C++，如何写单元测试用例？

1. 概述

1.1 什么是单元测试？

单元测试是软件开发过程中的一种重要测试方法，它专注于对软件中的最小独立单元（如函数、方法、过程、类等）进行详细的测试和验证。这些单元是构成整个软件系统的基础构件，因此确保它们的正确性对于整个软件的质量至关重要。

单元测试的核心思想是，在隔离的环境中测试这些基础单元，即每个单元都被视为一个独立的实体进行测试，不依赖于其他单元或外部系统。这样做的目的是简化测试过程，使问题更容易定位和解决。尽管有时单元测试也被形象地称为“白盒测试”，意味着测试者需要了解代码的内部逻辑和结构，但实际上单元测试更多地关注于单元的输入输出和行为是否符合预期，而不仅仅是代码覆盖率或内部实现。

在进行单元测试时，测试人员会针对每个单元设计一系列测试用例，这些测试用例涵盖了单元的各种可能输入条件，包括正常输入、边界输入以及异常或错误输入。测试执行过程中，会监控单元的输出结果、内部状态变化以及是否触发了预期的异常或错误处理机制。如果单元的输出结果或行为符合测试用例的预期，那么该单元测试用例就通过了；否则，就需要分析原因并进行相应的修复。

单元测试的优点包括：

• 早期发现问题：通过在开发早期就进行单元测试，可以及时发现和修复代码中的错误，避免问题在后续阶段扩大或复杂化。
• 提高代码质量：单元测试迫使开发人员编写更加清晰、简洁和可测试的代码，从而提高代码的整体质量。
• 简化集成测试：当每个单元都经过充分测试并确认无误后，集成这些单元时会更加顺利，因为减少了因单元内部错误导致的集成问题。
• 支持重构：在进行代码重构时，单元测试可以作为保护网，确保重构后的代码仍然符合原有功能需求。

总之，单元测试是确保软件质量的重要手段之一，它通过对软件中的最小单元进行详细的测试和验证，帮助开发人员发现和修复问题，提高代码质量，并为后续的集成测试和系统测试打下坚实的基础。

1.2 为什么要做单元测试？

1. 提前发现错误，降低修复成本
   在软件开发过程中，越早发现错误，修复的成本就越低。单元测试是在代码编写之后立即进行的测试，它直接针对代码的最小单元，因此能够快速地发现代码中的错误。相比之下，如果等到系统集成后再进行测试（即黑盒测试），那么错误可能已经被隐藏在复杂的系统交互中，难以定位和修复，且修复成本会显著增加。

2. 提高代码质量
   单元测试迫使开发人员编写更清晰、更简洁、更可测试的代码。因为单元测试需要针对每个单元设计测试用例，所以开发人员必须仔细考虑代码的结构和逻辑，以确保它们能够被有效地测试。这种“以测试驱动开发”（Test-Driven Development, TDD）的方式不仅可以提高代码质量，还可以促进代码的重构和复用。

3. 支持持续集成和持续部署
   在现代软件开发中，持续集成（Continuous Integration, CI）和持续部署（Continuous Deployment, CD）已经成为常态。单元测试是这些流程中的关键一环，因为它们可以快速地对每次代码提交进行验证，确保新代码不会破坏现有功能。通过自动化单元测试，可以大大提高开发效率，减少人为错误。

4. 符合行业标准和法规要求
   如您所述，许多行业标准和法规（如ISO 26262、IEC 61508、EN 50128、IEC 62304、GJB-5000A等）都明确要求软件研发过程中进行单元测试。这些标准和法规的制定是为了确保软件的安全性、可靠性和质量，特别是在汽车、工业、轨道交通、医疗器械和国防军工等关键领域。通过遵循这些标准和法规，企业可以规避潜在的安全风险，提高产品的市场竞争力。

5. 促进团队协作和沟通
   单元测试还可以促进团队协作和沟通。因为单元测试是针对代码的最小单元进行的，所以每个开发人员都可以独立地编写和测试自己的代码。当团队成员之间共享单元测试时，他们可以更容易地理解彼此的代码，并在需要时进行修改或扩展。这种协作方式可以提高团队的效率，减少误解和冲突。

综上所述，单元测试是软件开发过程中不可或缺的一环。它不仅可以提前发现错误、提高代码质量、支持持续集成和持续部署，还可以帮助企业符合行业标准和法规要求，并促进团队协作和沟通。因此，对于要求高可靠性和安全性的系统来说，进行单元测试是非常必要的。

总结一下就是，“降本增效”
通过测试，提升软件质量，并且尽量在软件开发生命周期的早期暴露问题、解决问题，尽可能多地把工程师从问题修复的泥潭中解放出来，在新产品、新功能、新技术的研发中投入更多的资源，从而在市场竞争中取得优势。

2. 写测试用例的方法

TBD.

3. 编写测试用例的通用原则

C++ 测试用例编写应遵循一定的原则，以确保测试的有效性、可维护性和全面性。

3.1 目的性原则

每个测试用例应有一个明确的目的，验证程序的一个特定功能或行为。

TEST(Functionality, AddPositiveNumbers) {
    EXPECT_EQ(add(3, 4), 7);
}

3.2 独立性原则

测试用例之间不应相互依赖，每个测试应该是自包含的，不应依赖于其他测试用例的状态。

TEST(Independence, TestFunction) {
    int initial = 0;
    manipulate(initial);
    EXPECT_TRUE(checkResult(initial));
}

3.3 可重复性原则

测试用例应该能够在任何环境中重复执行，并产生相同的结果。

TEST(Repeatability, AlwaysPass) {
    EXPECT_TRUE(1 + 1 == 2);
}

3.4 小规模原则

测试用例应该尽可能小而专注，每个测试只验证一个逻辑点。

TEST(SmallScale, SingleAssertion) {
    EXPECT_NEAR(0.001, calculatedValue, 0.0001);
}

3.5 一致性原则

测试用例的命名和结构应保持一致，以便于理解和维护。

TEST(Consistency, NamingConvention) {
    // ...
}

3.6 自动化原则

测试用例应设计为可自动化执行，减少人工干预。

TEST(Automation, AutomatedTest) {
    auto result = performAction();
    EXPECT_EQ(expectedValue, result);
}

3.7 边界条件原则

测试用例应覆盖正常情况和边界条件，包括异常和错误情况。

TEST(Boundary, EmptyInput) {
    EXPECT_THROW(process(""), std::invalid_argument);
}

3.8 错误检测原则

测试用例应能够检测错误，并提供清晰的错误信息。

TEST(ErrorDetection, InvalidInput) {
    EXPECT_FALSE(isValidInput("invalid"));
}

3.9 性能原则

对性能敏感的代码也应有相应的性能测试用例，确保代码在性能上满足要求。

TEST(Performance, FastExecution) {
    auto start = std::chrono::high_resolution_clock::now();
    performAction();
    auto duration = std::chrono::high_resolution_clock::now() - start;
    EXPECT_LT(duration, std::chrono::milliseconds(100));
}

3.10 代码覆盖原则

测试用例应覆盖尽可能多的代码路径，包括条件语句的真假分支。

TEST(CodeCoverage, BothBranches) {
    // 测试条件为真
    EXPECT_TRUE(evaluateCondition(true));
    // 测试条件为假
    EXPECT_FALSE(evaluateCondition(false));
}

3.11 数据驱动原则

对于需要大量输入数据的测试，可以采用数据驱动的方法，使用不同的输入集来测试相同的逻辑。

TEST(DataDriven, MultipleInputs) {
    std::vector<int> inputs = {1, 2, 3, -1, -2, -3};
    for (int input : inputs) {
        EXPECT_EQ(square(input), input * input);
    }
}

3.12 安全原则

测试用例应验证代码对安全漏洞的防护能力，特别是对于涉及用户输入和外部数据的场景。

TEST(Security, NoSQLInjection) {
    EXPECT_FALSE(isVulnerableToSQLInjection(userInput));
}

参考

【1】单元测试成神之路——C++篇
【2】lcov收集覆盖率
【3】关于代码覆盖lcov的使用
【4】什么是单元测试？谁来做？怎么写？