我們?yōu)槭裁匆獙憜卧獪y試？

"滿足需求"是所有軟件存在的必要條件，單元測試一定是為它服務(wù)的。從這一點(diǎn)出發(fā)，我們可以總結(jié)出寫單元測試的兩個動機(jī)：驅(qū)動（如：TDD）和驗證功能實(shí)現(xiàn)。另外，軟件需求“易變”的特征決定了修改代碼成為必然，在這種情況下，單元測試能保護(hù)已有的功能不被破壞。

基于以上兩點(diǎn)共識，我們看看傳統(tǒng)的單元測試有什么特征？

基于用例的測試（By Example）

單元測試最常見的套路就是Given、When、Then三部曲。

• Given：初始狀態(tài)或前置條件
• When：行為發(fā)生
• Then：斷言結(jié)果

編寫時，我們會精心準(zhǔn)備（Given）一組輸入數(shù)據(jù)，然后在調(diào)用行為后，斷言返回的結(jié)果與預(yù)期相符。這種基于用例的測試方式在開發(fā)（包括TDD）過程中十分好用。因為它清晰地定義了輸入輸出，而且大部分情況下體量都很小、容易理解。

但這樣的測試方式也有壞處。

• 第一點(diǎn)在于測試的意圖。用例太過具體，我們就很容易忽略自己的測試意圖。比如我曾經(jīng)看過有人在寫計算器kata程序的時候，將其中的一個測試命名為“return 3 when add 1 and 2”，這樣的命名其實(shí)掩蓋了測試用例背后的真實(shí)意圖——傳入兩個整型參數(shù)，調(diào)用add方法之后得到的結(jié)果應(yīng)該是兩者之和。我們常說測試即文檔，既然是文檔就應(yīng)該明確描述待測方法的行為，而不是陳述一個例子。

• 第二點(diǎn)在于測試完備性。因為省事省心并且回報率高，我們更樂于寫happy path的代碼。盡管出于職業(yè)道德，我們也會找一個明顯的異常路徑進(jìn)行測試，不過這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

為了輔助單元測試改善這兩點(diǎn)。我這里介紹另一種測試方式——生成式測試（Generative Testing，也稱Property-Based Testing）。這種測試方式會基于輸入假設(shè)輸出，并且生成許多可能的數(shù)據(jù)來驗證假設(shè)的正確性。

生成式測試

對于第一個問題，我們換種思路思考一下。假設(shè)我們不寫具體的測試用例，而是直接描述意圖，那么問題也就迎刃而解了。想法很美好，但如何實(shí)踐Given、When、Then呢？答案是讓程序自動生成入?yún)⒉Ⅱ炞C結(jié)果。這也就引出“生成式測試”的概念——我們先聲明傳入數(shù)據(jù)可能的情況，然后使用生成器生成符合入?yún)⑶闆r的數(shù)據(jù)，調(diào)用待測方法，最后進(jìn)行驗證。

Given階段

Clojure 1.9（Alpha）新內(nèi)置的Clojure.spec可以很輕松地做到這點(diǎn)：

;; 定義輸入?yún)?shù)的可能情況：兩個整型參數(shù)
(s/def ::add-operators (s/cat :a int? :b int?))
;; 嘗試生成數(shù)據(jù)
(gen/generate (s/gen ::add-operators))
;; 生成的數(shù)據(jù)
-> (1 -122)

首先，我們嘗試聲明兩個參數(shù)可能出現(xiàn)的情況或者稱為規(guī)格（specification），即參數(shù)a和b都是整數(shù)。然后調(diào)用生成器產(chǎn)生一對整數(shù)。整個分析和構(gòu)造的過程中，都沒有涉及具體的數(shù)據(jù)，這樣會強(qiáng)制我們揣摩輸入數(shù)據(jù)可能的模樣，而且也能避免測試意圖被掩蓋掉——正如前面所說，return 3 when add 1 and 2并不代表什么，return the sum of two integers才具有普遍意義。

Then階段

數(shù)據(jù)是生成了，待測方法也可以調(diào)用，但是Then這個斷言階段又讓人頭疼了，因為我們根本沒法預(yù)知生成的數(shù)據(jù)，也就無法知道正確的結(jié)果，怎么斷言？

拿定義好的加法運(yùn)算為例：

(defn add [a b]
 (+ a b))

我們嘗試把斷言改成一個全稱命題：
任取兩個整數(shù)a、b，a和b加起來的結(jié)果總是a、b之和。
借助test.check，我們在Clojure可以這樣表達(dá)：

(def test-add
(prop/for-all [a (gen/int)
              b (gen/int)]
             (= (add a b) (+ a b))))

不過，我們把a(bǔ)dd方法的實(shí)現(xiàn)(+ a b)寫到了斷言里，這幾乎喪失了單元測試的基本意義。換一種斷言方式，我們使用加法的逆運(yùn)算進(jìn)行描述：
任取兩個整數(shù)，把a(bǔ)和b加起來的結(jié)果減去a總會得到b。

(def test-add
(prop/for-all [a (gen/int)
            b (gen/int)]
           (= (- (add a b) a) b))))

我們通過程序陳述了一個已知的真命題。變換以后，就可以使用quick-check對多組生成的整數(shù)進(jìn)行測試。

;; 隨機(jī)生成100組數(shù)據(jù)測試add方法
(tc/quick-check 100 test-add)


;; 測試結(jié)果
-> {:result true, :num-tests 100, :seed 1477285296502}

測試結(jié)果表明，剛才運(yùn)行了100組測試，并且都通過了。理論上，程序可以生成無數(shù)的測試數(shù)據(jù)來驗證add方法的正確性。即便不能窮盡，我們也獲得一組統(tǒng)計上的數(shù)字，而不僅僅是幾個純手工挑選的用例。

至于第二個問題，首先得明確測試是無法做到完備的。很多指導(dǎo)方法保證使用較少的用例做到有效覆蓋，比如：等價類、邊界值、判定表、因果圖、pairwise等等。但是在實(shí)際使用過程當(dāng)中，依然存在問題。舉個例子，假如我們有一個接收自然數(shù)并直接返回這個參數(shù)的方法identity-nat，那么對于輸入?yún)?shù)而言，全體自然數(shù)都互為等價類，其中的一個有效等價類可以是自然數(shù)1；假定入?yún)⒈幌薅ㄔ谡麛?shù)范圍，我們很容易找到一個無效等價類，比如-1。
用Clojure測試代碼表現(xiàn)出來：

(deftest test-with-identity-nat
 (testing "identity of natural integers"
   (is (= 1 (identity-nat 1))))
 (testing "throw exception for non-natural integers"
(is (thrown? RuntimeException (identity-nat -1)))))

不過如果有人修改了方法identity-nat的實(shí)現(xiàn)，單獨(dú)處理入?yún)?的情況，這個測試還是能夠照常通過。也就是說，實(shí)現(xiàn)發(fā)生改變，基于等價類的測試有可能起不到防護(hù)作用。當(dāng)然你完全可以反駁：規(guī)則改變導(dǎo)致等價類也需要重新定義。道理確實(shí)如此，但是反過來想想，我們寫測試的目的不正是構(gòu)建一張安全網(wǎng)嗎？我們信任測試能在代碼變動時給予警告，但此處它失信了，這就尷尬了。

如果使用生成式測試，我們規(guī)定：

任取一個自然數(shù)a，在其上調(diào)用identity-nat的結(jié)果總是返回a。

(def test-identity-nat
(prop/for-all [a (s/gen nat-int?)]
           (= a (identity-nat a))))


(tc/quick-check 100 test-identity-nat)


-> {:result false, 
:seed 1477362396044, 
:failing-size 0, 
:num-tests 1, 
:fail [0], 
:shrunk {:total-nodes-visited 0,
    :depth 0,
    :result false,
    :smallest [0]}}

這個測試嘗試對100組生成的自然數(shù)（nat-int?）進(jìn)行測試，但首次運(yùn)行就發(fā)現(xiàn)代碼發(fā)生過變動。失敗的數(shù)據(jù)是0，而且還給出了最小失敗集[0]。拿著這個最小失敗集，我們就可以快速地重現(xiàn)失敗用例，從而修正。

當(dāng)然也存在這樣的可能：在一次運(yùn)行中，我們的測試無法發(fā)現(xiàn)失敗的用例。但是，如果100個測試用例都通過了，至少表明我們程序?qū)τ?00個隨機(jī)的自然數(shù)都是正確的，和基于用例的測試相比，這就如同編織出一道更加緊密的安全網(wǎng)——網(wǎng)孔越小，漏掉的情況也越少。

Clojure語言之父Rich Hickey推崇Simple Made Easy哲學(xué)，受其影響生成式測試在Clojure.spec中有更為簡約的表達(dá)。以上述為例：

(s/fdef identity-nat
   :args (s/cat :a nat-int?) ; 輸入?yún)?shù)的規(guī)格
   :ret nat-int?             ; 返回結(jié)果的規(guī)格
   :fn #(= (:ret %) (-> % :args :a))) ; 入?yún)⒑统鰠⒅g的約束


(stest/check `identity-nat)

fdef宏定義了方法identity-nat的規(guī)格，默認(rèn)情況下會基于參數(shù)的規(guī)格生成1000組數(shù)據(jù)進(jìn)行生成式測試。除了這一好處，它還提供部分類型檢查的功能。

再談TDD

TDD（測試驅(qū)動開發(fā)）是一種驅(qū)動代碼實(shí)現(xiàn)和設(shè)計的過程。我們說要先有測試，再去實(shí)現(xiàn)；保證實(shí)現(xiàn)功能的前提下，重構(gòu)代碼以達(dá)到較好的設(shè)計。整個過程就好比演繹推理，測試就是其中的證明步驟，而最終實(shí)現(xiàn)的功能則是證明的結(jié)果。

對于開發(fā)人員而言，基于用例的測試方式是友好的，因為它能簡單直接地表達(dá)實(shí)現(xiàn)的功能并保證其正確性。一旦進(jìn)入紅、綠、重構(gòu)的節(jié)（guai）奏（quan），開發(fā)人員根本停不下來，仿佛遁入一種心流狀態(tài)。只不過問題是，基于用例驅(qū)動出來的實(shí)現(xiàn)可能并不是恰好通過的。我們常常會發(fā)現(xiàn)，在寫完上組測試用例的實(shí)現(xiàn)之后，無需任何改動，下組測試照常能運(yùn)行通過。換句話說，實(shí)現(xiàn)代碼可能做了多余的事情而我們卻渾然不知。在這種情況下，我們可以利用生成式測試準(zhǔn)備大量符合規(guī)格的數(shù)據(jù)探測程序，以此檢查程序的健壯性，讓缺陷無處遁形。

凡是想到的情況都能測試，但是想不到情況也需要測試，這才是生成式測試的價值所在。有人把TDD概念化為“展示你的功能”（Show your work），而把生成式測試歸納為“檢查你的功能“（Check your work），我深以為然。

小結(jié)

回到我們寫單元測試的動機(jī)上：
驅(qū)動和驗證功能實(shí)現(xiàn)；
保護(hù)已有的功能不被破壞。
基于用例的單元測試和生成式測試在這兩點(diǎn)上是相輔相成的。我們可以借助它們盡可能早地發(fā)現(xiàn)更多的缺陷，避免它們逃逸到生產(chǎn)環(huán)境。
ThoughtWorks 2016年11月份的技術(shù)雷達(dá)把Clojure.spec移到了工具象限的評估環(huán)中，這表明值得我們對它作一番探究。

Clojure.spec是Clojure內(nèi)置的一個新特性，它允許開發(fā)人員將數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用類型和其他驗證條件（例如允許的取值范圍）進(jìn)行封裝。這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)一旦建立，Clojure就能利用這種規(guī)格來為程序員提供大量的便利：自動生成的測試代碼、合法性驗證、析構(gòu)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等等。Clojure.spec提供方法很有前景，它可以讓開發(fā)者在需要的時候，就能從類型和取值范圍中獲益。

另外，除了Clojure，其它語言也有相應(yīng)的生成式測試的框架，你不妨在自己的項目中試一試。

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