设计模式之美 - 29 | 理论三:什么是代码的可测试性?如何写出可测试性好的代码?

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设计模式之美 - 29 | 理论三:什么是代码的可测试性?如何写出可测试性好的代码?

  • 编写可测试代码案例实战
  • 其他常见的 Anti-Patterns
  • 重点回顾
  • 课堂讨论

在上一节课中,我们对单元测试做了介绍,讲了“什么是单元测试?为什么要编写单元测试?如何编写单元测试?实践中单元测试为什么难贯彻执行?”这样几个问题。

实际上,写单元测试并不难,也不需要太多技巧,相反,写出可测试的代码反倒是件非常有挑战的事情。所以,今天,我们就再来聊一聊代码的可测试性,主要包括这样几个问题:

  • 什么是代码的可测试性?
  • 如何写出可测试的代码?
  • 有哪些常见的不好测试的代码?

话不多说,让我们正式开始今天的学习吧!

编写可测试代码案例实战

刚刚提到的这几个关于代码可测试性的问题,我准备通过一个实战案例来讲解。具体的被测试代码如下所示。

其中,Transaction 是经过我抽象简化之后的一个电商系统的交易类,用来记录每笔订单交易的情况。Transaction 类中的 execute() 函数负责执行转账操作,将钱从买家的钱包转到卖家的钱包中。真正的转账操作是通过调用 WalletRpcService RPC 服务来完成的。除此之外,代码中还涉及一个分布式锁 DistributedLock 单例类,用来避免Transaction 并发执行,导致用户的钱被重复转出。

public class Transaction {
	private String id;
	private Long buyerId;
	private Long sellerId;
	private Long productId;
	private String orderId;
	private Long createTimestamp;
	private Double amount;
	private STATUS status;
	private String walletTransactionId;
	
	// ...get() methods...
	
	public Transaction(String preAssignedId, Long buyerId, Long sellerId, Long
		if (preAssignedId != null && !preAssignedId.isEmpty()) {
			this.id = preAssignedId;
		} else {
			this.id = IdGenerator.generateTransactionId();
		}
		if (!this.id.startWith("t_")) {
			this.id = "t_" + preAssignedId;
		}
		this.buyerId = buyerId;
		this.sellerId = sellerId;
		this.productId = productId;
		this.orderId = orderId;
		this.status = STATUS.TO_BE_EXECUTD;
		this.createTimestamp = System.currentTimestamp();
	}
	
	public boolean execute() throws InvalidTransactionException {
		if ((buyerId == null || (sellerId == null || amount < 0.0) {
			throw new InvalidTransactionException(...);
		}
		if (status == STATUS.EXECUTED) return true;
		boolean isLocked = false;
		try {
			isLocked = RedisDistributedLock.getSingletonIntance().lockTransction(i
			if (!isLocked) {
				return false; // 锁定未成功,返回 false,job 兜底执行
			}
			if (status == STATUS.EXECUTED) return true; // double check
			long executionInvokedTimestamp = System.currentTimestamp();
			if (executionInvokedTimestamp - createdTimestap > 14days) {
				this.status = STATUS.EXPIRED;
				return false;
			}
			WalletRpcService walletRpcService = new WalletRpcService();
			String walletTransactionId = walletRpcService.moveMoney(id, buyerId, s
			if (walletTransactionId != null) {
				this.walletTransactionId = walletTransactionId;
				this.status = STATUS.EXECUTED;
				return true;
			} else {
				this.status = STATUS.FAILED;
				return false;
			}
		} finally {
			if (isLocked) {
				RedisDistributedLock.getSingletonIntance().unlockTransction(id);
			}
		}
	}
}

对比上一节课中的 Text 类的代码,这段代码要复杂很多。如果让你给这段代码编写单元测试,你会如何来写呢?你可以先试着思考一下,然后再来看我下面的分析。

在 Transaction 类中,主要逻辑集中在 execute() 函数中,所以它是我们测试的重点对象。为了尽可能全面覆盖各种正常和异常情况,针对这个函数,我设计了下面 6 个测试用例。

  1. 正常情况下,交易执行成功,回填用于对账(交易与钱包的交易流水)用的walletTransactionId,交易状态设置为 EXECUTED,函数返回 true。

  2. buyerId、sellerId 为 null、amount 小于 0,返回 InvalidTransactionException。

  3. 交易已过期(createTimestamp 超过 14 天),交易状态设置为 EXPIRED,返回false。

  4. 交易已经执行了(status==EXECUTED),不再重复执行转钱逻辑,返回 true。

  5. 钱包(WalletRpcService)转钱失败,交易状态设置为 FAILED,函数返回 false。

  6. 交易正在执行着,不会被重复执行,函数直接返回 false。

测试用例设计完了。现在看起来似乎一切进展顺利。但是,事实是,当我们将测试用例落实到具体的代码实现时,你就会发现有很多行不通的地方。对于上面的测试用例,第2 个实现起来非常简单,我就不做介绍了。我们重点来看其中的 1 和 3。测试用例 4、5、6 跟 3 类似,留给你自己来实现。

现在,我们就来看测试用例 1 的代码实现。具体如下所示:

public void testExecute() {
	Long buyerId = 123L;
	Long sellerId = 234L;
	Long productId = 345L;
	Long orderId = 456L;
	Transction transaction = new Transaction(null, buyerId, sellerId, productI
	boolean executedResult = transaction.execute();
	assertTrue(executedResult);
}

execute() 函数的执行依赖两个外部的服务,一个是 RedisDistributedLock,一个WalletRpcService。这就导致上面的单元测试代码存在下面几个问题。

  • 如果要让这个单元测试能够运行,我们需要搭建 Redis 服务和 Wallet RPC 服务。搭建和维护的成本比较高。

  • 我们还需要保证将伪造的 transaction 数据发送给 Wallet RPC 服务之后,能够正确返回我们期望的结果,然而 Wallet RPC 服务有可能是第三方(另一个团队开发维护的)的服务,并不是我们可控的。换句话说,并不是我们想让它返回什么数据就返回什么。

  • Transaction 的执行跟 Redis、RPC 服务通信,需要走网络,耗时可能会比较长,对单元测试本身的执行性能也会有影响。

  • 网络的中断、超时、Redis、RPC 服务的不可用,都会影响单元测试的执行。

我们回到单元测试的定义上来看一下。单元测试主要是测试程序员自己编写的代码逻辑的正确性,并非是端到端的集成测试,它不需要测试所依赖的外部系统(分布式锁、Wallet RPC 服务)的逻辑正确性。所以,如果代码中依赖了外部系统或者不可控组件,比如,需要依赖数据库、网络通信、文件系统等,那我们就需要将被测代码与外部系统解依赖,而这种解依赖的方法就叫作“mock”。所谓的 mock 就是用一个“假”的服务替换真正的服务。mock 的服务完全在我们的控制之下,模拟输出我们想要的数据。

那如何来 mock 服务呢?mock 的方式主要有两种,手动 mock 和利用框架 mock。利用框架 mock 仅仅是为了简化代码编写,每个框架的 mock 方式都不大一样。我们这里只展示手动 mock。

我们通过继承 WalletRpcService 类,并且重写其中的 moveMoney() 函数的方式来实现 mock。具体的代码实现如下所示。通过 mock 的方式,我们可以让 moveMoney()返回任意我们想要的数据,完全在我们的控制范围内,并且不需要真正进行网络通信。

public class MockWalletRpcServiceOne extends WalletRpcService {
	public String moveMoney(Long id, Long fromUserId, Long toUserId, Double am
		return "123bac";
	}
}

public class MockWalletRpcServiceTwo extends WalletRpcService {
	public String moveMoney(Long id, Long fromUserId, Long toUserId, Double am
		return null;
	}
}

现在我们再来看,如何用 MockWalletRpcServiceOne、MockWalletRpcServiceTwo来替换代码中的真正的 WalletRpcService 呢?

因为 WalletRpcService 是在 execute() 函数中通过 new 的方式创建的,我们无法动态地对其进行替换。也就是说,Transaction 类中的 execute() 方法的可测试性很差,需要通过重构来让其变得更容易测试。该如何重构这段代码呢?

在第 19 节中,我们讲到,依赖注入是实现代码可测试性的最有效的手段。我们可以应用依赖注入,将 WalletRpcService 对象的创建反转给上层逻辑,在外部创建好之后,再注入到 Transaction 类中。重构之后的 Transaction 类的代码如下所示:

public class Transaction {
	//...
	// 添加一个成员变量及其 set 方法
	private WalletRpcService walletRpcService;
	public void setWalletRpcService(WalletRpcService walletRpcService) {
		this.walletRpcService = walletRpcService;
	}
	// ...
	public boolean execute() {
		// ...
		// 删除下面这一行代码
		// WalletRpcService walletRpcService = new WalletRpcService();
		// ...
	}
}

现在,我们就可以在单元测试中,非常容易地将 WalletRpcService 替换成MockWalletRpcServiceOne 或 WalletRpcServiceTwo 了。重构之后的代码对应的单元测试如下所示:

public void testExecute() {
	Long buyerId = 123L;
	Long sellerId = 234L;
	Long productId = 345L;
	Long orderId = 456L;
	Transction transaction = new Transaction(null, buyerId, sellerId, productI
	// 使用 mock 对象来替代真正的 RPC 服务
	transaction.setWalletRpcService(new MockWalletRpcServiceOne()):
	boolean executedResult = transaction.execute();
	assertTrue(executedResult);
	assertEquals(STATUS.EXECUTED, transaction.getStatus());
}

WalletRpcService 的 mock 和替换问题解决了,我们再来看 RedisDistributedLock。它的 mock 和替换要复杂一些,主要是因为 RedisDistributedLock 是一个单例类。单例相当于一个全局变量,我们无法 mock(无法继承和重写方法),也无法通过依赖注入的方式来替换。

如果 RedisDistributedLock 是我们自己维护的,可以自由修改、重构,那我们可以将其改为非单例的模式,或者定义一个接口,比如 IDistributedLock,让RedisDistributedLock 实现这个接口。这样我们就可以像前面 WalletRpcService 的替换方式那样,替换 RedisDistributedLock 为 MockRedisDistributedLock 了。但如果RedisDistributedLock 不是我们维护的,我们无权去修改这部分代码,这个时候该怎么办呢?

我们可以对 transaction 上锁这部分逻辑重新封装一下。具体代码实现如下所示:

public class TransactionLock {
	public boolean lock(String id) {
		return RedisDistributedLock.getSingletonIntance().lockTransction(id);
	}
	public void unlock() {
		RedisDistributedLock.getSingletonIntance().unlockTransction(id);
	}
}
public class Transaction {
	//...
	private TransactionLock lock;
	public void setTransactionLock(TransactionLock lock) {
		this.lock = lock;
	}
	public boolean execute() {
		//...
		try {
			isLocked = lock.lock();
			//...
		} finally {
			if (isLocked) {
				lock.unlock();
			}
		}
		//...
	}
}

针对重构过的代码,我们的单元测试代码修改为下面这个样子。这样,我们就能在单元测试代码中隔离真正的 RedisDistributedLock 分布式锁这部分逻辑了。

public void testExecute() {
	Long buyerId = 123L;
	Long sellerId = 234L;
	Long productId = 345L;
	Long orderId = 456L;
	TransactionLock mockLock = new TransactionLock() {
		public boolean lock(String id) {
			return true;
		}
		public void unlock() {}
	};
	Transction transaction = new Transaction(null, buyerId, sellerId, productI
	transaction.setWalletRpcService(new MockWalletRpcServiceOne());
	transaction.setTransactionLock(mockLock);
	boolean executedResult = transaction.execute();
	assertTrue(executedResult);
	assertEquals(STATUS.EXECUTED, transaction.getStatus());
}

至此,测试用例 1 就算写好了。我们通过依赖注入和 mock,让单元测试代码不依赖任何不可控的外部服务。你可以照着这个思路,自己写一下测试用例 4、5、6。

现在,我们再来看测试用例 3:交易已过期(createTimestamp 超过 14 天),交易状态设置为 EXPIRED,返回 false。针对这个单元测试用例,我们还是先把代码写出来,然后再来分析。

public void testExecute_with_TransactionIsExpired() {
	Long buyerId = 123L;
	Long sellerId = 234L;
	Long productId = 345L;
	Long orderId = 456L;
	Transction transaction = new Transaction(null, buyerId, sellerId, productI
	transaction.setCreatedTimestamp(System.currentTimestamp() - 14days);
	boolean actualResult = transaction.execute();
	assertFalse(actualResult);
	assertEquals(STATUS.EXPIRED, transaction.getStatus());
}

上面的代码看似没有任何问题。我们将 transaction 的创建时间 createdTimestamp 设置为 14 天前,也就是说,当单元测试代码运行的时候,transaction 一定是处于过期状态。但是,如果在 Transaction 类中,并没有暴露修改 createdTimestamp 成员变量的set 方法(也就是没有定义 setCreatedTimestamp() 函数)呢?

你可能会说,如果没有 createTimestamp 的 set 方法,我就重新添加一个呗!实际上,这违反了类的封装特性。在 Transaction 类的设计中,createTimestamp 是在交易生成时(也就是构造函数中)自动获取的系统时间,本来就不应该人为地轻易修改,所以,暴露 createTimestamp 的 set 方法,虽然带来了灵活性,但也带来了不可控性。因为,我们无法控制使用者是否会调用 set 方法重设 createTimestamp,而重设createTimestamp 并非我们的预期行为。

那如果没有针对 createTimestamp 的 set 方法,那测试用例 3 又该如何实现呢?实际上,这是一类比较常见的问题,就是代码中包含跟“时间”有关的“未决行为”逻辑。我们一般的处理方式是将这种未决行为逻辑重新封装。针对 Transaction 类,我们只需要将交易是否过期的逻辑,封装到 isExpired() 函数中即可,具体的代码实现如下所示:

public class Transaction {
	protected boolean isExpired() {
		long executionInvokedTimestamp = System.currentTimestamp();
		return executionInvokedTimestamp - createdTimestamp > 14days;
	}
	public boolean execute() throws InvalidTransactionException {
		//...
		if (isExpired()) {
			this.status = STATUS.EXPIRED;
			return false;
		}
		//...
	}
}

针对重构之后的代码,测试用例 3 的代码实现如下所示:

public void testExecute_with_TransactionIsExpired() {
	Long buyerId = 123L;
	Long sellerId = 234L;
	Long productId = 345L;
	Long orderId = 456L;
	Transction transaction = new Transaction(null, buyerId, sellerId, productI
		protected boolean isExpired() {
			return true;
		}
	};
	boolean actualResult = transaction.execute();
	assertFalse(actualResult);
	assertEquals(STATUS.EXPIRED, transaction.getStatus());
}

通过重构,Transaction 代码的可测试性提高了。之前罗列的所有测试用例,现在我们都顺利实现了。不过,Transaction 类的构造函数的设计还有点不妥。为了方便你查看,我把构造函数的代码重新 copy 了一份贴到这里。

public Transaction(String preAssignedId, Long buyerId, Long sellerId, Long
	if (preAssignedId != null && !preAssignedId.isEmpty()) {
		this.id = preAssignedId;
	} else {
		this.id = IdGenerator.generateTransactionId();
	}
	if (!this.id.startWith("t_")) {
		this.id = "t_" + preAssignedId;
	}
	this.buyerId = buyerId;
	this.sellerId = sellerId;
	this.productId = productId;
	this.orderId = orderId;
	this.status = STATUS.TO_BE_EXECUTD;
	this.createTimestamp = System.currentTimestamp();
}

我们发现,构造函数中并非只包含简单赋值操作。交易 id 的赋值逻辑稍微复杂。我们最好也要测试一下,以保证这部分逻辑的正确性。为了方便测试,我们可以把 id 赋值这部分逻辑单独抽象到一个函数中,具体的代码实现如下所示:

public Transaction(String preAssignedId, Long buyerId, Long sellerId, Long
		//...
		fillTransactionId(preAssignId);
		//...
}
protected void fillTransactionId(String preAssignedId) {
	if (preAssignedId != null && !preAssignedId.isEmpty()) {
		this.id = preAssignedId;
	} else {
		this.id = IdGenerator.generateTransactionId();
	}
	if (!this.id.startWith("t_")) {
		this.id = "t_" + preAssignedId;
	}
}

到此为止,我们一步一步将 Transaction 从不可测试代码重构成了测试性良好的代码。不过,你可能还会有疑问,Transaction 类中 isExpired() 函数就不用测试了吗?对于isExpired() 函数,逻辑非常简单,肉眼就能判定是否有 bug,是可以不用写单元测试的。

实际上,可测试性差的代码,本身代码设计得也不够好,很多地方都没有遵守我们之前讲到的设计原则和思想,比如“基于接口而非实现编程”思想、依赖反转原则等。重构之后的代码,不仅可测试性更好,而且从代码设计的角度来说,也遵从了经典的设计原则和思想。这也印证了我们之前说过的,代码的可测试性可以从侧面上反应代码设计是否合理。除此之外,在平时的开发中,我们也要多思考一下,这样编写代码,是否容易编写单元测试,这也有利于我们设计出好的代码。

其他常见的 Anti-Patterns

刚刚我们通过一个实战案例,讲解了如何利用依赖注入来提高代码的可测试性,以及编写单元测试中最复杂的一部分内容:如何通过 mock、二次封装等方式解依赖外部服务。现在,我们再来总结一下,有哪些典型的、常见的测试性不好的代码,也就是我们常说的 Anti-Patterns。

1. 未决行为

所谓的未决行为逻辑就是,代码的输出是随机或者说不确定的,比如,跟时间、随机数有关的代码。对于这一点,在刚刚的实战案例中我们已经讲到,你可以利用刚才讲到的方法,试着重构一下下面的代码,并且为它编写单元测试。

public class Demo {
	public long caculateDelayDays(Date dueTime) {
		long currentTimestamp = System.currentTimeMillis();
		if (dueTime.getTime() >= currentTimestamp) {
			return 0;
		}
		long delayTime = currentTimestamp - dueTime.getTime();
		long delayDays = delayTime / 86400;
		return delayDays;
	}
}

2. 全局变量

前面我们讲过,全局变量是一种面向过程的编程风格,有种种弊端。实际上,滥用全局变量也让编写单元测试变得困难。我举个例子来解释一下。

RangeLimiter 表示一个 [-5, 5] 的区间,position 初始在 0 位置,move() 函数负责移动 position。其中,position 是一个静态全局变量。RangeLimiterTest 类是为其设计的单元测试,不过,这里面存在很大的问题,你可以先自己分析一下。

public class RangeLimiter {
	private static AtomicInteger position = new AtomicInteger(0);
	public static final int MAX_LIMIT = 5;
	public static final int MIN_LIMIT = -5;
	public boolean move(int delta) {
		int currentPos = position.addAndGet(delta);
		boolean betweenRange = (currentPos <= MAX_LIMIT) && (currentPos >= MIN_L
		return betweenRange;
	}
}
public class RangeLimiterTest {
	public void testMove_betweenRange() {
		RangeLimiter rangeLimiter = new RangeLimiter();
		assertTrue(rangeLimiter.move(1));
		assertTrue(rangeLimiter.move(3));
		assertTrue(rangeLimiter.move(-5));
	}
	public void testMove_exceedRange() {
		RangeLimiter rangeLimiter = new RangeLimiter();
		assertFalse(rangeLimiter.move(6));
	}
}

上面的单元测试有可能会运行失败。假设单元测试框架顺序依次执行testMove_betweenRange() 和 testMove_exceedRange() 两个测试用例。在第一个测试用例执行完成之后,position 的值变成了 -1;再执行第二个测试用例的时候,position 变成了 5,move() 函数返回 true,assertFalse 语句判定失败。所以,第二个测试用例运行失败。

当然,如果 RangeLimiter 类有暴露重设(reset)position 值的函数,我们可以在每次执行单元测试用例之前,把 position 重设为 0,这样就能解决刚刚的问题。

不过,每个单元测试框架执行单元测试用例的方式可能是不同的。有的是顺序执行,有的是并发执行。对于并发执行的情况,即便我们每次都把 position 重设为 0,也并不奏效。如果两个测试用例并发执行,第 16、17、18、23 这四行代码可能会交叉执行,影响到 move() 函数的执行结果。

3. 静态方法

前面我们也提到,静态方法跟全局变量一样,也是一种面向过程的编程思维。在代码中调用静态方法,有时候会导致代码不易测试。主要原因是静态方法也很难 mock。但是,这个要分情况来看。只有在这个静态方法执行耗时太长、依赖外部资源、逻辑复杂、行为未决等情况下,我们才需要在单元测试中 mock 这个静态方法。除此之外,如果只是类似 Math.abs() 这样的简单静态方法,并不会影响代码的可测试性,因为本身并不需要 mock。

4. 复杂继承

我们前面提到,相比组合关系,继承关系的代码结构更加耦合、不灵活,更加不易扩展、不易维护。实际上,继承关系也更加难测试。这也印证了代码的可测试性跟代码质量的相关性。

如果父类需要 mock 某个依赖对象才能进行单元测试,那所有的子类、子类的子类……在编写单元测试的时候,都要 mock 这个依赖对象。对于层次很深(在继承关系类图中表现为纵向深度)、结构复杂(在继承关系类图中表现为横向广度)的继承关系,越底层的子类要 mock 的对象可能就会越多,这样就会导致,底层子类在写单元测试的时候,要一个一个 mock 很多依赖对象,而且还需要查看父类代码,去了解该如何 mock这些依赖对象。

如果我们利用组合而非继承来组织类之间的关系,类之间的结构层次比较扁平,在编写单元测试的时候,只需要 mock 类所组合依赖的对象即可。

5. 高耦合代码

如果一个类职责很重,需要依赖十几个外部对象才能完成工作,代码高度耦合,那我们在编写单元测试的时候,可能需要 mock 这十几个依赖的对象。不管是从代码设计的角度来说,还是从编写单元测试的角度来说,这都是不合理的。

重点回顾

好了,今天的内容到此就讲完了。我们一块来总结回顾一下,你需要重点掌握的内容。

1. 什么是代码的可测试性?

粗略地讲,所谓代码的可测试性,就是针对代码编写单元测试的难易程度。对于一段代码,如果很难为其编写单元测试,或者单元测试写起来很费劲,需要依靠单元测试框架中很高级的特性,那往往就意味着代码设计得不够合理,代码的可测试性不好。

2. 编写可测试性代码的最有效手段

依赖注入是编写可测试性代码的最有效手段。通过依赖注入,我们在编写单元测试的时候,可以通过 mock 的方法解依赖外部服务,这也是我们在编写单元测试的过程中最有技术挑战的地方。

3. 常见的 Anti-Patterns

常见的测试不友好的代码有下面这 5 种:

  • 代码中包含未决行为逻辑
  • 滥用可变全局变量
  • 滥用静态方法
  • 使用复杂的继承关系
  • 高度耦合的代码

课堂讨论

  1. 实战案例中的 void fillTransactionId(String preAssignedId) 函数中包含一处静态函数调用:IdGenerator.generateTransactionId(),这是否会影响到代码的可测试性?在写单元测试的时候,我们是否需要 mock 这个函数?
  2. 我们今天讲到,依赖注入是提高代码可测试性的最有效的手段。所以,依赖注入,就是不要在类内部通过 new 的方式创建对象,而是要通过外部创建好之后传递给类使用。那是不是所有的对象都不能在类内部创建呢?哪种类型的对象可以在类内部创建并且不影响代码的可测试性?你能举几个例子吗?

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