C++ 測試框架 GoogleTest 初學者入門篇丙

ENG八戒發表於2023-04-15

theme: channing-cyan

*以下內容為本人的學習筆記，如需要轉載，請宣告原文連結微信公眾號「ENG八戒」https://mp.weixin.qq.com/s/RIztusI3uKRnoHVf0sloeg

開發者雖然主要負責工程裡的開發任務，但是每個開發完畢的功能都是需要開發者自測透過的，所以經常會聽到開發者提起單元測試的話題。那麼今天我就帶大夥一起來看看大名鼎鼎的谷歌 C++ 測試框架 GoogleTest。

本文上接《C++ 測試框架 GoogleTest 初學者入門篇乙》，歡迎關注公眾號【ENG八戒】檢視更多精彩內容。

斷言

什麼是斷言？斷言是用來對錶達式執行比較的程式碼塊，呼叫時類似函式。當表示式一致時，斷言返回成功，否則失敗。

googletest 的斷言是一組宏定義。分為 ASSERT_* 和 EXPECT_* 兩種。

比如

ASSERT_EQ(1, 2);

EXPECT_EQ(1, 2);

上面用到的兩個斷言都是比較輸入的資料是否相等。主要區別是，ASSERT_* 在失敗時終止程式執行，EXPECT_* 在失敗時不會終止程式執行，但是都會返回錯誤資訊。因而測試使用 EXPECT_* 可以發現更多的問題而不會打斷測試流程。

那麼 ASSERT_* 斷言失敗時，跟在其後的語句會被忽略執行，如果其中包含對資源的釋放，那麼就有會出現資源洩漏的問題，斷言失敗報錯資訊會附帶有堆檢查錯誤。這時出現的資源洩漏問題，真的有必要修復碼？看具體情況而定。

另外，googletest 在斷言失敗後除了可以返回標準錯誤資訊，還可以附帶返回自定義錯誤資訊，使用運算子 << 新增自定義錯誤資訊。

ASSERT_EQ(1, 2) << "1 is not equal to 2";

EXPECT_EQ(1, 2) << "1 is not equal to 2";

任何可以傳遞給 ostream 的資料都可以作為自定義錯誤資訊傳遞給斷言，比如 C 字串、string物件。

那麼，測試的基本手段就是利用斷言，除了判斷型的斷言之外，googletest 還提供了其它型別的斷言用於協助測試，比如顯式成功或失敗、布林型別斷言、字串比較斷言等，詳情可以前往官網檢視手冊。

https://google.github.io/googletest/reference/assertions.html

如何測試

前面提到在 googletest 中，測試的範圍分為測試套件和單個測試。測試程式可以包含多個測試套件，一個測試套件可以包含多個測試。

簡單的測試一般推薦使用 TEST 宏來定義單個測試。

一般的使用方式如下

TEST(test_suite_name, test_name) {
  // test body
}

test_suite_name 是測試套件名，test_name 是單個測試的名稱，書寫時都應該符合 C++ 的識別符號規範，而且不能包含有下劃線_。更詳細的命名規範可以檢視下面的連結

https://google.github.io/styleguide/cppguide.html#Function_Names

那麼 TEST 宏到底代表著什麼？一起來看看 TEST 宏定義的原始碼

#define GTEST_STRINGIFY_HELPER_(name, ...) #name
#define GTEST_STRINGIFY_(...) GTEST_STRINGIFY_HELPER_(__VA_ARGS__, )

#define GTEST_TEST_CLASS_NAME_(test_suite_name, test_name) \
  test_suite_name##_##test_name##_Test

#define GTEST_TEST_(test_suite_name, test_name, parent_class, parent_id)       \
  static_assert(sizeof(GTEST_STRINGIFY_(test_suite_name)) > 1,                 \
                "test_suite_name must not be empty");                          \
  static_assert(sizeof(GTEST_STRINGIFY_(test_name)) > 1,                       \
                "test_name must not be empty");                                \
  class GTEST_TEST_CLASS_NAME_(test_suite_name, test_name)                     \
      : public parent_class {                                                  \
   public:                                                                     \
    GTEST_TEST_CLASS_NAME_(test_suite_name, test_name)() = default;            \
    ~GTEST_TEST_CLASS_NAME_(test_suite_name, test_name)() override = default;  \
    GTEST_TEST_CLASS_NAME_(test_suite_name, test_name)                         \
    (const GTEST_TEST_CLASS_NAME_(test_suite_name, test_name) &) = delete;     \
    GTEST_TEST_CLASS_NAME_(test_suite_name, test_name) & operator=(            \
        const GTEST_TEST_CLASS_NAME_(test_suite_name,                          \
                                     test_name) &) = delete; /* NOLINT */      \
    GTEST_TEST_CLASS_NAME_(test_suite_name, test_name)                         \
    (GTEST_TEST_CLASS_NAME_(test_suite_name, test_name) &&) noexcept = delete; \
    GTEST_TEST_CLASS_NAME_(test_suite_name, test_name) & operator=(            \
        GTEST_TEST_CLASS_NAME_(test_suite_name,                                \
                               test_name) &&) noexcept = delete; /* NOLINT */  \
                                                                               \
   private:                                                                    \
    void TestBody() override;                                                  \
    static ::testing::TestInfo* const test_info_ GTEST_ATTRIBUTE_UNUSED_;      \
  };                                                                           \
                                                                               \
  ::testing::TestInfo* const GTEST_TEST_CLASS_NAME_(test_suite_name,           \
                                                    test_name)::test_info_ =   \
      ::testing::internal::MakeAndRegisterTestInfo(                            \
          #test_suite_name, #test_name, nullptr, nullptr,                      \
          ::testing::internal::CodeLocation(__FILE__, __LINE__), (parent_id),  \
          ::testing::internal::SuiteApiResolver<                               \
              parent_class>::GetSetUpCaseOrSuite(__FILE__, __LINE__),          \
          ::testing::internal::SuiteApiResolver<                               \
              parent_class>::GetTearDownCaseOrSuite(__FILE__, __LINE__),       \
          new ::testing::internal::TestFactoryImpl<GTEST_TEST_CLASS_NAME_(     \
              test_suite_name, test_name)>);                                   \
  void GTEST_TEST_CLASS_NAME_(test_suite_name, test_name)::TestBody()

#define GTEST_TEST(test_suite_name, test_name)             \
  GTEST_TEST_(test_suite_name, test_name, ::testing::Test, \
              ::testing::internal::GetTestTypeId())

#define TEST(test_suite_name, test_name) GTEST_TEST(test_suite_name, test_name)

這麼多預定義處理，不妨嘗試代入上面的一般使用方式，然後展開一下，展開如下

static_assert(sizeof("test_suite_name") > 1,
              "test_suite_name must not be empty");
static_assert(sizeof("test_name") > 1,
              "test_name must not be empty");
			  
class test_suite_name_test_name_Test : public ::testing::Test {
  public:
  test_suite_name_test_name_Test() = default;
  ~test_suite_name_test_name_Test() override = default;
  test_suite_name_test_name_Test(const test_suite_name_test_name_Test &) = delete;
  test_suite_name_test_name_Test & operator=(
      const test_suite_name_test_name_Test &) = delete; /* NOLINT */
  test_suite_name_test_name_Test
  (test_suite_name_test_name_Test &&) noexcept = delete;
  test_suite_name_test_name_Test & operator=(
      test_suite_name_test_name_Test &&) noexcept = delete; /* NOLINT */

  private:
  void TestBody() override;
  static ::testing::TestInfo* const test_info_ GTEST_ATTRIBUTE_UNUSED_;
};

::testing::TestInfo* const test_suite_name_test_name_Test::test_info_ =
    ::testing::internal::MakeAndRegisterTestInfo(
        "test_suite_name", "test_name", nullptr, nullptr,
        ::testing::internal::CodeLocation(__FILE__, __LINE__),
        ::testing::internal::GetTestTypeId(),
        ::testing::internal::SuiteApiResolver<
            parent_class>::GetSetUpCaseOrSuite(__FILE__, __LINE__),
        ::testing::internal::SuiteApiResolver<
            parent_class>::GetTearDownCaseOrSuite(__FILE__, __LINE__),
        new ::testing::internal::TestFactoryImpl<test_suite_name_test_name_Test>);
		
void test_suite_name_test_name_Test::TestBody() {
  // test body
}

從展開後的程式碼，可以看到有一堆程式碼，最開始有兩個斷言 static_assert 用來判斷輸入的測試套件名和測試名長度是否大於1，所以要求 TEST 宏定義輸入的測試套件名和測試名都不能為空。

然後基於 ::testing::Test 派生了一個類，類名是測試套件名和測試名串接後再在末尾加上 _Test。類內宣告重寫 TestBody() 方法。

TEST 宏定義後面的 {} 用於定義派生類的成員方法 TestBody() 的函式體，內部填寫標準 C++ 的有效語句作為測試主體，當然也包含呼叫 googletest 提供的模組內容，注意這個程式碼塊是沒有返回值的。程式碼塊執行的斷言失敗時，或者程式碼崩潰，則測試 test_name 失敗，否則成功。

再來看個例子

int square(const int a)
{
  // ...
}

TEST(SquareTest, PositiveNos) { 
    ASSERT_EQ(0, square(0));
    ASSERT_EQ(36, square(6));
    ASSERT_EQ(324, square(18));
}
 
TEST(SquareTest, NegativeNos) {
    ASSERT_EQ(1, square(-1));
    ASSERT_EQ(100, square(-10));
}

上面定義了兩個測試 PositiveNos 和 NegativeNos，都屬於測試套件 SquareTest。

googletest 在設計時就指定透過測試套件來彙總測試結果，所以驗證同一個邏輯功能的測試應該定義在同一個測試套件內。

測試夾具

在 googletest 裡什麼是測試夾具？

測試夾具這個概念是為了解決當你的同一個邏輯功能測試裡，有多個測試共用測試資料或者配置的問題。

需要用到測試夾具的測試一般推薦使用 TEST_F 宏來定義單個測試。

一般的使用方式如下

TEST_F(FixtureTest, test_name) {
  // test body
}

不過，TEST_F 宏的第一個輸入引數不僅僅是測試套件名稱，同時也是測試夾具類名。這個測試夾具類需要自己基於類 ::testing::Test 派生實現。

class FixtureTest : public testing::Test {
protected:
void SetUp() override { ... }
void TearDown() override { ... }
// custom data
};

共用的測試資料或者配置就在這個派生類裡新增即可。SetUp() 用於初始化資料和配置，TearDown() 用於解除安裝配置。

那麼 TEST_F 宏到底代表著什麼，和 TEST 宏的區別在哪？一起來看看 TEST_F 宏定義的原始碼

#define GTEST_STRINGIFY_HELPER_(name, ...) #name
#define GTEST_STRINGIFY_(...) GTEST_STRINGIFY_HELPER_(__VA_ARGS__, )

#define GTEST_TEST_CLASS_NAME_(test_suite_name, test_name) \
  test_suite_name##_##test_name##_Test

#define GTEST_TEST_(test_suite_name, test_name, parent_class, parent_id)       \
  static_assert(sizeof(GTEST_STRINGIFY_(test_suite_name)) > 1,                 \
                "test_suite_name must not be empty");                          \
  static_assert(sizeof(GTEST_STRINGIFY_(test_name)) > 1,                       \
                "test_name must not be empty");                                \
  class GTEST_TEST_CLASS_NAME_(test_suite_name, test_name)                     \
      : public parent_class {                                                  \
   public:                                                                     \
    GTEST_TEST_CLASS_NAME_(test_suite_name, test_name)() = default;            \
    ~GTEST_TEST_CLASS_NAME_(test_suite_name, test_name)() override = default;  \
    GTEST_TEST_CLASS_NAME_(test_suite_name, test_name)                         \
    (const GTEST_TEST_CLASS_NAME_(test_suite_name, test_name) &) = delete;     \
    GTEST_TEST_CLASS_NAME_(test_suite_name, test_name) & operator=(            \
        const GTEST_TEST_CLASS_NAME_(test_suite_name,                          \
                                     test_name) &) = delete; /* NOLINT */      \
    GTEST_TEST_CLASS_NAME_(test_suite_name, test_name)                         \
    (GTEST_TEST_CLASS_NAME_(test_suite_name, test_name) &&) noexcept = delete; \
    GTEST_TEST_CLASS_NAME_(test_suite_name, test_name) & operator=(            \
        GTEST_TEST_CLASS_NAME_(test_suite_name,                                \
                               test_name) &&) noexcept = delete; /* NOLINT */  \
                                                                               \
   private:                                                                    \
    void TestBody() override;                                                  \
    static ::testing::TestInfo* const test_info_ GTEST_ATTRIBUTE_UNUSED_;      \
  };                                                                           \
                                                                               \
  ::testing::TestInfo* const GTEST_TEST_CLASS_NAME_(test_suite_name,           \
                                                    test_name)::test_info_ =   \
      ::testing::internal::MakeAndRegisterTestInfo(                            \
          #test_suite_name, #test_name, nullptr, nullptr,                      \
          ::testing::internal::CodeLocation(__FILE__, __LINE__), (parent_id),  \
          ::testing::internal::SuiteApiResolver<                               \
              parent_class>::GetSetUpCaseOrSuite(__FILE__, __LINE__),          \
          ::testing::internal::SuiteApiResolver<                               \
              parent_class>::GetTearDownCaseOrSuite(__FILE__, __LINE__),       \
          new ::testing::internal::TestFactoryImpl<GTEST_TEST_CLASS_NAME_(     \
              test_suite_name, test_name)>);                                   \
  void GTEST_TEST_CLASS_NAME_(test_suite_name, test_name)::TestBody()

#define GTEST_TEST_F(test_fixture, test_name)        \
  GTEST_TEST_(test_fixture, test_name, test_fixture, \
              ::testing::internal::GetTypeId<test_fixture>())

#define TEST_F(test_fixture, test_name) GTEST_TEST_F(test_fixture, test_name)

這麼多預定義處理，手癢代入一般的使用方式然後展開一下，展開如下

static_assert(sizeof("FixtureTest") > 1,
              "FixtureTest must not be empty");
static_assert(sizeof("test_name") > 1,
              "test_name must not be empty");
class FixtureTest_test_name_Test : public FixtureTest {
  public:
  FixtureTest_test_name_Test() = default;
  ~FixtureTest_test_name_Test() override = default;
  FixtureTest_test_name_Test(const FixtureTest_test_name_Test &) = delete;
  FixtureTest_test_name_Test & operator=(
      const FixtureTest_test_name_Test &) = delete; /* NOLINT */
  FixtureTest_test_name_Test
  (FixtureTest_test_name_Test &&) noexcept = delete;
  FixtureTest_test_name_Test & operator=(
      FixtureTest_test_name_Test &&) noexcept = delete; /* NOLINT */
  
  private:
  void TestBody() override;
  static ::testing::TestInfo* const test_info_ GTEST_ATTRIBUTE_UNUSED_;
};

::testing::TestInfo* const FixtureTest_test_name_Test::test_info_ =
    ::testing::internal::MakeAndRegisterTestInfo(
        #FixtureTest, #test_name, nullptr, nullptr,
        ::testing::internal::CodeLocation(__FILE__, __LINE__),
        ::testing::internal::GetTypeId<FixtureTest>(),
        ::testing::internal::SuiteApiResolver<
            FixtureTest>::GetSetUpCaseOrSuite(__FILE__, __LINE__),
        ::testing::internal::SuiteApiResolver<
            FixtureTest>::GetTearDownCaseOrSuite(__FILE__, __LINE__),
        new ::testing::internal::TestFactoryImpl<FixtureTest_test_name_Test>);
void FixtureTest_test_name_Test::TestBody() {
  // test body
}

從展開後的程式碼來看，TEST_F 和 TEST 實現基本類似，那麼使用時要遵循的規則也是一樣的，除了需要傳入自定義的基於 ::testing::Test 派生類，並且測試套件名就是測試夾具類名。

舉個例子，有個模板類 Queue 的邏輯功能需要測試，它實現了 FIFO 的資料佇列管理。

template <typename E>  // E 是元素型別
class Queue {
 public:
  Queue();
  void Enqueue(const E& element); // 資料入隊
  E* Dequeue();  // 資料出隊，如果佇列為空則返回 NULL
  size_t size() const;  // 佇列資料長度
  ...
};

然後需要基於 ::testing::Test 派生一個測試夾具類 QueueTest

class QueueTest : public ::testing::Test {
 protected:
  void SetUp() override {
     q1_.Enqueue(1);
     q2_.Enqueue(2);
     q2_.Enqueue(3);
  }

  // void TearDown() override {}

  Queue<int> q0_;
  Queue<int> q1_;
  Queue<int> q2_;
};

夾具類 QueueTest 內定義了三個佇列資料物件。SetUp() 內對資料物件初始化，q0_ 保持為空，q1_ 入隊一個資料，q2_ 入隊兩個資料。

為什麼不實現 TearDown() 呢？TearDown() 本來的設計意圖是解除安裝配置，不是剛好可以用來清理資料嗎？是的，的確可以，不過這裡有個更好的選擇，就是使用類解構函式來對佇列清空。這裡有個建議就是，能用解構函式處理的，儘量用解構函式替代 TearDown()。因為用解構函式可以確保被呼叫而且呼叫的順序不會亂，但不是說所有情況都建議用解構函式替代 TearDown()，這裡不展開了。

接著呼叫 TEST_F 定義兩個測試，基於測試夾具類 QueueTest，測試套件名也是 QueueTest，兩個測試名分別為 IsEmptyInitially 和 DequeueWorks。

TEST_F(QueueTest, IsEmptyInitially) {
  EXPECT_EQ(q0_.size(), 0);
}

TEST_F(QueueTest, DequeueWorks) {
  int* n = q0_.Dequeue();
  EXPECT_EQ(n, nullptr);

  n = q1_.Dequeue();
  ASSERT_NE(n, nullptr);
  EXPECT_EQ(*n, 1);
  EXPECT_EQ(q1_.size(), 0);
  delete n;

  n = q2_.Dequeue();
  ASSERT_NE(n, nullptr);
  EXPECT_EQ(*n, 2);
  EXPECT_EQ(q2_.size(), 1);
  delete n;
}

上面的這兩個測試定義，都會建立 QueueTest 類物件，分別建立而且不共用，所以資料不會相互影響。

第一個測試 IsEmptyInitially，googletest 框架會先建立 QueueTest 類物件 obj，呼叫 SetUp() 初始化資料和配置，執行測試。這裡只執行了一個 EXPECT_EQ 斷言，EXPECT_* 型別的斷言失敗後會返回失敗資訊，不會終止測試程式，繼續下一步測試。然後呼叫 TearDown() 清理，最後執行物件 obj 的解構函式釋放資源並退出當前測試。

第二個測試 DequeueWorks，執行流程與上一個類似。其中測試內容包含有 ASSERT_* 類別的斷言，這種斷言在失敗後除了會返回失敗資訊，還會終止測試程式。如果斷言失敗之後的測試已沒有意義，那麼適合使用 ASSERT_* 類別的斷言。

測試呼叫過程

其它 C++ 測試框架在測試開始前，需要你把測試排列出來，但是 googletest 不需要這麼麻煩。在 googletest 框架中，定義好測試後，只需要在 main 部分執行如下程式碼即可。

int main(int argc, char **argv)
{
    testing::InitGoogleTest(&argc, argv);
    return RUN_ALL_TESTS();
}

InitGoogleTest() 可以對程式的輸入命令執行解析，基於這點可以透過命令列的方式控制測試框架的執行。

繼續以上面的程式碼為例，大致流程如下

InitGoogleTest() 初始化測試框架。
RUN_ALL_TESTS() 啟動測試。
查詢測試套件內的測試。
儲存配置標誌。
建立 QueueTest 例項。
呼叫 QueueTest 例項的 SetUp() 初始化資料配置。
執行測試。
呼叫 QueueTest 例項的 TearDown() 解除安裝資料配置。
恢復配置標誌。
重複第 3 步，直到所有測試執行完畢，

RUN_ALL_TESTS() 返回 0 表示成功，否則失敗。只能在主執行緒裡呼叫 RUN_ALL_TESTS()。

在一般的測試裡，如果在測試執行之前不需要做一些自定義的事情，而且這些事情無法在測試夾具和測試套件的框架中表達時，main 函式這部分其實都一樣，那麼 googletest 就在庫 gtest_main 裡提供了一個很方便的入口點，也就是幫你提前寫好了 main 函式，你可以省去這部分，編譯的時候記得連結庫 gtest_main 即可。

好了，這個系列的文章就寫到這裡啦。

學習可以等，時間不等人！

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