C++语言的单元测试与代码覆盖率

前言

测试是软件开发过程中一个必须的环节，测试确保软件的质量符合预期。

对于工程师自己来说，单元测试也是一种提升自信心的方式。

直接交付没有经过测试的代码是不太好的，因为这很可能会浪费整个团队的时间，在一些原本早期就可以发现的问题上。而单元测试，就是发现问题一个很重要的环节。

本文以C++语言为基础，讲解如何进行单元测试并生成测试报告。

在工具上，我们会使用下面这些：

GCC
CMake
Google Test
gcov
lcov

演示项目

为了方便本文的讲解，我专门编写了一个演示项目作为代码示例。

演示项目的源码可以在我的Github上获取：paulQuei/gtest-and-coverage。

你可以通过下面几条命令下载和运行这个项目：

git clone https://github.com/paulQuei/gtest-and-coverage.git
cd gtest-and-coverage
./make_all.sh

要运行这个项目，你的机器上必须先安装好前面提到的工具。如果没有，请阅读下文以了解如何安装它们。

如果你使用的是Mac系统，下文假设你的系统上已经安装了brew包管理器。如果没有，请通过下面这条命令安装它：

/usr/bin/ruby -e "$(curl -fsSL https://raw.githubusercontent.com/Homebrew/install/master/install)"

项目结构

演示项目的目录结构如下：

.
├── CMakeLists.txt
├── googletest-release-1.8.1.zip
├── include
│   └── utility.h
├── make_all.sh
├── src
│   └── utility.cpp
└── test
    └── unit_test.cpp

这里演示的内容是：以测试一个我们要提供的软件库为例，讲解如何对其进行单元测试并生成测试报告。

为了简单起见，这个软件库只有一个头文件和一个实现文件。

当然，在实际上的项目中，一个软件库会通常包含更多的文件，不过这并不影响我们要说明的问题。

演示项目中的文件说明如下：

文件名称	说明
make_all.sh	入口文件，会执行：编译，测试和生成报告等所有工作
CMakeLists.txt	项目的编译文件
googletest-release-1.8.1.zip	google test源码压缩包
utility.h	待测试的软件库的头文件
utility.cpp	待测试的软件库的实现文件
unit_test.cpp	对软件库进行单元测试的代码

测试环境

演示项目在如下的环境中测试过。

MacBook Pro
- 操作系统：macOS Mojave 10.14.1
- 编译器：Apple LLVM version 10.0.0 （clang-1000.11.45.2）
- CMake：cmake version 3.12.1
- Google Test: 1.8.1
- lcov: lcov version 1.13
Ubuntu
- 操作系统：Ubuntu 16.04.5 LTS
- 编译器：gcc （Ubuntu 5.4.0-6ubuntu1~16.04.10） 5.4.0 20160609
- CMake：cmake version 3.5.1
- Google Test：1.8.1
- lcov：lcov version 1.12

关于CMake

为了简化编译的过程，这里使用CMake作为编译工具。关于CMake的更多内容请参见请官网：https://cmake.org。

关于如何安装CMake请参见这里：Installing CMake。

另外，你也可以通过一条简单的命令来安装CMake：

Mac系统：

brew install cmake

Ubuntu系统

sudo apt install cmake

由于篇幅所限，这里不打算对CMake做过多讲解，读者可以访问其官网或者在网络上搜寻其使用方法。

这里仅仅对演示项目中用到的内容做一下说明。演示项目中的CMakeLists.txt内容如下：

cmake_minimum_required(VERSION 2.8.11) ①
project(utility) ②

set(CMAKE_CXX_STANDARD 11) ③

set(GTEST googletest-release-1.8.1) ④
include_directories("./include" "${GTEST}/googletest/include/")
link_directories("build/gtest/googlemock/gtest/")

SET(CMAKE_CXX_FLAGS  "${CMAKE_CXX_FLAGS} --coverage") ⑤

add_library(${CMAKE_PROJECT_NAME}_lib src/utility.cpp) ⑥

add_executable(unit_test test/unit_test.cpp) ⑦
target_link_libraries(unit_test ${CMAKE_PROJECT_NAME}_lib gtest gtest_main pthread) ⑧

以编号为序，这段代码说明如下：

设置使用的CMake最低版本号为2.8.11。
指定项目的名称为"utility"，项目名称可以通过${CMAKE_PROJECT_NAME}进行引用。
指定使用C++11。
这里的三行是编译google test，并将其头文件路径和编译结果的库文件路径添加到环境中。因为后面在编译单元测试代码的时候需要用到。
添加--coverage到编译器flag中，这个参数是很重要的，因为这是生成代码覆盖率所必须的。关于该编译参数的说明见这里：Program Instrumentation Options。
编译我们的软件库，这里将生成libutility_lib.a库文件。
编译单元测试的可执行文件。
单元测试的可执行文件需要链接我们开发的软件库以及google test的库。另外，google test依赖了pthread，所以这个库也需要。

关于测试

软件测试有很多种分类方式。从测试的级别来说，可以大致分为：

单元测试
集成测试
系统测试

这其中，单元测试是最局部和具体的。它通常需要对代码中的每一个类和函数进行测试。

单元测试通常由开发者完成，需要针对代码逻辑进行测试。所以它是一种白盒测试。

关于xUnit

xUnit是几种单元测试框架的总称。最早源于Smalltalk的单元测试框架SUnit，它是由Kent Beck开发的。

除此之外，还有针对Java语言的JUnit，针对R语言的RUnit。

在本文中，我们使用Google开发的xUnit框架：Google Test。

Google Test介绍

Google Test的项目主页在Github上：Github: Google Test。

实际上，这个项目中同时包含了GoogleTest和GoogleMock两个工具，本文中我们只会讲解第一个。

Google Test支持的操作系统包含下面这些：

Linux
Mac OS X
Windows
Cygwin
MinGW
Windows Mobile
Symbian

目前有很多的项目都使用了Google Test，例如下面这些：

Chromium projects
LLVM
Protocol Buffers
OpenCV