JUnit 3.8.x 框架设计（JUnit 源码阅读必备）

桩白墨
Java
2019-03-14
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1 目标

1.1 背景

关于软件开发的假设

如果一个程序缺乏自动化测试，我们就认为它是无法工作的。

以前的假设（不合理的假设）是：

如果开发者向我们保证程序的功能是可用的，那么它就可以一直正常运行下去。

开发者编写和调试完功能代码后，工作尚未完成。必须编写测试，来证明程序的可用性。

实际情况

开发者很忙，很难腾出手来写测试代码。

1.2 开发目标

写一套单元测试框架，便于学习和使用，让开发者愿意写测试；
测试一旦写好，可以反复执行。即使多年之后，现在写的单元测试代码依然能发挥作用。另外，不同作者写的单元测试，可以在一起运行；
写新的测试时，不必总是从头搭建测试环境。测试环境初始化一次之后，就能在它的基础上，写很多测试用例。

2 设计 JUnit

2.1 从 TestCase 开始

2.1.1 问题描述

我们需要一个 Java 类，来表达测试用例的概念。它就是 TestCase。

在此之前，测试用例是一个模糊的概念，不同的人，有不同的测试方法。

比如：

使用 Print 语句在控制台打印结果；
在 debugger 中检测表达式的结果；
自己编写测试脚本。

表达为 Java 类的好处：

客观、明确的定义。便于管理。测试用例写好之后，可以被任何人，在任何时间、地点运行；
开发者很熟悉，接受度高。

2.1.2 解决方案

命令模式（Command pattern）

一个测试用例，就是一个待执行的命令。最终调用 run 方法来执行。

TestCase 应该被继承，所以声明为抽象类。

TestCase 应该有一个名字 fName，这样就能区分不同的测试用例。出错的时候，可以知道具体是哪个测试用例出错了。

2.2 填充 run 方法

2.2.1 问题描述

开发者需要一个方便的地方，去写搭建测试环境的代码，以及在测试环境中运行的测试代码。

测试用例继承 TestCase。但目前 TestCase 的功能太少，没有实际意义。

2.2.2 解决方案

模版方法模式（Template Method）¹

所有测试都有相同的结构：搭建测试环境、运行测试代码、检查运行结果、清理测试环境。
每个测试用例，都需要在全新的测试环境下运行，不能被其他测试用例污染。

public void run() { 
    setUp(); 
    runTest(); 
    tearDown(); 
}

2.3 记录测试结果 TestResult

2.3.1 问题描述

单元测试执行完毕之后，我们需要看到一个运行结果，告诉我们哪些测试通过了，哪些测试失败了。怎么实现这个功能？

2.3.2 解决方案

2.3.2.1 弃用方案

弃用方案：在 TestCase 中加一个 flag，表明测试用例是否正常执行。

弃用原因：测试用例出错的几率很小，大多数测试用例在运行时都是成功的。因此，我们只需要重点记录运行失败的测试用例。运行成功的测试用例，一句话概括就行了。在 TestCase 中加 flag，大多数情况下用不到，不合适。

2.3.2.2 收集者模式（Collecting Parameter）²

创建 TestResult 类，作为收集者。

public class TestResult extends Object { 
    protected int fRunTests;
    public TestResult() { 
       fRunTests= 0; 
    } 
}

将一个 TestResult 对象传递给 TestCase 的 run 方法，run 方法会通知 TestResult，测试用例开始执行了。

public void run(TestResult result) { 
    result.startTest(this); 
    setUp(); 
    runTest(); 
    tearDown(); 
}

TestResult 会记录已运行的测试用例的数量。

public synchronized void startTest(Test test) { 
    fRunTests++; 
}

2.3.2.3 保持兼容性

仍然需要对外提供简单的 run 接口。

public TestResult run() { 
    TestResult result= createResult(); 
    run(result); 
    return result; 
}
protected TestResult createResult() { 
    return new TestResult(); 
}

2.3.3 失败（failures）与错误（errors）

测试代码中写的 assert 语句条件不满足，就是失败；执行过程中意外抛错（如除以零、数组越界），就是错误。

怎么实现？

TestResult 中分别保存 failure 和 error 的列表；
在 run 里加 try、catch。 AssertionFailedError 视为 failure，其他抛错视为 error。分别加到 TestResult 中。

public void run(TestResult result) { 
    result.startTest(this); 
    setUp(); 
    try { 
        runTest(); 
    } 
    catch (AssertionFailedError e) { //1 
        result.addFailure(this, e); 
    }
    catch (Throwable e) { // 2 
        result.addError(this, e); 
    } 
    finally { 
        tearDown(); 
    } 
}

2.3.4 收集者模式的灵活应用

问：为什么通过内部抛错，外部 catch 的方式来记录运行结果，而不是遵循收集者模式的规范，把 TestResult 传递到测试用例的方法里面去？

答：避免污染测试用例的方法签名。测试方法遇到问题，只管抛错，不需要知道 TestResult 的存在，更不需要知道怎么使用它。解耦。

2.3.5 扩展性

TestResult 提供了好几种不同的实现：

默认实现：收集结果，记录失败和错误的数量；
TextTestResult：收集结果，用文本的方式来表示结果；
UITestResult：供带图形界面的 Test Runner 使用。

客户可以实现自己的 TestResult 类。

2.4 避免无意义的子类：回到 TestCase

2.4.1 问题描述

我们需要一个统一的接口来运行测试。因此，要写一个测试用例，就需要继承 TestCase，并覆盖 runTest 方法。

然而，实际上一个测试类中，可能包含多个测试用例，它们被写成类中的方法，例如 testMoneyEquals、testMoneyAdd。一个类有多个不同的可执行方法，这与我们命令模式定义的接口并不匹配。（一个命令，只能有一个“执行”方法）

我们需要想办法，让上层的命令调用者，调用统一的接口，执行所有测试用例（即测试类中的各种测试方法）

2.4.2 解决方案

2.4.2.1 方案一：适配器模式（Adapter）³

适配器模式，可以转换接口。把原始接口，转换为客户端期望的接口。

2.4.2.1.1 类适配

每个测试用例，都变成一个子类，去适配父类的接口。

public class TestMoneyEquals extends MoneyTest { 
    public TestMoneyEquals() {          super("testMoneyEquals");     } 
    protected void runTest () {         testMoneyEquals();     } 
}

问题：

增加编写测试代码的复杂性，违背了方便易用的设计初衷
类爆炸（class bloat）：如果某个业务类，有20个方法，我要针对每个方法写一个测试用例，就需要创建 20 个只包含一个方法的子类！（a）开销太大，性能问题。（b）类太多，不好命名，不好管理。

2.4.2.1.2 改进：匿名内部类

TestCase test = new MoneyTest("testMoneyEquals ") { 
    protected void runTest() {     testMoneyEquals(); } 
};

2.4.2.2 方案二：pluggable behavior 之 Pluggable Selector⁴

参数化类。跟泛型有点像。在一个实例变量中，存放方法选择器；根据不同的变量值，类会表现出不同的行为。

在 Java 中，利用反射实现 pluggable selector⁵

protected void runTest() throws Throwable { 
    Method runMethod= null; 
    try { 
        runMethod= getClass().getMethod(fName, new Class[0]); 
    } catch (NoSuchMethodException e) { 
        assertTrue("Method \""+fName+"\" not found", false); 
    } 
    try { 
        runMethod.invoke(this, new Class[0]); 
    } 
    // catch InvocationTargetException and IllegalAccessException 
}

测试用例的名字（fName），与测试方法的名字必须相同。

在 JUnit 中，此方案是 runTest 方法的默认实现

2.5 多就是一：TestSuite

2.5.1 问题描述

目前为止，JUnit 可以运行单个测试，并报告运行结果。但是，为了保障一个系统的正确性，我们需要运行很多测试。因此，下一个目标，是让 JUnit 能运行许多个不同的测试。

2.5.2 解决方案

2.5.2.1 组合模式（Composite）⁶

将对象组合成树形结构以表示“部分-整体”的层次结构，组合模式使得用户对单个对象和组合对象的使用具有一致性。

组件：定义操作接口。
组合：实现接口，内部维护一个测试用例的集合。
叶子结点：代表一个实现组件接口的测试用例。
Component: declares the interface we want to use to interact with our tests.
Composite: implements this interface and maintains a collection of tests.
Leaf: represents a test case in a composition that conforms to the Component interface.

2.5.2.2 模式应用

组件：Test 接口

public interface Test { 
    public abstract void run(TestResult result); 
}

组合：TestSuite

public class TestSuite implements Test { 
    private Vector fTests= new Vector(); 

    public void run(TestResult result) { 
        for (Enumeration e= fTests.elements(); e.hasMoreElements(); ) { 
            Test test= (Test)e.nextElement(); 
            test.run(result); 
        } 
    }
}

叶子结点：TestCase（具体实现之前已经讨论过）

2.5.3 客户端调用 TestSuite

初期方案

public void addTest(Test test) { 
    fTests.addElement(test); 
}
public static Test suite() { 
    TestSuite suite= new TestSuite(); 
    suite.addTest(new MoneyTest("testMoneyEquals")); 
    suite.addTest(new MoneyTest("testSimpleAdd")); 
}

改进后方案：

直接传递一个 class，在构造函数中，利用反射去查找测试方法。

public static Test suite() { 
    return new TestSuite(MoneyTest.class); 
}

如果只想运行某个类中的一部分测试用例，仍然可以使用第一个方案。

2.5.6 总结

2.5.6.1 模式图

成熟的OO设计，都会体现出类似的“模式密度”。

2.5.6.2 演进图

组合模式威力巨大，但也很复杂。慎用。

3 最后总结

3.1 设计模式

用设计模式来讨论框架设计过程，非常有效；
为自己的系统撰写文档时，可以考虑采用这样的行文方式。

3.2 模式密度

在 JUnit 的核心类 TestCase 周围，有很高模式密度；
对软件设计而言，模式密度越高，越容易使用，但也越难修改；
成熟框架，都有较高的模式密度；反之，不成熟的框架，模式密度都较低；
我们在开发系统的过程中，遇到问题时，不断对解决方案进行“压缩”，就能得到更高的模式密度。

3.3 自给自足

在 JUnit 的基础功能实现后，JUnit 的后续开发都使用 JUnit 自己进行测试。

3.4 保持简单，不要面面俱到

框架的功能越少，学习成本越低，开发者越容易使用；
JUnit 只实现了运行单元测试必须的功能：运行多个用例（TestSuite）、隔离测试用例、自动化；
实在要添加新功能时，小心翼翼地加到扩展包中（test.extenstions）。

附：读后感

下面简单说下自己的体会。

一、设计模式相关

大量使用设计模式（大都源于 SmallTalk），可以看出设计模式真的是从实践经验中总结出来的，具备极强的实用价值。
增量套用设计模式，逐步构建复杂系统。感觉是比较清奇的思路。
“模式密度”，可以衡量一个软件系统的成熟度。不成熟的系统，通过持续“压缩”，提高“密度”，可以逐步变成熟。
必要时，可以打破模式的规范（情况一般为：坚持贯彻模式的规范，会增加系统复杂性，却对灵活性没有提升或提升很小）。

二、代码质量

1、严格控制类文件的行数。很少有超过 200 行的类；极少有超过 300 行的类。

2、具体实现需要封装为一个抽象方法。比如下面这段代码中的 isPublicTestMethod 和 isTestMethod。极大增强可读性。

private void addTestMethod(Method m, List names, Class<?> theClass) {
    String name = m.getName();
    if (names.contains(name)) {
        return;
    }
    if (!isPublicTestMethod(m)) {
        if (isTestMethod(m)) {
            addTest(warning("Test method isn't public: " + m.getName() + "(" + theClass.getCanonicalName() + ")"));
        }
        return;
    }
    names.add(name);
    addTest(createTest(theClass, name));
}
 
private boolean isPublicTestMethod(Method m) {
    return isTestMethod(m) && Modifier.isPublic(m.getModifiers());
}
 
private boolean isTestMethod(Method m) {
    return m.getParameterTypes().length == 0 &&
            m.getName().startsWith("test") &&
            m.getReturnType().equals(Void.TYPE);
}

三、其他

1、保持简单。

尽量不要添加额外的功能，否则会增加客户的学习成本，让工具本身成为一种负担，没有人愿意用。

2、“观千剑而后识器”，阅读优秀项目的源码，是增长功力、见识的不二法门。

3、提供易于理解的开发文档。这一点，真是给 JUnit 的作者跪了，开发文档也写得深入浅出，太牛逼。

模版方法模式，定义了算法的骨架。由子类提供具体实现。 ↩︎
当你需要搜集多个方法的执行结果时，可以给这些方法加一个参数，把收集者传进去。 ↩︎
"Convert the interface of a class into another interface clients expect" ↩︎
The idea is to use a single class which can be parameterized to perform different logic without requiring subclassing. ↩︎
我们通常不在普通应用程序代码中使用反射。但我们正在做一个基础框架，因此用反射是可以的。 ↩︎
"Compose objects into tree structures to represent part-whole hierarchies. Composite lets clients treat individual objects and compositions of objects uniformly." ↩︎