深度解读 TDD（测试驱动开发）

本文结构：

  • 什么是 TDD
  • 为什么要 TDD
  • 怎么 TDD
  • FAQ
  • 学习路径
  • 延伸阅读

什么是 TDD

TDD 有广义和狭义之分，常说的是狭义的 TDD，也就是 UTDD（Unit Test Driven Development）。广义的 TDD 是 ATDD（Acceptance Test Driven Development），包括 BDD（Behavior Driven Test Development）和 Consumer-Driven Contracts Development 等。 本文所说的 TDD 指狭义上的 TDD，也就是「单元测试驱动开发」。

TDD 是敏捷开发中的一项核心实践和技术，也是一种设计方法论。TDD 的原理是在开发功能代码之前，先编写单元测试用例代码，测试代码确定需要编写什么产品代码。TDD 是 XP（Extreme Programming）的核心实践。它的主要推动者是 Kent Beck。

TDD 有三层含义：

  • Test-Driven Development，测试驱动开发。
  • Task-Driven Development，任务驱动开发，要对问题进行分析并进行任务分解。
  • Test-Driven Design，测试保护下的设计改善。TDD 并不能直接提高设计能力，它只是给你更多机会和保障去改善设计。

为什么要 TDD

传统编码方式 VS TDD 编码方式

传统编码方式

  • 需求分析，想不清楚细节，管他呢，先开始写
  • 发现需求细节不明确，去跟业务人员确认
  • 确认好几次终于写完所有逻辑
  • 运行起来测试一下，靠，果然不工作，调试
  • 调试好久终于工作了
  • 转测试，QA 测出 bug，debug， 打补丁
  • 终于，代码可以工作了
  • 一看代码烂的像坨屎，不敢动，动了还得手工测试，还得让 QA 测试，还得加班...

TDD 编码方式

  • 先分解任务，分离关注点（后面有演示）
  • 列 Example，用实例化需求，澄清需求细节
  • 写测试，只关注需求，程序的输入输出，不关心中间过程
  • 写实现，不考虑别的需求，用最简单的方式满足当前这个小需求即可
  • 重构，用手法消除代码里的坏味道
  • 写完，手动测试一下，基本没什么问题，有问题补个用例，修复
  • 转测试，小问题，补用例，修复
  • 代码整洁且用例齐全，信心满满地提交

TDD 的好处

降低开发者负担
通过明确的流程，让我们一次只关注一个点，思维负担更小。

保护网
TDD 的好处是覆盖完全的单元测试，对产品代码提供了一个保护网，让我们可以轻松地迎接需求变化或改善代码的设计。 所以如果你的项目需求稳定，一次性做完，后续没有任何改动的话，能享受到 TDD 的好处就比较少了。

提前澄清需求
先写测试可以帮助我们去思考需求，并提前澄清需求细节，而不是代码写到一半才发现不明确的需求。

快速反馈
有很多人说 TDD 时，我的代码量增加了，所以开发效率降低了。但是，如果没有单元测试，你就要手工测试，你要花很多时间去准备数据，启动应用，跳转界面等，反馈是很慢的。准确说，快速反馈是单元测试的好处。

怎么 TDD

TDD 的基本流程是：红，绿，重构。 更详细的流程是：

  • 写一个测试用例
  • 运行测试
  • 写刚好能让测试通过的实现
  • 运行测试
  • 识别坏味道，用手法修改代码
  • 运行测试

你可能会问，我写一个测试用例，它明显会失败，还要运行一下吗？ 是的。你可能以为测试只有成功和失败两种情况，然而，失败有无数多种，运行测试才能保证当前的失败是你期望的失败。 一切都是为了让程序符合预期，这样当出现错误的时候，就能很快定位到错误（它一定是刚刚修改的代码引起的，因为一分钟前代码还是符合我的预期的）。 通过这种方式，节省了大量的调试代码的时间。

TDD 的三条规则

  1. 除非是为了使一个失败的 unit test 通过，否则不允许编写任何产品代码
  2. 在一个单元测试中，只允许编写刚好能够导致失败的内容（编译错误也算失败）
  3. 只允许编写刚好能够使一个失败的 unit test 通过的产品代码

如果违反了会怎么样呢？ 违反第一条，先编写了产品代码，那这段代码是为了实现什么需求呢？怎么确保它真的实现了呢？ 违反第二条，写了多个失败的测试，如果测试长时间不能通过，会增加开发者的压力，另外，测试可能会被重构，这时会增加测试的修改成本。 违反第三条，产品代码实现了超出当前测试的功能，那么这部分代码就没有测试的保护，不知道是否正确，需要手工测试。可能这是不存在的需求，那就凭空增加了代码的复杂性。如果是存在的需求，那后面的测试写出来就会直接通过，破坏了 TDD 的节奏感。

我认为它的本质是： 分离关注点，一次只戴一顶帽子 在我们编程的过程中，有几个关注点：需求，实现，设计。 TDD 给了我们明确的三个步骤，每个步骤关注一个方面。 红：写一个失败的测试，它是对一个小需求的描述，只需要关心输入输出，这个时候根本不用关心如何实现。 绿：专注在用最快的方式实现当前这个小需求，不用关心其他需求，也不要管代码的质量多么惨不忍睹。 重构：既不用思考需求，也没有实现的压力，只需要找出代码中的坏味道，并用一个手法消除它，让代码变成整洁的代码。

注意力控制 人的注意力既可以主动控制，也会被被动吸引。注意力来回切换的话，就会消耗更多精力，思考也会不那么完整。 使用 TDD 开发，我们要主动去控制注意力，写测试的时候，发现一个类没有定义，IDE 提示编译错误，这时候你如果去创建这个类，你的注意力就不在需求上了，已经切换到了实现上，我们应该专注地写完这个测试，思考它是否表达了需求，确定无误后再开始去消除编译错误。

为什么很多人做 TDD 都做不起来？

不会合理拆分任务
TDD 之前要拆分任务，把一个大需求拆成多个小需求。 也可以拆出多个函数来。

不会写测试
什么是有效的单元测试，有很多人写测试，连到底在测什么都不清楚，也可能连断言都没有，通过控制台输出，肉眼对比来验证。 好的单元测试应该符合几条原则：

  • 简单，只测试一个需求
  • 符合 Given-When-Then 格式
  • 速度快
  • 包含断言
  • 可以重复执行

不会写刚好的实现
很多人写实现的时候无法专注当前需求，一不小心就把其他需求也实现了，就破坏了节奏感。 实现的时候不会小步快走。

不会重构
不懂什么是 Clean Code，看不出 Smell，没有及时重构，等想要重构时已经难以下手了。 不知道用合适的「手法」消除 Smell。

基础设施
对于特定技术栈，没有把单元测试基础设施搭建好，导致写测试时无法专注在测试用例上。

实例

写一个程序来计算一个文本文件 words.txt 中每个单词出现的频率。 为了保持简单，假设：

  • words.txt 只包含小写字母和空格
  • 每个单词只包含小写字母
  • 单词之间由一个或多个空格分开

举个例子，假设 words.txt 包含以下内容：

the day is sunny the the the sunny is is

你的程序应当输出如下，按频率倒序排序：

the 4 is 3 sunny 2 day 1

请先不要往下读，思考一下你会怎么做。 （思考 3 分钟...）

新手拿到这样的需求呢，就会把所有代码写到一个 main() 方法里，伪代码如下：

main() {
    // 读取文件
    ...
    // 分隔单词
    ...
    // 分组
    ...
    // 倒序排序
    ...
    // 拼接字符串
    ...
    // 打印
    ...
}

思路很清晰，但往往一口气写完，最后运行起来，输出却不符合预期，然后就开始打断点调试。

这种代码没有任何的封装。这就是为什么很多人一听到说有些公司限制一个方法不超过 10 行，就立马跳出来说，这不可能，10 行能干什么啊，我们的业务逻辑很复杂... 这样的代码存在什么样的问题呢？

  • 不可测试
  • 不可重用
  • 难以定位问题

好嘛，那我们来 TDD 嘛，你说读文件，输出控制台的测试代码要怎么写？ 当然，我们可以通过 Mock 和 Stub 来隔离 IO，但真的有必要吗？

有人问过 Kent Beck 这样一个问题：

你真的什么都会测吗？连 getter 和 setter 也会测试吗？

Kent Beck 说：公司请我来是为了实现业务价值，而不是写测试代码。 所以我只在没有信心的地方写测试代码。

那对我们这个程序而言，读文件和打印到控制台都是调用系统 API，可以很有信心吧。最没有信心的是中间那写要自己写的业务逻辑。 所以我们可以对程序做一些封装，《代码整洁之道》里说，有注释的地方都可以抽取方法，用方法名来代替注释：

main() {
    String words = read_file('words.txt')
    String[] wordArray = split(words)
    Map<String, Integer> frequency = group(wordArray)
    sort(frequency)
    String output = format(frequency)
    print(output)
}

这样是不是就可以单独为 split，group，sort，format 这些方法写单元测试了呢？ 当然可以， 它们的输入和输出都是很明确的嘛。

等等，你可能会说，不是测试驱动设计吗？你怎么开始做设计了？好问题！

TDD 要不要做提前设计呢？

Kent Beck 不做提前设计，他会选一个最简单的用例，直接开写，用最简单的代码通过测试。逐渐增加测试，让代码变复杂，用重构来驱动出设计。 在这个需求里，最简单的场景是什么呢？ 那就是文件内容为空，输出也为空。

当然，对于复杂问题，可能要一边写一边补充新的用例，但对于这种简单的题目，基本可以提前就想清楚用什么用例驱动去什么产品代码。 大概可以想到如下的用例：

  • "" => ""
  • "he" => "he 1"，一个单词，驱动出格式化字符串的代码
  • "he is" => "he 1\r\nis 1"，两个不同单词，驱动出分割单词的代码
  • "he he is" => "he 2\r\nis 1"，有相同单词，驱动出分组代码
  • "he is is" => "is 2\r\nhe 1"，驱动出分组后的排序代码
  • "he is" => "he 1\r\nis 1"，多个空格，完善分割单词的代码

Martin Fowler 的观点是，以前我们写代码要做 Big Front Up Design，在开始写代码前要设计好所有细节。 而我们有了重构这个工具后，做设计的压力小了很多，因为有测试代码保护，我们可以随时重构实现了。但这并不代表我们不需要做提前设计了，提前设计可以让我们可以和他人讨论，可以先迭代几次再开始写代码，在纸上迭代总比改代码要快。 我个人比较认同 Martin Fowler 的做法，先在脑子里（当然，我脑子不够用，所以用纸画）做设计，迭代几次之后再开始写，这样，我还是会用最简单的实现通过测试，但重构时就有了方向，效率更高。

回到这个程序，我发现目前的封装不在一个抽象层次上，更理想的设计是：

分解任务

main() {
    String words = read_file('words.txt')
    String output = word_frequency(words)
    print(output)
}

word_frequency(words) {
    String[] wordArray = split(words)
    Map<String, Integer> frequency = group(wordArray)
    sort(frequency)
    return format(frequency)
}

这时候，又有两种选择，有人喜欢自顶向下，有人喜欢自底向上，我个人更倾向于前者。

现在开始，只要照着 红-绿-重构 的循环去做就可以。 大部分 TDD 做不好，就是没有前面的任务分解和列 Example 的过程。
想看 TDD 过程的话，可以参考我做的直播。

FAQ

为什么一定要先写测试，后补测试行不行？

行，但是要写完实现后，马上写测试，用测试来验证实现。如果你先手工测试，把代码都调试好了，再补单元测试，你就会觉得很鸡肋，还增加了工作量。 不管测试先行还是后行都可以享受到快速反馈，不过如果测试先行，你就可以享受另一个好处，使用意图驱动编程减少返工。因为你的测试代码就是产品代码的客户端（调用者），你可以在测试代码里写成你理想的样子（方法名，参数，返回值等），再去实现产品代码，比起先写实现后写测试，前者返工更少。

刚写了一个测试，还没写实现。明知道运行测试一定会报错，为什么还要去运行？

其实测试的运行结果并非只有通过与不通过两种，因为不通过时有很多种可能。所以在明知道一定失败的情况下去运行测试，目的是看看是不是报了期望的那个错误。

小步快走确实好，但真的需要这么小步吗？

步子迈太大，容易扯着蛋。 练习的时候需要养成小步的习惯，工作的时候可以自由切换步子的大小。 当你自信的时候步子就可以大点，当你不太自信的时候就可以立即切换到小步的模式。如果只会大步，就难以再小步了。

测试代码是否会成为维护的负担？

维护时也遵循 TDD 流程，先修改测试代码成需求变更后的样子，让测试失败，再修改产品代码使其通过。 这样你就不是在维护测试用例，而是在利用测试用例。

为什么要快速实现？

其实是用二分查找法隔离问题，通过 hardcode 实现通过测试后，就基本确定测试是没有问题，这时再去实现产品代码，如果测试不通过，就是产品代码的问题。 所以小步快走主要是为了隔离问题，也就是你可以告别 Debug  了。

为什么测试代码要很简单？

如果一个测试失败了，修复的时候是改测试代码而不是产品代码，那就是测试代码写的不好。 当测试代码足够简单时，如果一个测试失败了，就有足够信心断定一定是产品代码的问题。

什么时候不适合 TDD？

如果你是做探索性的技术研究（Spike），不需要长期维护，而且测试基础设施搭建成本很高，那还是手工测试吧。 另外还有「可测试性极差的遗留系统」和「使用测试不友好的技术栈」的系统，做 TDD 可能得不偿失。

学习路径

  1. 《有效的单元测试》
  2. 《代码整洁之道》
  3. 《重构》
  4. Transformation Priority Premise
  5. 《Test-Driven Development by Example》
  6. 《Growing Object-Oriented Software, Guided by Tests》

延伸阅读

Q&A

问：在一个团队中谁来写单元测试呢，开发还是测试？开发测试如何协作呢？分开的方式会不会导致测试用例质量的下降？毕竟要实现的功能只有开发最清楚，会不会导致覆盖率降低？
答： TDD 是开发人员自己的事。基本不需要和测试协作，不过我司的测试已经开始参与单元测试的 Review 了。

问：TDD 是否适合界面的开发？应用的业务逻辑部分可以用 TDD 这个可以理解，不过，界面部分是否也适用？如果可以的话，大概是如何操作呢？比如安卓，是用安卓提供的测试框架么？那只能测试简单的界面切换之类的功能，有没有其他更好的方式？
答：前几年我们做过一个 Android 应用，用 Robolectric 做的单元测试。http://robolectric.org/ 移动应用开发挺适合的，因为你就不用启动应用来测试了。反馈会比较快，也不用去做数据，去跳转页面。Robolectric 不用启虚拟机，速度非常快，在 JVM 里跑的。也可以用 Appium 做端到端的测试。

问：有关于怎样分解任务的策略，拿到一个任务，如何开始第一步？
答：关于任务分解可以读这个系列文章，学会这个，就可以在不动键盘的情况下想清楚代码的结构，在脑子里做几遍重构，再写的时候就效率很高。脑子想不明白可以借助纸笔来画。有了这个图你就可以和别人交流了。带人的时候尤其好用，你布置完一个任务，让新人先画图，就可以在他开始写代码前对他的设计提反馈。

问：按流程一路写测试，一路实现，还是随便挑一个开始测试与实现，然后 mock 数据呢？
答：有从上到下的，也有从下到上的两种途径。我个人倾向于从上到下的。或者说从外到内的。从下到上，有可能最后连不起来。

问：单元测试与集成测试，怎么权衡，开发应该注重单元测试还是集成测试，还是说都要关注？
答：测试是分层的，都要关注。各种测试要搭配起来，各有各的好处。

问：如何在紧张的工期和完善的单元测试之间进行权衡？
答：这是个伪命题。TDD 不是慢。

问：两周一个版本迭代，适合用 TDD 吗？
答：特别适合。没有完善的测试覆盖，两周发布一个版本是很困难的。有 TDD 才容易做到快速交付，写完测试，实现，跑完构建流程，部署流水线，就发布了。

问：我比较关心 Robert 大叔说的那个 TDD 优先级 ，这个如何理解和应用？好像确实很容易写着就死胡同了。
答：这个就是 TDD 中绿的部分，Baby Step 能做到多细。Uncle Bob 的 TPP 给我们指了一条明路。

问：TDD 测试驱动开发，有哪些注意事项，测试和开发应该注意哪些内容？
答：小步快走，频繁提交，注意休息。

问：对于单元测试的 mock，应该针对外部接口进行 mock 吗？那么，再提交测试之前，是否要关注外部接口的返回结果是否按照约定返回？
答：单元测试保证的是自己的逻辑。外部接口的质量有外部系统来保证。我们也有集成测试来保证。

问：请老师分享一下写单元测试好的实践，及各种单元测试优缺点（使用详解就更好了）。
答：三个原则，Given-When-Then，FIRST，BICEP-Right。

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