#FFBC52,stroke-width:2px

    A([开始]):::startend --> B(分离生产和测试数据):::process
    B --> C(为对象添加必要方法):::process
    C --> D(创建测试类):::process
    D --> E(使用 JUnit 设置和清理方法):::process
    E --> F(执行测试):::process
    F --> G{测试是否通过?}:::decision
    G -->|是| H([结束]):::startend
    G -->|否| I(调试和修复):::process
    I --> F

这个流程图展示了有状态代码测试的主要步骤：
1. 分离生产数据和测试数据，避免测试对生产数据造成影响。
2. 为相关对象添加必要的方法，如 hashCode 、 equals 和 toString 方法，方便测试和结果查看。
3. 创建 JUnit 测试类，包含 DAO 的测试套件。
4. 使用 JUnit 的设置和清理方法，确保测试环境的一致性。
5. 执行测试，并根据测试结果进行判断。如果测试通过，则结束测试；如果测试失败，则进行调试和修复，然后重新执行测试。

4. 测试方法实践与优化

4.1 测试方法示例

下面我们通过一个具体的示例来展示如何编写有状态代码的测试方法。假设我们要测试 ClassRosterDaoFileImpl 类中的 addStudent 方法，该方法用于向学生名册中添加学生。

import org.junit.jupiter.api.BeforeEach;
import org.junit.jupiter.api.Test;
import static org.junit.jupiter.api.Assertions.*;

public class ClassRosterDaoFileImplTest {

    private ClassRosterDaoFileImpl dao;

    @BeforeEach
    public void setUp() {
        // 使用测试数据文件创建 DAO 实例
        dao = new ClassRosterDaoFileImpl("test_roster.txt");
    }

    @Test
    public void testAddStudent() {
        // 给定：创建一个新的学生对象
        Student student = new Student("S001", "John", "Doe", "Cohort1");

        // 当：调用 addStudent 方法添加学生
        try {
            dao.addStudent(student.getStudentId(), student);
        } catch (PersistenceException e) {
            fail("添加学生时不应抛出异常", e);
        }

        // 然后：检查学生是否成功添加
        Student retrievedStudent = dao.getStudent(student.getStudentId());
        assertNotNull(retrievedStudent, "学生应成功添加到名册中");
        assertEquals(student, retrievedStudent, "添加的学生信息应与检索的学生信息一致");
    }
}

4.2 测试方法优化建议

• 测试用例覆盖 ：确保测试用例覆盖了各种可能的情况，包括正常情况和异常情况。例如，在测试 addStudent 方法时，除了测试正常添加学生的情况，还应测试添加已存在学生 ID 的学生、添加空学生对象等异常情况。
• 测试数据管理 ：使用不同的测试数据文件进行测试，避免测试数据之间的相互影响。同时，在测试结束后，及时清理测试数据文件，确保测试环境的干净。
• 测试方法独立性 ：每个测试方法应相互独立，不依赖于其他测试方法的执行结果。可以使用 @BeforeEach 和 @AfterEach 方法来确保每个测试方法在独立的环境中运行。

4.3 测试结果分析

在执行测试后，我们需要对测试结果进行分析。JUnit 的 Test Results 窗口会列出所有选择运行的测试，并显示测试是否通过。如果测试失败，我们可以通过以下步骤进行分析：
1. 查看 Test Results 窗口中的详细信息，了解测试失败的具体原因。
2. 双击测试结果，跳转到测试用例的代码处，查看测试代码和被测试代码。
3. 设置断点，对测试代码进行调试，逐步执行代码，找出问题所在。

5. 总结

5.1 关键知识点回顾

• 单元测试基础 ：单元测试针对软件应用的最低级组件，使用自动化测试框架如 JUnit 进行。遵循 Given/When/Then 方法，编写测试计划，确保测试方法细化和有效。
• 有状态代码测试 ：有状态代码测试比无状态代码复杂，需要考虑系统状态、测试顺序和方法调用结果的关联。分离生产和测试数据，为对象添加必要方法，创建测试类并使用 JUnit 的设置和清理方法。

5.2 测试的重要性

单元测试和有状态代码测试在软件开发过程中具有重要意义：
- 提高软件质量 ：通过测试可以发现代码中的缺陷和问题，及时进行修复，避免在生产环境中出现严重的错误。
- 增强代码可维护性 ：良好的测试用例可以作为代码的文档，帮助开发者理解代码的功能和使用方法。同时，在对代码进行修改时，测试可以确保修改不会引入新的问题。
- 促进开发效率 ：在开发过程中及时进行测试，可以快速反馈问题，减少调试时间，提高开发效率。

5.3 未来展望

随着软件系统的不断发展和复杂化，测试技术也在不断进步。未来，我们可以关注以下方面的发展：
- 自动化测试框架的改进 ：不断优化自动化测试框架，提高测试的准确性和效率。
- 测试工具的集成 ：将测试工具与开发工具、持续集成工具等进行集成，实现测试的自动化和持续化。
- 人工智能在测试中的应用 ：利用人工智能技术进行测试用例的生成、测试结果的分析等，提高测试的智能化水平。

通过不断学习和实践，我们可以更好地掌握单元测试和有状态代码测试的技术，提高软件的质量和开发效率。在实际项目中，应根据项目的特点和需求，选择合适的测试方法和工具，确保软件的稳定性和可靠性。