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Go语言:单元测试,确保高质量代码的秘诀!

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单元测试

顾名思义,单元测试就是对单元进行测试,一个单元可以是一个函数、一个模块等。一般测试的单元应该是一个完整的最小单元,比如一个函数。这样当每个最小单元都被验证通过,那么整个模块就都可以被验证通过。
Go 语言有自己的单元测试规范,此处我们以 斐波那契数列 为例。斐波那契数列:它的第 0 项是 0;第 1 项是 1;从第 2 项开始,每一项都等于前两项之和。所以它的数列是:0、1、1、2、3、5、8、13、21……
根据上面规律,函数可以总结为:

F(0)=0
F(1)=1
F(2)=F(2 - 1)+F(2 - 2)
F(n)=F(n - 1)+F(n - 2)
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实现函数:

func F(n int) int {
	if n < 0 {
		return 0
	}
	if n == 0 {
		return 0
	}
	if n == 1 {
		return 1
	}
	return F(n-1) + F(n-2)
}
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我们通过递归的方式实现了斐波那契数列的计算。
函数编写好后,需要先对它进行单元测试,需要新建一个 go 文件用来存放单元测试代码,比如刚写的函数在 test/main.go 中,测试的代码需要放在 test/main_test.go 中,测试代码如下:

func TestF(t *testing.T) {
	//预先定义的一组斐波那契数列作为测试用例
	fsMap := map[int]int{}
	fsMap[0] = 0
	fsMap[1] = 1
	fsMap[2] = 1
	fsMap[3] = 2
	fsMap[4] = 3
	fsMap[5] = 5
	fsMap[6] = 8
	fsMap[7] = 13
	fsMap[8] = 21
	fsMap[9] = 34
	for k, v := range fsMap {
		fib := F(k)
		if v == fib {
			t.Logf("结果正确:n为%d,值为%d", k, fib)
		} else {
			t.Errorf("结果错误:期望%d,但是计算的值是%d", v, fib)
		}
	}
}
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测试示例中,通过 map 预定义了一组测试用例,然后通过 F 函数计算结果,通预定义的结果进行比较,如果结果相等,说明 F 函数计算正确,否则说明计算错误。

单元测试命令

go test -v ./test

这里介绍几个常用的参数:

  • -bench regexp 执行相应的 benchmarks,例如 -bench=.;
  • -cover 开启测试覆盖率;
  • -run regexp 只运行 regexp 匹配的函数,例如 -run=Array 那么就执行包含有 Array 开头的函数;
  • -v 显示测试的详细命令。

上面命令表示运行 test 目录下的所有单元测试,此处我们这里只有一个单元测试,运行结果为:

$ go test -v ./test
=== RUN   TestF
    sum_test.go:23: 结果正确:n为0,值为0
    sum_test.go:23: 结果正确:n为2,值为1
    sum_test.go:23: 结果正确:n为4,值为3
    sum_test.go:23: 结果正确:n为5,值为5
    sum_test.go:23: 结果正确:n为6,值为8
    sum_test.go:23: 结果正确:n为7,值为13
    sum_test.go:23: 结果正确:n为1,值为1
    sum_test.go:23: 结果正确:n为3,值为2
    sum_test.go:23: 结果正确:n为8,值为21
    sum_test.go:23: 结果正确:n为9,值为34
--- PASS: TestF (0.00s)
PASS
ok      project/test 0.585s
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运行结果中,可以看到 PASS 标记,表明单元测试通过,还可以看到单元测试中写的日志。
单元测试是在 Go 语言提供的测试框架下完成的,需要遵循5点规则:

  1. 单元测试的 go 文件必须以 _test.go 结尾,Go 语言测试工具只认符合这个规则的文件。
  2. 单元测试文件名 _test.go 前面的部分最好是被测试的函数所在的 go 文件的文件名。
  3. 单元测试的函数名必须以 Test 开头,是可导出的、公开的函数。
  4. 测试函数的签名必须接收一个指向 testing.T 类型的指针,且不能返回任何值。
  5. 函数名最好是 Test + 被测试的函数名。

单元测试日志

一个测试用例可能会并发执行,使用 testing.T 提供的日志输出可以保证日志跟随这个测试上下文一起打印输出。testing.T 提供了几种日志输出方法,如下:

方 法释义
Log打印日志,同时结束测试
Logf格式化打印日志,同时结束测试
Error打印错误日志,同时结束测试
Errorf格式化打印错误日志,同时结束测试
Fatal打印致命日志,同时结束测试
Fatalf格式化打印致命日志,同时结束测试

单元测试覆盖率

上面示例中的 F 函数是否被全面测试到了呢? 我们可以使用命令来查看覆盖率:
go test -v --coverprofile=test.cover ./test 运行结果:

$ go test -v --coverprofile=test.cover ./test
=== RUN   TestF
    sum_test.go:23: 结果正确:n为9,值为34
    sum_test.go:23: 结果正确:n为0,值为0
    sum_test.go:23: 结果正确:n为1,值为1
    sum_test.go:23: 结果正确:n为6,值为8
    sum_test.go:23: 结果正确:n为7,值为13
    sum_test.go:23: 结果正确:n为8,值为21
    sum_test.go:23: 结果正确:n为2,值为1
    sum_test.go:23: 结果正确:n为3,值为2
    sum_test.go:23: 结果正确:n为4,值为3
    sum_test.go:23: 结果正确:n为5,值为5
--- PASS: TestF (0.00s)
PASS
coverage: 85.7% of statements
ok      project/test 0.521s  coverage: 85.7% of statements
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可以看到,测试覆盖率为 85.7% ,说明 F 函数没有被全面地测试,我们再查看详细的单元测试覆盖率报告来看下: go tool cover -html=test.cover -o=test.html
运行命令后,会在当前目录下生成一个 test.html 文件,我们用浏览器打开它,可以看到:

其中红色标记的部分是没有测试到的,绿色标记的部分是已经测试到的。单位测试覆盖率报告可以很容易地检测单元测试是否完全覆盖。
根据报告,再修改下单元测试代码,把没有覆盖的代码逻辑覆盖到:

fsMap[-1] = 0
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再运行这个单元测试,查看它的单元测试覆盖率,就会发现已经是 100% 了。

基准测试

基准测试可以测试一段程序的运行性能及耗费 CPU 的程度,基准测试和单元测试的规则基本一样,只是测试函数的命名规则不一样。以上面的函数 F() 为例,基准测试代码:

func BenchmarkF(b *testing.B) {
    for i:=0;i<b.N;i++{
      F(10)
   }
}
复制代码

基准测试和单元测试的区别:

  1. 基准测试函数必须以 Benchmark 开头,必须是可导出的;
  2. 函数的签名必须接收一个指向 testing.B 类型的指针,并且不能返回任何值;
  3. 被测试的代码要放到 for 循环里;
  4. b.N 是基准测试框架提供的,表示循环的次数,因为需要反复调用测试的代码,才可以评估性能。

运行基准测试同样是使用 go test 命令,并且需要加上 -bench 这个 Flag ,它接收一个表达式作为参数,"." 表示运行所以的基准测试。命令为: go test -bench=. ./test 运行结果:

goos: windows
goarch: amd64
pkg: project/test
cpu: Intel(R) Core(TM) i7-10750H CPU @ 2.60GHz
BenchmarkF-12            4042413               280.1 ns/op
PASS
ok      project/test 2.208s
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结果解析:

  • 函数后的 "-12" 表示运行基准测试时对应的 GOMAXPROCS 的值。
  • 4042413 表示运行 for 循环的次数,也就是调用被测试代码的次数。
  • 280.1 ns/op 表示每次需要花费 280.1 纳秒。

基准测试的时间默认是 1 秒,也就是 1 秒调用 4042413 次、每次调用花费 280.1 纳秒。如果想让测试运行的时间更长,可以通过 -benchtime 指定,比如 5 秒: go test -bench=. -benchtime=5s ./test

计时方法

  1. ResetTimer 方法用来重置计时器
  2. StartTimer 方法控制开始计时
  3. StopTimer 方法控制停止计时

进行基准测试之前可能会做一些准备,比如构建测试数据等,这些准备也需要消耗时间,所以需要把这部分时间排除在外。这时候我们可以使用 ResetTimer 方法来重置计时器,避免准备数据的耗时对测试数据造成干扰:

func BenchmarkF(b *testing.B) {
   n := 20
   b.ResetTimer() //重置计时器
   for i := 0; i < b.N; i++ {
      F(n)
   }
}
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内存统计

在基准测试时,还可以统计每次操作分配内存的次数与字节数,这两个指标可以作为优化代码的参考。要开启内存统计需要通过 ReportAllocs() 方法:

func BenchmarkF(b *testing.B) {
	n := 20
	b.ReportAllocs() //开启内存统计
	b.ResetTimer() //重置计时器
	for i := 0; i < b.N; i++ {
		F(n)
	}
}
复制代码

运行结果:

goos: windows
goarch: amd64
pkg: project/test
cpu: Intel(R) Core(TM) i7-10750H CPU @ 2.60GHz
BenchmarkF-12    166467    35043 ns/op    0 B/op   0 allocs/op
PASS
ok      project/test 6.724s
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结果中比之前的基准测试多了两项指标:

  1. 0 B/op ,表示每次操作分配了多少字节的内存。
  2. 0 allocs/op ,表示每次操作分配内存的次数。

并发基准测试

除了上面介绍的基准测试,Go 语言还支持并发基准测试,可以测试在多个 gorouting 并发下代码的性能。并发基准测试需要通过 RunParallel 方法,RunParallel 方法会创建多个 goroutine,并将 b.N 分配给这些 goroutine 执行:

func BenchmarkFibonacciRunParallel(b *testing.B) {
	n := 10
	b.RunParallel(func(pb *testing.PB) {
		for pb.Next() {
			F(n)
		}
	})
}
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F 函数优化

上面我们写的斐波那契数列函数 F ,因为使用了递归,一定会有重复计算,这是影响递归的主要因素。解决重复计算我们可以使用缓存,把已经计算好的结果先保存起来,以便后续重复使用。
优化后的函数:

func F(n int) int {
	if v, ok := cache[n]; ok {
		return v
	}
	result := 0
	switch {
	case n < 0:
		result = 0
	case n == 0:
		result = 0
	case n == 1:
		result = 1
	default:
		result = F(n-1) + F(n-2)
	}
	cache[n] = result
	return result
}
复制代码

运行结果:

goos: windows
goarch: amd64
pkg: project/test
cpu: Intel(R) Core(TM) i7-10750H CPU @ 2.60GHz
BenchmarkFibonacciRunParallel-12    563681175   2.123 ns/op
PASS
ok      project/test 2.006s
复制代码

可以看到,结果为 2.123 纳秒,相比优化前的 280.1 纳秒,性能上有很大的提升。

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