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单元测试 ​

本节我们介绍Java平台最常用的测试框架JUnit，并详细介绍如何编写单元测试。

编写JUnit测试 ​

什么是单元测试呢？单元测试就是针对最小的功能单元编写测试代码。Java程序最小的功能单元是方法，因此，对Java程序进行单元测试就是针对单个Java方法的测试。

单元测试有什么好处呢？在学习单元测试前，我们可以先了解一下测试驱动开发。

所谓测试驱动开发，是指先编写接口，紧接着编写测试。编写完测试后，我们才开始真正编写实现代码。在编写实现代码的过程中，一边写，一边测，什么时候测试全部通过了，那就表示编写的实现完成了：

    编写接口
     │
     ▼
    编写测试
     │
     ▼
┌─▶ 编写实现
│    │
│ N  ▼
└── 运行测试
     │ Y
     ▼
    任务完成

这就是传说中的……

tdd

当然，这是一种理想情况。大部分情况是我们已经编写了实现代码，需要对已有的代码进行测试。

我们先通过一个示例来看如何编写测试。假定我们编写了一个计算阶乘的类，它只有一个静态方法来计算阶乘：

n!=1×2×3×...×n

代码如下：

java
public class Factorial {
    public static long fact(long n) {
        long r = 1;
        for (long i = 1; i <= n; i++) {
            r = r * i;
        }
        return r;
    }
}

要测试这个方法，一个很自然的想法是编写一个main()方法，然后运行一些测试代码：

java
public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        if (fact(10) == 3628800) {
            System.out.println("pass");
        } else {
            System.out.println("fail");
        }
    }
}

这样我们就可以通过运行main()方法来运行测试代码。

不过，使用main()方法测试有很多缺点：

一是只能有一个main()方法，不能把测试代码分离，二是没有打印出测试结果和期望结果，例如，expected: 3628800, but actual: 123456，三是很难编写一组通用的测试代码。

因此，我们需要一种测试框架，帮助我们编写测试。

JUnit ​

JUnit是一个开源的Java语言的单元测试框架，专门针对Java设计，使用最广泛。JUnit是事实上的单元测试的标准框架，任何Java开发者都应当学习并使用JUnit编写单元测试。

使用JUnit编写单元测试的好处在于，我们可以非常简单地组织测试代码，并随时运行它们，JUnit就会给出成功的测试和失败的测试，还可以生成测试报告，不仅包含测试的成功率，还可以统计测试的代码覆盖率，即被测试的代码本身有多少经过了测试。对于高质量的代码来说，测试覆盖率应该在80%以上。

此外，几乎所有的IDE工具都集成了JUnit，这样我们就可以直接在IDE中编写并运行JUnit测试。JUnit目前最新版本是5。

以Eclipse为例，当我们已经编写了一个Factorial.java文件后，我们想对其进行测试，需要编写一个对应的FactorialTest.java文件，以Test为后缀是一个惯例，并分别将其放入src和test目录中。最后，在Project - Properties - Java Build Path - Libraries中添加JUnit 5的库：

junit-lib

整个项目结构如下：

junit-test-structure

我们来看一下FactorialTest.java的内容：

java
package com.itranswarp.learnjava;

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

public class FactorialTest {

    @Test
    void testFact() {
        assertEquals(1, Factorial.fact(1));
        assertEquals(2, Factorial.fact(2));
        assertEquals(6, Factorial.fact(3));
        assertEquals(3628800, Factorial.fact(10));
        assertEquals(2432902008176640000L, Factorial.fact(20));
    }
}

核心测试方法testFact()加上了@Test注解，这是JUnit要求的，它会把带有@Test的方法识别为测试方法。在测试方法内部，我们用assertEquals(1, Factorial.fact(1))表示，期望Factorial.fact(1)返回1。assertEquals(expected, actual)是最常用的测试方法，它在Assertion类中定义。Assertion还定义了其他断言方法，例如：

  • assertTrue(): 期待结果为true
  • assertFalse(): 期待结果为false
  • assertNotNull(): 期待结果为非null
  • assertArrayEquals(): 期待结果为数组并与期望数组每个元素的值均相等
  • ...

运行单元测试非常简单。选中FactorialTest.java文件，点击Run - Run As - JUnit Test，Eclipse会自动运行这个JUnit测试，并显示结果：

junit-test-ok

如果测试结果与预期不符，assertEquals()会抛出异常，我们就会得到一个测试失败的结果：

junit-test-failed

在Failure Trace中，JUnit会告诉我们详细的错误结果：

plain
org.opentest4j.AssertionFailedError: expected: <3628800> but was: <362880>
	at org.junit.jupiter.api.AssertionUtils.fail(AssertionUtils.java:55)
	at org.junit.jupiter.api.AssertEquals.failNotEqual(AssertEquals.java:195)
	at org.junit.jupiter.api.AssertEquals.assertEquals(AssertEquals.java:168)
	at org.junit.jupiter.api.AssertEquals.assertEquals(AssertEquals.java:163)
	at org.junit.jupiter.api.Assertions.assertEquals(Assertions.java:611)
	at com.itranswarp.learnjava.FactorialTest.testFact(FactorialTest.java:14)
	at java.base/jdk.internal.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke0(Native Method)
	at ...

第一行的失败信息的意思是期待结果3628800但是实际返回是362880，此时，我们要么修正实现代码，要么修正测试代码，直到测试通过为止。

使用浮点数时，由于浮点数无法精确地进行比较，因此，我们需要调用assertEquals(double expected, double actual, double delta)这个重载方法，指定一个误差值：

java
assertEquals(0.1, Math.abs(1 - 9 / 10.0), 0.0000001);

单元测试的好处 ​

单元测试可以确保单个方法按照正确预期运行，如果修改了某个方法的代码，只需确保其对应的单元测试通过，即可认为改动正确。此外，测试代码本身就可以作为示例代码，用来演示如何调用该方法。

使用JUnit进行单元测试，我们可以使用断言（Assertion）来测试期望结果，可以方便地组织和运行测试，并方便地查看测试结果。此外，JUnit既可以直接在IDE中运行，也可以方便地集成到Maven这些自动化工具中运行。

在编写单元测试的时候，我们要遵循一定的规范：

一是单元测试代码本身必须非常简单，能一下看明白，决不能再为测试代码编写测试；

二是每个单元测试应当互相独立，不依赖运行的顺序；

三是测试时不但要覆盖常用测试用例，还要特别注意测试边界条件，例如输入为0，null，空字符串""等情况。

练习 ​

使用JUnit编写测试代码。

下载练习

小结 ​

JUnit是一个单元测试框架，专门用于运行我们编写的单元测试：

一个JUnit测试包含若干@Test方法，并使用Assertions进行断言，注意浮点数assertEquals()要指定delta。

使用Fixture ​

在一个单元测试中，我们经常编写多个@Test方法，来分组、分类对目标代码进行测试。

在测试的时候，我们经常遇到一个对象需要初始化，测试完可能还需要清理的情况。如果每个@Test方法都写一遍这样的重复代码，显然比较麻烦。

JUnit提供了编写测试前准备、测试后清理的固定代码，我们称之为Fixture。

我们来看一个具体的Calculator的例子：

java
public class Calculator {
    private long n = 0;

    public long add(long x) {
        n = n + x;
        return n;
    }

    public long sub(long x) {
        n = n - x;
        return n;
    }
}

这个类的功能很简单，但是测试的时候，我们要先初始化对象，我们不必在每个测试方法中都写上初始化代码，而是通过@BeforeEach来初始化，通过@AfterEach来清理资源：

java
public class CalculatorTest {

    Calculator calculator;

    @BeforeEach
    public void setUp() {
        this.calculator = new Calculator();
    }

    @AfterEach
    public void tearDown() {
        this.calculator = null;
    }

    @Test
    void testAdd() {
        assertEquals(100, this.calculator.add(100));
        assertEquals(150, this.calculator.add(50));
        assertEquals(130, this.calculator.add(-20));
    }

    @Test
    void testSub() {
        assertEquals(-100, this.calculator.sub(100));
        assertEquals(-150, this.calculator.sub(50));
        assertEquals(-130, this.calculator.sub(-20));
    }
}

在CalculatorTest测试中，有两个标记为@BeforeEach和@AfterEach的方法，它们会在运行每个@Test方法前后自动运行。

上面的测试代码在JUnit中运行顺序如下：

java
for (Method testMethod : findTestMethods(CalculatorTest.class)) {
    var test = new CalculatorTest(); // 创建Test实例
    invokeBeforeEach(test);
        invokeTestMethod(test, testMethod);
    invokeAfterEach(test);
}

可见，@BeforeEach和@AfterEach会“环绕”在每个@Test方法前后。

还有一些资源初始化和清理可能更加繁琐，而且会耗费较长的时间，例如初始化数据库。JUnit还提供了@BeforeAll和@AfterAll，它们在运行所有@Test前后运行，顺序如下：

java
invokeBeforeAll(CalculatorTest.class);
for (Method testMethod : findTestMethods(CalculatorTest.class)) {
    var test = new CalculatorTest(); // 创建Test实例
    invokeBeforeEach(test);
        invokeTestMethod(test, testMethod);
    invokeAfterEach(test);
}
invokeAfterAll(CalculatorTest.class);

因为@BeforeAll和@AfterAll在所有@Test方法运行前后仅运行一次，因此，它们只能初始化静态变量，例如：

java
public class DatabaseTest {
    static Database db;

    @BeforeAll
    public static void initDatabase() {
        db = createDb(...);
    }
    
    @AfterAll
    public static void dropDatabase() {
        ...
    }
}

事实上，@BeforeAll和@AfterAll也只能标注在静态方法上。

因此，我们总结出编写Fixture的套路如下：

  1. 对于实例变量，在@BeforeEach中初始化，在@AfterEach中清理，它们在各个@Test方法中互不影响，因为是不同的实例；
  2. 对于静态变量，在@BeforeAll中初始化，在@AfterAll中清理，它们在各个@Test方法中均是唯一实例，会影响各个@Test方法。

大多数情况下，使用@BeforeEach和@AfterEach就足够了。只有某些测试资源初始化耗费时间太长，以至于我们不得不尽量“复用”时才会用到@BeforeAll和@AfterAll。

最后，注意到每次运行一个@Test方法前，JUnit首先创建一个XxxTest实例，因此，每个@Test方法内部的成员变量都是独立的，不能也无法把成员变量的状态从一个@Test方法带到另一个@Test方法。

练习 ​

使用Fixture编写单元测试。

下载练习

小结 ​

编写Fixture是指针对每个@Test方法，编写@BeforeEach方法用于初始化测试资源，编写@AfterEach用于清理测试资源；

必要时，可以编写@BeforeAll和@AfterAll，使用静态变量来初始化耗时的资源，并且在所有@Test方法的运行前后仅执行一次。

异常测试 ​

在Java程序中，异常处理是非常重要的。

我们自己编写的方法，也经常抛出各种异常。对于可能抛出的异常进行测试，本身就是测试的重要环节。

因此，在编写JUnit测试的时候，除了正常的输入输出，我们还要特别针对可能导致异常的情况进行测试。

我们仍然用Factorial举例：

java
public class Factorial {
    public static long fact(long n) {
        if (n < 0) {
            throw new IllegalArgumentException();
        }
        long r = 1;
        for (long i = 1; i <= n; i++) {
            r = r * i;
        }
        return r;
    }
}

在方法入口，我们增加了对参数n的检查，如果为负数，则直接抛出IllegalArgumentException。

现在，我们希望对异常进行测试。在JUnit测试中，我们可以编写一个@Test方法专门测试异常：

java
@Test
void testNegative() {
    assertThrows(IllegalArgumentException.class, new Executable() {
        @Override
        public void execute() throws Throwable {
            Factorial.fact(-1);
        }
    });
}

JUnit提供assertThrows()来期望捕获一个指定的异常。第二个参数Executable封装了我们要执行的会产生异常的代码。当我们执行Factorial.fact(-1)时，必定抛出IllegalArgumentException。assertThrows()在捕获到指定异常时表示通过测试，未捕获到异常，或者捕获到的异常类型不对，均表示测试失败。

有些童鞋会觉得编写一个Executable的匿名类太繁琐了。实际上，Java 8开始引入了函数式编程，所有单方法接口都可以简写如下：

java
@Test
void testNegative() {
    assertThrows(IllegalArgumentException.class, () -> {
        Factorial.fact(-1);
    });
}

上述奇怪的->语法就是函数式接口的实现代码，我们会在后面详细介绍。现在，我们只需要通过这种固定的代码编写能抛出异常的语句即可。

练习 ​

观察Factorial.fact()方法，注意到由于long型整数有范围限制，当我们传入参数21时，得到的结果是-4249290049419214848，而不是期望的51090942171709440000，因此，当传入参数大于20时，Factorial.fact()方法应当抛出ArithmeticException。请编写测试并修改实现代码，确保测试通过。

下载练习

小结 ​

测试异常可以使用assertThrows()，期待捕获到指定类型的异常；

对可能发生的每种类型的异常都必须进行测试。

条件测试 ​

在运行测试的时候，有些时候，我们需要排出某些@Test方法，不要让它运行，这时，我们就可以给它标记一个@Disabled：

java
@Disabled
@Test
void testBug101() {
    // 这个测试不会运行
}

为什么我们不直接注释掉@Test，而是要加一个@Disabled？这是因为注释掉@Test，JUnit就不知道这是个测试方法，而加上@Disabled，JUnit仍然识别出这是个测试方法，只是暂时不运行。它会在测试结果中显示：

plain
Tests run: 68, Failures: 2, Errors: 0, Skipped: 5

类似@Disabled这种注解就称为条件测试（Conditional Test），JUnit根据不同的条件注解，决定是否运行当前的@Test方法。

我们来看一个例子：

java
public class Config {
    public String getConfigFile(String filename) {
        String os = System.getProperty("os.name").toLowerCase();
        if (os.contains("win")) {
            return "C:\\" + filename;
        }
        if (os.contains("mac") || os.contains("linux") || os.contains("unix")) {
            return "/usr/local/" + filename;
        }
        throw new UnsupportedOperationException();
    }
}

我们想要测试getConfigFile()这个方法，但是在Windows上跑，和在Linux上跑的代码路径不同，因此，针对两个系统的测试方法，其中一个只能在Windows上跑，另一个只能在Mac/Linux上跑：

java
@Test
void testWindows() {
    assertEquals("C:\\test.ini", config.getConfigFile("test.ini"));
}

@Test
void testLinuxAndMac() {
    assertEquals("/usr/local/test.cfg", config.getConfigFile("test.cfg"));
}

因此，我们给上述两个测试方法分别加上条件如下：

java
@Test
@EnabledOnOs(OS.WINDOWS)
void testWindows() {
    assertEquals("C:\\test.ini", config.getConfigFile("test.ini"));
}

@Test
@EnabledOnOs({ OS.LINUX, OS.MAC })
void testLinuxAndMac() {
    assertEquals("/usr/local/test.cfg", config.getConfigFile("test.cfg"));
}

@EnableOnOs就是一个条件测试判断。

我们来看一些常用的条件测试：

不在Windows平台执行的测试，可以加上@DisabledOnOs(OS.WINDOWS)：

java
@Test
@DisabledOnOs(OS.WINDOWS)
void testOnNonWindowsOs() {
    // TODO: this test is disabled on windows
}

只能在Java 9或更高版本执行的测试，可以加上@DisabledOnJre(JRE.JAVA_8)：

java
@Test
@DisabledOnJre(JRE.JAVA_8)
void testOnJava9OrAbove() {
    // TODO: this test is disabled on java 8
}

只能在64位操作系统上执行的测试，可以用@EnabledIfSystemProperty判断：

java
@Test
@EnabledIfSystemProperty(named = "os.arch", matches = ".*64.*")
void testOnlyOn64bitSystem() {
    // TODO: this test is only run on 64 bit system
}

需要传入环境变量DEBUG=true才能执行的测试，可以用@EnabledIfEnvironmentVariable：

java
@Test
@EnabledIfEnvironmentVariable(named = "DEBUG", matches = "true")
void testOnlyOnDebugMode() {
    // TODO: this test is only run on DEBUG=true
}

当我们在JUnit中运行所有测试的时候，JUnit会给出执行的结果。在IDE中，我们能很容易地看到没有执行的测试：

junit-conditional-test

带有⊘标记的测试方法表示没有执行。

练习 ​

在JUnit测试中使用条件测试。

下载练习

小结 ​

条件测试是根据某些注解在运行期让JUnit自动忽略某些测试。

参数化测试 ​

如果待测试的输入和输出是一组数据，可以把测试数据组织起来，用不同的测试数据调用相同的测试方法，这就是参数化测试。

参数化测试和普通测试稍微不同的地方在于，一个测试方法需要接收至少一个参数，然后，传入一组参数反复运行。

JUnit提供了一个@ParameterizedTest注解，用来进行参数化测试。

假设我们想对Math.abs()进行测试，先用一组正数进行测试：

java
@ParameterizedTest
@ValueSource(ints = { 0, 1, 5, 100 })
void testAbs(int x) {
    assertEquals(x, Math.abs(x));
}

再用一组负数进行测试：

java
@ParameterizedTest
@ValueSource(ints = { -1, -5, -100 })
void testAbsNegative(int x) {
    assertEquals(-x, Math.abs(x));
}

注意到参数化测试的注解是@ParameterizedTest，而不是普通的@Test。

实际的测试场景往往没有这么简单。假设我们自己编写了一个StringUtils.capitalize()方法，它会把字符串的第一个字母变为大写，后续字母变为小写：

java
public class StringUtils {
    public static String capitalize(String s) {
        if (s.length() == 0) {
            return s;
        }
        return Character.toUpperCase(s.charAt(0)) + s.substring(1).toLowerCase();
    }
}

要用参数化测试的方法来测试，我们不但要给出输入，还要给出预期输出。因此，测试方法至少需要接收两个参数：

java
@ParameterizedTest
void testCapitalize(String input, String result) {
    assertEquals(result, StringUtils.capitalize(input));
}

现在问题来了：参数如何传入？

最简单的方法是通过@MethodSource注解，它允许我们编写一个同名的静态方法来提供测试参数：

java
@ParameterizedTest
@MethodSource
void testCapitalize(String input, String result) {
    assertEquals(result, StringUtils.capitalize(input));
}

static List<Arguments> testCapitalize() {
    return List.of( // arguments:
            Arguments.of("abc", "Abc"), //
            Arguments.of("APPLE", "Apple"), //
            Arguments.of("gooD", "Good"));
}

上面的代码很容易理解：静态方法testCapitalize()返回了一组测试参数，每个参数都包含两个String，正好作为测试方法的两个参数传入。

提示

如果静态方法和测试方法的名称不同，@MethodSource也允许指定方法名。但使用默认同名方法最方便。

另一种传入测试参数的方法是使用@CsvSource，它的每一个字符串表示一行，一行包含的若干参数用,分隔，因此，上述测试又可以改写如下：

java
@ParameterizedTest
@CsvSource({ "abc, Abc", "APPLE, Apple", "gooD, Good" })
void testCapitalize(String input, String result) {
    assertEquals(result, StringUtils.capitalize(input));
}

如果有成百上千的测试输入，那么，直接写@CsvSource就很不方便。这个时候，我们可以把测试数据提到一个独立的CSV文件中，然后标注上@CsvFileSource：

java
@ParameterizedTest
@CsvFileSource(resources = { "/test-capitalize.csv" })
void testCapitalizeUsingCsvFile(String input, String result) {
    assertEquals(result, StringUtils.capitalize(input));
}

JUnit只在classpath中查找指定的CSV文件，因此，test-capitalize.csv这个文件要放到test目录下，内容如下：

plain
apple, Apple
HELLO, Hello
JUnit, Junit
reSource, Resource

练习 ​

对StringUtils进行参数化测试。

下载练习

小结 ​

使用参数化测试，可以提供一组测试数据，对一个测试方法反复测试；

参数既可以在测试代码中写死，也可以通过@CsvFileSource放到外部的CSV文件中。