單元測(cè)試中狀態(tài)驗(yàn)證和行為驗(yàn)證其背后的過程式思想和OOP思想

單元測(cè)試本身并不嚴(yán)格限制過程式還是OOP，白盒還是黑盒，因而測(cè)試用例的寫法具有很大的隨意性。一些程序員對(duì)于C++/Java/C#等OO語法特性津津樂道，但卻沒有掌握OOP的基本思想。怎么知道呢？就從編寫的單元測(cè)試用例就能看出來。單元測(cè)試用例的編寫可以直接反映一個(gè)程序員是否真正理解了什么是過程式編程，什么是OOP。我甚至覺得，如果在面試中要考察面試者對(duì)OOP的掌握程度，考察編寫單元測(cè)試是一種最好的方法。所以，本文打算介紹單元測(cè)試中狀態(tài)驗(yàn)證和行為驗(yàn)證兩種不同的方式，并分析其背后的過程式思想和OOP思想。

過程式和狀態(tài)驗(yàn)證

以機(jī)器語言和匯編語言為代表的早期命令式程序設(shè)計(jì)語言是von Neumann體系結(jié)構(gòu)“存儲(chǔ)程序”（Stored Program）思想的直接體現(xiàn)。在命令式程序設(shè)計(jì)中，用變量表示數(shù)據(jù)，用語句表示由計(jì)算機(jī)執(zhí)行的指令；程序的執(zhí)行效果體現(xiàn)在語句對(duì)變量值的改變上。后來，以C語言為代表的高級(jí)語言在此的基礎(chǔ)上引入了過程抽象(Procedure Abstraction)，通過定義過程/函數(shù)/子程序(Procedure/Function/Subroutine)對(duì)一系列的語句進(jìn)行抽象，形成了過程式程序設(shè)計(jì)。變量和函數(shù)這兩種基本元素構(gòu)成了“變量+函數(shù)”的二元結(jié)構(gòu)。函數(shù)的設(shè)計(jì)一般采用自頂向下分而治之的方式，大函數(shù)套小函數(shù)，層層細(xì)化。

圖1，過程式“變量+函數(shù)”的二元結(jié)構(gòu)

過程式程序的單元測(cè)試用例多與函數(shù)對(duì)應(yīng)，在一個(gè)用例中專門測(cè)試某一個(gè)函數(shù)。單元測(cè)試的準(zhǔn)備工作好包括：設(shè)置全局變量和輸入變量等非被測(cè)函數(shù)局部變量的值；檢查內(nèi)容包括：檢查函數(shù)的返回值，以及非被測(cè)函數(shù)局部變量的值。我們稱這種通過檢查非被測(cè)函數(shù)局部變量值的方式驗(yàn)證函數(shù)正確性的單元測(cè)試方法為狀態(tài)驗(yàn)證(State Verification)。

下面我們以一個(gè)經(jīng)典的堆棧(Stack)為例說明在過程式程序中單元測(cè)試的基本方法：

/*C語言*/

void test_push(){

    Stack *pStack = create_stack();//創(chuàng)建結(jié)構(gòu)體stack

    push(pStack, 1);

    ASSERT_EQUAL(1, pStack->items[0]); /*狀態(tài)驗(yàn)證*/

    push(pStack, 2);

    ASSERT_EQUAL(2, pStack->items[1]); /*狀態(tài)驗(yàn)證*/

}

void test_pop(){

    Stack *pStack = create_stack();/*創(chuàng)建結(jié)構(gòu)體stack*/

    pStack->size = 2;

    pStack->items[0] = 1;

    pStack->items[1] = 2;/*狀態(tài)準(zhǔn)備*/

    int item2 = pop(pStack));

    ASSERT_EQUAL(2, item2);

    int item2 = pop(pStack));

    ASSERT_EQUAL(2, item2);

}

OOP和行為驗(yàn)證

上面堆棧的例子中，我們注意到push和pop兩個(gè)函數(shù)是由同一組變量而關(guān)聯(lián)起來的，它們共同協(xié)作才實(shí)現(xiàn)了堆棧的先入后出(FILO)功能。那么，我們能不能提供一種抽象機(jī)制，把原先分離的操作關(guān)聯(lián)起來，通過定義一個(gè)新的類型形成一個(gè)有機(jī)整體呢？這就是數(shù)據(jù)抽象(Data Abstraction)的基本思想，也是OOP的根源。用化學(xué)的語言，如果把int, char等基本類型比喻為單質(zhì)，那么OOP通過數(shù)據(jù)抽象形成的抽象數(shù)據(jù)類型(Abstract Data Type)就好像一種化合物。類型(Type)是數(shù)學(xué)概念，強(qiáng)調(diào)語義，類(Class)是C++/Java/C#等OOP語言為定義類型而提供的語法機(jī)制。其中，類的封裝性(Encapsulation)是其根本特性。相比過程式程序，封裝對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了信息隱藏，把“變量+函數(shù)”的二元結(jié)構(gòu)變成了對(duì)象的一元結(jié)構(gòu)，只允許對(duì)象通過public方法與外部通信。

圖2，OOP對(duì)象的一元結(jié)構(gòu)

相應(yīng)的，OOP程序的單元測(cè)試也以對(duì)象的行為驗(yàn)證為主。行為驗(yàn)證(Behavior Verification)是指從類型規(guī)范出發(fā)，通過一個(gè)場(chǎng)景驗(yàn)證對(duì)象行為符合類型規(guī)范。比如：對(duì)于堆棧，其類型規(guī)范即FILO，那么行為驗(yàn)證就是要構(gòu)造一個(gè)場(chǎng)景，檢驗(yàn)堆棧對(duì)象的push和pop方法符合FILO規(guī)范。下面是用C++語言實(shí)現(xiàn)的基于行為驗(yàn)證的單元測(cè)試：

//C++

void test_FILO(){

    Stack stack;

    int input1 = 1;

    int input2 = 2;

    push(stack, input1);

    push(stack, input2);

    int output1 = stack.pop();
    ASSERT_EQUAL(output1, input2); /* 檢查FILO*/
    int output2 = stack.pop();

    ASSERT_EQUAL(output2, input1); /*檢查FILO*/

}

 

編寫行為驗(yàn)證測(cè)試用例的首要條件是理解類型規(guī)范，一般來講類型規(guī)范應(yīng)包括幾個(gè)方面：1.各個(gè)方法的Precondition和Postcondition，例如：輸入?yún)��?shù)值為[0, 1000)，返回值不為NULL；2.類的Invariant，例如：兒童的年齡屬性小于18；3.類各方法的關(guān)系不變式，例如：堆棧的FILO；4.類與外部類的交互關(guān)系，例如：Socket發(fā)生錯(cuò)誤的時(shí)候向外界發(fā)出事件。這些都屬于在行為驗(yàn)證中應(yīng)該檢查的。

 狀態(tài)驗(yàn)證 vs 行為驗(yàn)證

狀態(tài)驗(yàn)證側(cè)重于檢驗(yàn)函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)狀態(tài)的改變，更加靠近實(shí)現(xiàn)，是一種基于內(nèi)部狀態(tài)的白盒測(cè)試；行為驗(yàn)證側(cè)重于檢驗(yàn)對(duì)象的外部行為，更加靠近需求，是一種基于外部接口的黑盒測(cè)試。從重構(gòu)的角度看，二者也有顯著的不同：狀態(tài)驗(yàn)證和具體實(shí)現(xiàn)是緊密相關(guān)的，在需求不變的情況下，重構(gòu)實(shí)現(xiàn)很可能會(huì)使原有的測(cè)試用例失效；而行為驗(yàn)證和具體實(shí)現(xiàn)沒有關(guān)系，在需求不變的情況下，重構(gòu)實(shí)現(xiàn)不會(huì)使原有測(cè)試用例失效，而且還能利用原有測(cè)試用例作為回歸測(cè)試，防止重構(gòu)過程引入bug。在實(shí)際的軟件開發(fā)中，尤其是采用OOP開發(fā)的情況下，我們提倡采用行為驗(yàn)證。不過，狀態(tài)驗(yàn)證也有用武之地，有時(shí)為了構(gòu)造一個(gè)不易出現(xiàn)的程序狀態(tài)，通過狀態(tài)驗(yàn)證可以輕易實(shí)現(xiàn)，而通過行為驗(yàn)證則很難寫出相應(yīng)的場(chǎng)景。這是由白盒和黑盒測(cè)試的差別所決定的，白盒測(cè)試好比手術(shù)，黑盒測(cè)試好比吃藥，各有適用的場(chǎng)景。

 過程式語言可以做行為驗(yàn)證嗎？

答案是肯定的！其實(shí)，C++/Java/C#提供的class僅僅是一種語法手段，如果真正理解了數(shù)據(jù)抽象思想，用C語言同樣可以做行為驗(yàn)證：

/*C語言*/

void test_FILO(){

    Stack *pStack = create_stack();

    push(pStack, 1);

    push(pStack, 2);
    int item2 = pop(pStack));
    ASSERT_EQUAL(2, item2); /*檢查FILO*/
    int item1 = pop(pStack);

    ASSERT_EQUAL(1, item2); /*檢查FILO*/

}

在過程式語言中做行為驗(yàn)證的要點(diǎn)在于：忽略數(shù)據(jù)，重視函數(shù)間的關(guān)系！

 OOP語言可以做狀態(tài)驗(yàn)證嗎？

答案也是肯定的！不過，需要三思而后行。很多時(shí)候，OOP語言中出現(xiàn)狀態(tài)驗(yàn)證并非有意為之，而是程序員沒有理解數(shù)據(jù)抽象思想，雖然在用OOP語言，但本質(zhì)上還是在寫過程式程序。下面的程序就是典型：

//C++

void test_push(){

   std::vector<int> items;

   Stack stack(items); //構(gòu)造函數(shù)依賴注入

   stack.push(1);

   ASSERT_EQUAL(1, items[0]);//檢查狀態(tài)

}

有一個(gè)簡(jiǎn)單的辦法來提醒我們檢查是不是在用OOP語言寫過程式代碼：如果對(duì)象的行為依賴于其它對(duì)象的狀態(tài)，那么就應(yīng)該審視一下是不是破壞了封裝滑落到了過程式設(shè)計(jì)。上面的例子中，stack對(duì)象的狀態(tài)是由一個(gè)vector對(duì)象來保管的，stack的push/pop行為顯然依賴于其它對(duì)象的狀態(tài)，這時(shí)我們就應(yīng)該回過頭來檢查自己的設(shè)計(jì)是不是有問題。

本文介紹了狀態(tài)驗(yàn)證和行為驗(yàn)證兩種單元測(cè)試的基本方式，以及背后的過程式和OO程序設(shè)計(jì)思想。本文所講的狀態(tài)驗(yàn)證/行為驗(yàn)證與Martin Fowler文章Mocks Aren’t Stubs中的State Verification/Behavior Verification所強(qiáng)調(diào)的方面并不完全相同，讀者可進(jìn)行比較。