关于单元测试的三个问题

作为一个程序员，或多或少听说过单元测试，但很多小伙伴还没有在实际项目中用到。究其原因，可能是对单元测试有一些「误解」，比如：

写单元测试需要花费更多的时间，我每天写产品代码都要加班，哪来时间写测试；
写单元测试收益不大，还不是一样有bug；
写单元测试有负担，改产品代码的结构，还得去改测试代码。

先尝试解答这几个问题。

写单元测试会花费更多的时间，这点描述其实不准确。准确地说，写单元测试需要花费更多「写代码的时间」，这点没什么可说的，毕竟要多写一些测试代码。但一个程序员，做一个需求的时候，花在纯写代码的时间其实不多。你得理以前代码的逻辑，设计类和方法，然后才是写代码，写完了再手动测试，可能有bug还要去debug，再修复，再测试。「真正写代码的时间，其实是很少的」。使用单元测试虽然可能占用了更多写代码的时间，但它可以帮你缩短其它时间，「会让你做这个需求花费的总时间更少」。

写单元测试会有bug吗？当然可能有了，我们是无法做到真正的bug free的，但是单元测试写好了，可以显著减小bug的数量。因为写单元测试发现bug的成本是非常低的，它可以在开发阶段就发现bug，而且可以测试很多边界的条件。但如果你「对需求和业务的认知本来都是有误」的，这是单元测试解决不了的，自然会产生bug。话说回来，写单元测试的收益远不止发现bug这么简单，它还具有「代码文档」的功能，以及「重构的安全网」存在。甚至它还可以帮你「理需求」，「设计代码」。

改产品代码需要维护对应的测试代码，这确实是带来了额外的成本。不过借助编辑器的「重构功能」，可以比较方便地批量修改需要修改的地方，其实代价没有想象中的那么大。而且重构后，再跑一遍单元测试，看哪些挂掉了，可以double-check你改的产品代码有没有问题。如果我们把单元测试当成是「产品代码的文档」来看，大概就更能够接受这个维护的成本了。

为什么需要单元测试？

前面提到，单元测试有很多功能。个人觉得单元测试最大的作用是“代码文档”和“重构安全网”。毕竟软件开发的漫长过程中，总少不了修修改改。如果没有足够的测试，改一段代码就像是在排地雷，改完后心里也总是打鼓，上线前需要先默默拜个神，生怕触发了什么bug。

但如果有足够的测试（不只是单元测试），改完代码后可以跑一遍测试，看哪些挂掉了，是不是自己的改动导致的，该怎么修好测试。这样心里就有底气多了。

要知道，代码写出来是给人看的。而测试比产品代码更友好，因为它简单，直白，站在使用者的视角来描述，所以如果想要了解一段产品代码具有什么功能，看它的单元测试会更直观，更舒服。

很多团队会做测试，但绝大多数测试的工作是在开发后，由专门的测试同学去负责端到端的测试或者API测试。其实端到端的测试成本是非常大的，尤其是对于某些边界条件，构造数据和场景是非常麻烦的。而且一旦发现了bug，再去沟通，修改，提交，部署，需要花费很多时间。

而单元测试最大的优势就是“成本低”，想要测试产品代码的每个分支都比较容易，而且单元测试一般是开发同学自己写，可以用最小的时间发现bug，用最低的成本修改bug。

什么是单元测试？

测试金字塔

并不是所有测试都是单元测试，测试其实分成很多种。业界比较广泛传播的“测试金字塔”描述了它们的区别和关系：

网络异常，图片无法展示

测试金字塔

从测试金字塔模型来看，越在底层的测试，覆盖面应该更广，成本更低。单元测试处于测试金字塔的最低端，是整个测试金字塔的基础。

当然了，测试金字塔并不一定只有三层，中间可能会有其它的测试，比如“契约测试”等。

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还有另一种“菱形测试”模型的说法，即大多数测试写在接口测试这一层，而UI测试和单元测试只写小部分测试。本文不做讨论，有兴趣的同学可以自行了解一下。
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单元测试的特点

单元测试就像它的名字一样，“单元”（Unit），足够小，足够快，无依赖。单元测试只测你想测的那部分产品代码的逻辑，一个单元测试应该只测一个简单的业务逻辑。一般来说，运行一个单元测试是很快的，基本上在几毫秒到几十毫秒之间。如果有依赖的类，可以mock其他类，消除外部依赖。

什么不是单元测试？

很多同学容易将其他测试与单元测试搞混，最常见的是会启动Spring上下文的集成测试。比如使用@SpringBootTest注解可以启动Spring上下文，这可以测试依赖是否正常注入等Spring的功能，但运行一次需要耗费很多时间（因为要启动Spring上下文），也并不是真正的“单元测试”，因为它依赖了Spring框架。

如何写单元测试

那具体如何写单元测试呢？我们业界有一个叫做「TDD」（测试驱动开发）的方法论。TDD的核心在于“驱动”二字，它的理念是从测试视角出发，通过测试驱动出来产品代码。而在测试金字塔中，单元测试与开发人员最息息相关，所以这里的“测试”一般是指的单元测试。

TDD大概分这几个步骤：

理清需求
设计类和方法的出参和入参
写测试代码
驱动出产品代码
重构，循环3-5步。

首先要理清楚需求，因为只有理清楚了需求，才能保证我们使用TDD驱动出来的代码是跟业务期望的一致的。然后第二步是设计类和方法的过程，也称为Task List。这一步可以设计好类与类之间的关系，方法的出参和入参。其实不使用TDD也会有前面这两个步骤，只不过使用TDD的话，可以帮助你更好地从业务视角出发，先把该设计的东西都设计好，避免直接上手写代码，写到一半的时候觉得不对，再去改。

3-5步其实是一个循环的过程。因为刚开始写代码可能并没有太注意代码的格式、风格、性能，一气呵成写得比较快，让测试通过。等测试通过后，可以回过头来重构一下之前写的代码，重构后再跑一遍所有的单元测试，看是否有挂掉的单元测试，以此来检测重构是否对期望的输入输出有影响。

单元测试的结构

一个完整的单元测试，应该分为4个部分：

声明和参数
准备入参和mock
调用产品代码
验证，也叫断言

拿Java来说，单元测试框架有几个，最流行的应该是JUnit和TestNG。笔者使用JUnit多一点，JUnit使用@Test注解在方法上来声明一个测试。JUnit最新版本是JUnit 5，JUnit 5相较于上一个版本，在参数化测试方面做了很多改进，这样我们就不用写很多个高度相似的测试方法了。

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关于JUnit 5参数化测试，大家可以查看官方文档，也有对应的中文翻译，很方便阅读。也可以去我的个人网站搜索《JUnit 5参数化测试》。
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一般来说，方法名需要尽可能可读，它可能比较长，但能够清晰地表述这个测试的意图，比如：

@Test
void shouldReturn5WhenCalculateSumGiven2And3() {}
@Test
void should_return_5_when_calculate_sum_given_2_and_3() {}

具体使用驼峰命名法还是下划线，根据自己团队的规范来就好，尽量所有测试风格保持一致。（个人更喜欢下划线~）

入参一般是基本类型或者POJO对象，有些参数可以抽成变量，后面在验证阶段可能用得上。

如果产品代码有外部依赖，就需要用mock来消除外部依赖。常见的Mock框架有EasyMock、「Mockito」等，大家可以对比一下各个mock框架的区别，选择一个合适的。

很多同学刚开始写单元测试的时候不能理解为什么需要mock，觉得mock比较麻烦，甚至有点多此一举的感觉。其实不然，mock的意义在于，你「可以保证你的测试只测试了你要测的那部分代码」。这样如果测试不通过，你就可以知道一定是要测的那个方法有问题，不可能是外部依赖的问题，这样才能做到真正的“单元”化，才能保证每个测试足够小，足够纯粹。

准备好入参和mock后，会显式地调用一下要测的那个方法，这个一般只有简单的一行。

最后是验证，验证分为好几种，最常用的是验证出参是符合自己期望的。也有时候会验证异常等边界情况。JUnit等测试框架基本上自己带了验证的功能，但API都比较简单，个人感觉不是特别好用，推荐使用「AssertJ」，功能强大，API用起来也比较舒服。

举个例子吧：

@Test
void shouldReturnUserWithOrgInfoWhenLoginWithUserId() {
    String userId = "userId";
    String orgId = "orgId";
    User user = UserFactory.getUser(userId);
    Org org = OrgFactory.getOrg(orgId);
    given(orgService.getOrgById(orgId)).willReturn(org);
    UserInfo userInfo = userService.login(userId);
    assertEquals(org, userInfo.getOrg());
}

单元测试常见问题

下面聊一聊单元测试常见的一些问题。

先写测试还是先写产品代码？

都可以。虽然有一种说法是TDD推荐的是先写测试，再写实现。但很多刚开始写单元测试的同学并不习惯这种方式。先写测试有一个好处，可以让你在设计代码的时候从业务视角去思考，而不是代码实现视角。大家可以尝试先写测试再写实现，体会一下这种感觉。

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b站上有一个用TDD来实现计算斐波那契数的视频，是标准的TDD流程，感兴趣的同学可以去看一下，叫《TDD实战@计算斐波那契数》
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写单元测试需要花费大量额外的时间？

这个其实在文章开篇已经讨论过了。写单元测试确实会花费更多的“写代码”的时间，但是总的来说，它可以缩短整个需求开发周期的时间。所以写单元测试完全是一笔“划算的生意”。

什么代码最需要单元测试？

不自信的代码，逻辑复杂的代码，重要的代码。比如工具类、三层架构的Service层、DDD的聚合根和领域服务等，这些都应该写足够的单元测试。

入参对象构造太麻烦？

构造一个合适的入参对象比较麻烦，尤其是有些对象有非常多的参数，如果每个测试都要去从头构造的话，会让测试代码变得非常臃肿，可读性变差。这个时候可以使用工厂类来批量生产对象。这个工厂类放在测试目录下，并不会对生产代码造成影响。前面的例子里面，UserFactory就是一个User对象的工厂类。

返回值为void测什么？

返回值为void，说明方法没有出参，那方法内部必然有一些行为，它可能是「改变了内部属性的值」，也可能是「调用了某个外部类的方法」。

如果是改变内部的某个值，那可以通过对象的get参数来断言。这在使用DDD后的领域模型是一个问题，因为有可能本来产品代码不需要暴露出get方法的，但由于测试需要，暴露出了内部属性的get方法。虽然使用反射也可以拿到内部属性的值，但没有太大必要。权衡利弊，还是暴露领域模型的get方法好一点。

如果是调用某个外部的方法，可以用verify来验证是否调用了某个方法，可以用capture验证调用其它方法的入参。这样也可以验证产品代码是否如自己预期的设计在工作。

static方法如何mock？

static方法不好mock，需要用特殊的mock框架。比如PowerMock、JMockit。一般来说，Utils类的方法很多是static的，我们用得很多的时间类LocalDateTime，获取当前时间，也是static的。这个时候需要用专门的mock框架来mock一下。

多线程如何测试？

多线程也不好测试。如果程序简单，可以用「睡眠」或者CountDownLatch等多线程工具类来辅助测试，等所有线程跑完，再统一验证。

如果程序相对复杂，需要使用专门的多线程测试框架，比如tempus-fugit、Thread Weaver、MultithreadedTC、以及OpenJDK的jcstress项目等。

关于具体的框架如何使用，以后有时间可以写一篇常用的注解的介绍。其实官方文档里面都有写，大家照着官网写几个例子就会了。比较推荐的基础套餐是junit 5 + mockito + assertj。关于static方法和多线程测试框架，大家有需要的时候再去了解也行。

从零开始写单元测试

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