深入理解gtest C/C++单元测试经验谈

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开发 后端
本文基于笔者的实际开发经验,言简意赅地讲解了C/C++单元测试框架gtest的主要使用方法和注意事项,并设计了若干可编译的精简示例,给出了运行效果图。既可以用作gtest的入门教程,也适合作为工作中的快速参考。

Google C++ Testing Framework(简称gtest,http://code.google.com/p/googletest/)是Google公司发布的一个开源C/C++单元测试框架,已被应用于多个开源项目及Google内部项目中,知名的例子包括Chrome Web浏览器、LLVM编译器架构、Protocol Buffers数据交换格式及工具等。

优秀的C/C++单元测试框架并不算少,相比之下gtest仍具有明显优势。与CppUnit比,gtest需要使用的头文件和函数宏更集中,并支持测试用例的自动注册。与CxxUnit比,gtest不要求Python等外部工具的存在。与Boost.Test比,gtest更简洁容易上手,实用性也并不逊色。Wikipedia给出了各种编程语言的单元测试框架列表(http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_unit_testing_frameworks)。

一、基本用法

gtest当前的版本是1.5.0,如果使用Visual C++编译,要求编译器版本不低于7.1(Visual C++ 2003)。如下图所示,它的msvc文件夹包含Visual C++工程和项目文件,samples文件夹包含10个使用范例。

一般情况下,我们的单元测试代码只需要包含头文件gtest.h。gtest中常用的所有结构体、类、函数、常量等,都通过命名空间testing访问,不过gtest已经把最简单常用的单元测试功能包装成了一些带参数宏,因此在简单的测试中常常可以忽略命名空间的存在。

按照gtest的叫法,宏TEST为特定的测试用例(Test Case)定义了一个可执行的测试(Test)。它接受用户指定的测试用例名(一般取被测对象名)和测试名作为参数,并划出了一个作用域供填充测试宏语句和普通的C++代码。一系列TEST的集合就构成一个简单的测试程序。
常用的测试宏如下表所示。以ASSERT_开头和以EXPECT_开头的宏的区别是,前者在测试失败时会给出报告并立即终止测试程序,后者在报告后继续执行测试程序。

ASSERT
EXPECT
功能
ASSERT_TRUE
EXPECT_TRUE
判真
ASSERT_FALSE
EXPECT_FALSE
判假
ASSERT_EQ
EXPECT_EQ
相等
ASSERT_NE
EXPECT_NE
不等
ASSERT_GT
EXPECT_GT
大于
ASSERT_LT
EXPECT_LT
小于
ASSERT_GE
EXPECT_GE
大于或等于
ASSERT_LE
EXPECT_LE
小于或等于
ASSERT_FLOAT_EQ
EXPECT_FLOAT_EQ
单精度浮点值相等
ASSERT_DOUBLE_EQ
EXPECT_DOUBLE_EQ
双精度浮点值相等
ASSERT_NEAR
EXPECT_NEAR
浮点值接近(第3个参数为误差阈值)
ASSERT_STREQ
EXPECT_STREQ
C字符串相等
ASSERT_STRNE
EXPECT_STRNE
C字符串不等
ASSERT_STRCASEEQ
EXPECT_STRCASEEQ
C字符串相等(忽略大小写)
ASSERT_STRCASENE
EXPECT_STRCASENE
C字符串不等(忽略大小写)
ASSERT_PRED1
EXPECT_PRED1
自定义谓词函数,(pred, arg1)(还有_PRED2, ..., _PRED5

 
写个简单的测试试一下。假设我们实现了一个加法函数:
  1. // add.h  
  2. #pragma once  
  3. inline int Add(int i, int j) { return i+j; } 
对应的单元测试程序可以这样写:
  1. // add_unittest.cpp  
  2. #include "add.h"  
  3. #include <gtest/gtest.h>  
  4.    
  5. TEST(Add, 负数) {  
  6.  EXPECT_EQ(Add(-1,-2), -3);  
  7.  EXPECT_GT(Add(-4,-5), -6); // 故意的  
  8. }  
  9.    
  10. TEST(Add, 正数) {  
  11.  EXPECT_EQ(Add(1,2), 3);  
  12.  EXPECT_GT(Add(4,5), 6);  
代码中,测试用例Add包含两个测试,正数和负数(这里利用了Visual C++ 2005以上允许标识符包含Unicode字符的特性)。编译运行效果如下:
在控制台界面中,通过的测试用绿色表示,失败的测试用红色表示。双横线分隔了不同的测试用例,其中包含的每个测试的启动与结果用单横线和RUN ... OK或RUN ... FAILED标出。失败的测试会打印出代码行和原因,测试程序***为所有用例和测试显示统计结果。建议读者试一下换成ASSERT_宏的不同之处。
每个测试宏还可以使用<<运算符在测试失败时输出自定义信息,如:
  1. ASSERT_EQ(M[i], N[j]) << "i = " << i << ", j = " << j; 
编译命令行中,gtest_mt.lib和gtest_main_mt.lib就是前面使用VC项目文件生成的静态库。有意思的是,测试代码不需要注册测试用例,也不需要定义main函数,这是gtest通过后一个静态库自动完成的,它的实现代码如下:
  1. // gtest-main.cc  
  2. int main(int argc, char **argv) {  
  3.  std::cout << "Running main() from gtest_main.cc\n";  
  4.  testing::InitGoogleTest(&argc, argv);  
  5.  return RUN_ALL_TESTS();  
其中,函数InitGoogleTest负责注册需要运行的所有测试用例,宏RUN_ALL_TEST负责执行所有测试,如果全部成功则返回0,否则返回1。当然,我们也可以仅链接gtest_mt.lib,自己提供main函数。
二、测试固件
很多时候,我们想在不同的测试执行前创建相同的配置环境,在测试执行结束后执行相应的清理工作,测试固件(Test Fixture)为这种需求提供了方便。“Fixture”是一个汉语中不易直接对应的词,《美国传统词典》对它的解释是“(作为附属物的)固定装置;被固定的状态”。在单元测试中,Fixture的作用是为测试创建辅助性的上下文环境,实现测试的初始化和终结与测试过程本身的分离,便于不同测试使用相同代码来搭建固定的配置环境。用体操比赛的说法,测试过程体现了特定测试的自选动作,测试固件则体现了对一系列测试(在开始和结束时)的规定动作。有些讲单元测试的书籍直接把测试固件称为Scaffolding(脚手架)。
使用测试固件比单纯调用TEST宏稍微麻烦一些:
1.         从gtest的testing::Test类派生一个类,用publicprotected定义以下所有成员。
2.         (可选)建立环境:使用默认构造函数,或定义一个虚成员函数virtual void SetUp()
3.         (可选)销毁环境:使用析构函数,或定义一个虚成员函数virtual void TearDown()
4.         TEST_F定义测试,写法与TEST相同,但测试用例名必须为上面定义的类名。
每个带固件的测试的执行顺序是:
1.         调用默认构造函数创建一个新的带固件对象。
2.         立即调用SetUp函数。
3.         运行TEST_F体。
4.         立即调用TearDown函数。
5.         调用析构函数销毁类对象。

从gtest的实现代码可以看到,TEST_F又从用户定义的类自动派生了一个类,因此要求publicprotected的访问权限;大括号里的内容被扩展成一个名为TestBody的虚成员函数的函数体,因此可以在其中直接访问成员变量和成员函数。其实TEST也采用了相同的实现机制,只是它直接从gtest的testing::Test自动派生类,所以可以指定任意用例名。testing::Test类的SetUpTearDown都是空函数,所以它只执行测试步骤,没有环境的创建和销毁。
借用上面Add函数写个固件测试的例子:
  1. // add_unittest2.cpp  
  2. #include "add.h"  
  3. #include <stdio.h>  
  4. #include <gtest/gtest.h>  
  5.    
  6. class AddTest: public testing::Test  
  7. {  
  8. public:  
  9.  virtual void SetUp()    { puts("SetUp()"); }  
  10.  virtual void TearDown() { puts("TearDown()"); }  
  11. };  
  12.    
  13. TEST_F(AddTest, 正数) {  
  14.  ASSERT_GT(Add(1,2), 3); // 故意的  
  15.  ASSERT_EQ(Add(4,5), 6); // 也是故意的  
编译运行效果如下:
必须强调,每个TEST_F开始都创建了一个新的带固件对象,因此每个测试都使用独立的完全相同的初始环境,各测试可以按任意顺序执行(参见--gtest_shuffle命令行选项)。但在某些情况下,我们可能需要在各个测试间共享一个相同的环境来保存和传递状态,或者环境的状态是只读的,可以只初始化一次,再或者创建环境的过程开销很高,要求只初始化一次。共享某个固件环境的所有测试合称为一个“测试套件”(Test Suite),gtest中利用静态成员变量和静态成员函数实现这个概念:
1.         (可选)在testing::Test的派生类中,定义若干静态成员变量来维护套件的状态。
2.         (可选)建立共享环境:定义一个静态成员函数static void SetUpTestCase()
3.         (可选)销毁共享环境:定义一个静态成员函数static void TearDownCase()
另外,还可以使用gtest的Environment类来建立和销毁所有测试共用的全局环境(对应于上图显示的“Global test environment set-up”和“Global test environment tear-down”):
  1. class Environment {  
  2.  public:  
  3.  virtual ~Environment() {}  
  4.  virtual void SetUp() {}  
  5.  virtual void TearDown() {}  
  6. }; 
gtest文档建议测试程序自己定义main函数并在其中创建和注册全局环境对象:
  1. Environment* AddGlobalTestEnvironment(Environment* env); 
三、异常测试
C程序中要返回出错信息,可以利用特定的函数返回值、函数的输出(outbound)参数、或者设置全局变量(如C标准库定义的errno,Windows API中的“上次错误”(last error)代码,Winsock中与每个socket相关联的错误代码)。C++程序常用异常(exception)来返回出错信息,gtest为异常测试提供了专用的测试宏:

ASSERT
EXPECT
功能
ASSERT_NO_THROW
EXPECT_NO_THROW
不抛出异常,参数为(statement)
ASSERT_ANY_THROW
EXPECT_ANY_THROW
抛出异常,参数为(statement)
ASSERT_THROW
EXPECT_THROW
抛出特定类型的异常,参数为(statement, type)

 
需要注意,这些测试宏都接受C/C++语句作为参数,所以既可以像前面那样传递表达式,也可以传递用大括号包起来的代码块。
借助下面的被测函数:
  1. // divide.h  
  2. #pragma once  
  3. #include <stdexcept>  
  4.    
  5. int divide(int dividend, int divisor) {  
  6.  if(!divisor) {  
  7.     throw std::length_error("can't be divided by 0"); // 故意的  
  8.  }  
  9.  return dividend / divisor;  
测试程序如下:
  1. // divide-unittest.cpp  
  2. #include <gtest/gtest.h>  
  3. #include "./divide.h"  
  4.    
  5. TEST(Divide, ByZero) {  
  6.  EXPECT_NO_THROW(divide(-1, 2));  
  7.    
  8.  EXPECT_ANY_THROW({  
  9.     int k = 0;  
  10.     divide(k, k);  
  11.  });  
  12.    
  13.  EXPECT_THROW(divide(100000, 0), std::invalid_argument);  
编译运行效果如下

容易想到,gtest的这些异常测试宏是用C++的try ... catch语句来实现的:
  1. try {  
  2.  statement;  
  3. }  
  4. catch(type const&) {  
  5.  // throw  
  6. }  
  7. catch(...) {  
  8.  // any throw  
  9. }  
  10. // no throw 
如果把上图中Visual C++的编译选项/EHsc换成/EHa,try ... catch就可以同时支持C++风格的异常和Windows系统的结构化异常(SEH)。这样,即使删掉divide函数里的if判断,测试代码的EXPECT_ANY_THROW宏也会成功捕获异常。
遗憾的是,目前仅使用这些测试宏无法得到获得被抛出异常的详细信息(如divide函数中的报错文本),这和gtest自身不愿意使用C++异常有关。
四、值参数化测试
有些时候,我们需要对代码实现的功能使用不同的参数进行测试,比如使用大量随机值来检验算法实现的正确性,或者比较同一个接口的不同实现之间的差别。gtest把“集中输入测试参数”的需求抽象出来提供支持,称为值参数化测试(Value Parameterized Test)。
值参数化测试包括4个步骤:
1.         从gtest的TestWithParam模板类派生一个类(记为C),模板参数为需要输入的测试参数的类型。由于TestWithParam本身是从Test派生的,所以C就成了一个测试固件类。
2.         C中,可以实现诸如SetUpTearDown等方法。特别地,测试参数由TestWithParam实现的GetParam()方法依次返回。
3.         使用TEST_P(而不是TEST_F)定义测试。
4.         使用INSTANTIATE_TEST_CASE_P宏集中输入测试参数,它接受3个参数:任意的文本前缀,测试类名(这里即为C),以及测试参数值序列。gtest框架依次使用这些参数值生成测试固件类实例,并执行用户定义的测试。
gtest提供了专门的模板函数来生成参数值序列,如下表所示:

参数值序列生成函数
含义
Bool()
生成序列{false, true}
Range(begin, end[, step])
生成序列{begin, begin+step, begin+2*step, ...} (不含end),step默认为1
Values(v1, v2, ..., vN)
生成序列{v1, v2, ..., vN}
ValuesIn(container)ValuesIn(iter1, iter2)
枚举STL container,或枚举迭代器范围[iter1, iter2)
Combine(g1, g2, ..., gN)
生成g1g2, ..., gN的笛卡尔积,其中g1g2, ..., gN均为参数值序列生成函数(要求C++0x的<tr1/tuple>

 
写个小程序试一下。假设我们实现了一种快速累加算法,希望使用另一种直观算法进行正确性校验。算法实现和测试代码如下
  1. // addupto.h  
  2.    
  3. #pragma once  
  4.    
  5. inline unsigned NaiveAddUpTo(unsigned n) {  
  6.     unsigned sum = 0;  
  7.     for(unsigned i = 1; i <= n; ++i) sum += i;  
  8.     return sum;  
  9. }  
  10.    
  11. inline unsigned FastAddUpTo(unsigned n) {  
  12.     return n*(n+1)/2;  
测试程序如下:
  1. // addupto_test.cpp  
  2.    
  3. #include <gtest/gtest.h>  
  4. #include "addupto.h"  
  5.    
  6. class AddUpToTest : public testing::TestWithParam<unsigned>  
  7. {  
  8. public:  
  9.     AddUpToTest() { n_ = GetParam(); }  
  10. protected:  
  11.     unsigned n_;  
  12. };  
  13.    
  14. TEST_P(AddUpToTest, Calibration) {  
  15.     EXPECT_EQ(NaiveAddUpTo(n_), FastAddUpTo(n_));  
  16. }  
  17.    
  18. INSTANTIATE_TEST_CASE_P(  
  19.     NaiveAndFast, // prefix  
  20.     AddUpToTest,   // test case name  
  21.     testing::Range(1u, 1000u) // parameters  
  22. ); 
 
注意TestWithParam的模板参数设置为unsigned类型,而在代码倒数第2行,两个常量值都加了u后缀来指定为unsigned类型。熟悉C++的读者应该知道,模板函数在进行类型推断(deduction)时匹配相当严格,不像普通函数那样允许类型提升(promotion)。如果上面省略u后缀,就会造成编译错误。当然还可以显式指定模板参数:testing::Range<unsigned>(1, 1000)
运行效果如下,这里省略了开头的大部分输出(命令行窗口设置的缓冲区高度为3000行)。

作者简介
杨玚,1980年生,2009年毕业于中国科学技术大学,获博士学位。2009年8月加入中国软件评测中心重大专项测试部,任开发测试工程师,负责“软件测试能力优化升级” 项目工具研发。关注领域为网络信息安全。
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责任编辑:彭凡 来源: 51CTO
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