单元测试布道之二：在全新的 DDD 架构上进行单元测试

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leoninew 原创，转载请保留出处 www.cnblogs.com/leoninew

回顾：相关定义和相关知识

前期内容 单元测试布道之一：定义、分类与策略 描述了测试相关的部分概念，介绍了 dotnet 单元测试策略，声明了可测试性的重要性。

  1. 单元测试的定义：对软件中的最小可测试单元进行检查和验证，用于检验被测代码的一个很小的、很明确的功能是否正确
  2. 单元测试的必要：单元测试能在开发阶段发现 BUG，及早暴露，收益高，是交付质量的保证
  3. 单元测试的策略：自底向上或孤立的测试策略

现在略回顾下准备知识。

dotnet 单元测试相关的工具和知识

  1. NSubstitute

该类库对自身的定位是 A friendly substitute for .NET mocking libraries，作为老牌 mock 库 moq 的替代实现。

mock 离不开动态代理，NSubstitute 依赖 Castle Core，其原理另起篇幅描述。

// Arrange（准备）：Prepare
var calculator = Substitute.For<ICalculator>();

// Act（执行）：Set a return value
calculator.Add(1, 2).Returns(3);
Assert.AreEqual(3, calculator.Add(1, 2));

// Assert（断言 ）：Check received calls
calculator.Received().Add(1, Arg.Any<int>());
calculator.DidNotReceive().Add(2, 2);
  1. 使用 InternalsVisibleToAttribute 测试内部类

为了避免暴露大量的实现细节、提高内聚性，开发人员应应减少 public 访问修饰符的使用。但是非公开的类和方法如何进行测试？这就是InternalsVisibleToAttribute 的作用，我们可以在被测项目的AssemblyInfo.cs 文件中添加定义，该特性接受 assembly 名称作为参数，对其暴露内部可见性。

[assembly: InternalsVisibleTo("XXX.Tests")]

也可以在被测试目标的项目文件 .csproj 中使用，并支持使用项目的上下文变量作为参数名。

  <ItemGroup>
    <AssemblyAttribute Include="System.Runtime.CompilerServices.InternalsVisibleTo">
      <_Parameter1>$(MSBuildProjectName).Tests</_Parameter1>
    </AssemblyAttribute>
  </ItemGroup>

通过以上两种方式，单元测试项目拥有了对被测试项目中 internal 类和方法的访问能力。

  1. 扩展方法的测试

扩展方法不具备可测试性，如果注入的是接口或抽象类，那么对扩展方法本身可以 mock，但是无法妥善 mock 接口或抽象类被其他类型引用的情况。

public interface IRandom {
	Double Next();
}

public class Random : IRandom {
	private static readonly System.Random r = new System.Random();

	public double Next() {
		return r.NextDouble();
	}
}

// 扩展方法
public static class RandomExtensions {
	public static Double Next(this IRandom random, int min, int max) {
		return max - random.Next() * min;
	}
}

直接 mock IRandom 的扩展方法 Next(int min, int max) 会失败，NSubstitute 的 Returns 方法抛出异常。

[Fact]
public void Next_ExtensionMethodMock_ShouldFailed() {
	var random = Substitute.For<IRandom>();
	random.Next(Arg.Any<int>(), Arg.Any<int>())
		.Returns(call => (call.ArgAt<int>(0) + call.ArgAt<int>(1)) / 2);

    // "Argument matchers (Arg.Is, Arg.Any) should only be used in place of member arguments. Do not use in a Returns() statement or anywhere else outside of a member call."
	random.Next(0, 100);
}

实际上我们可以从 IRandom 继续定义接口，并包含一个签名与扩展方法相同的成员方法，mock 是行得通的。

public interface IRandomWrapper : IRandom {
    Double Next(int min, int max);
}

[Fact]
public void Next_WrapprMethod_ShouldWorks() {
    var random = Substitute.For<IRandomWrapper>();
    random.Next(Arg.Any<int>(), Arg.Any<int>())
        .Returns(call => (call.ArgAt<int>(0) + call.ArgAt<int>(1)) / 2);
    Assert.Equal(random.Next(0, 100), 50);
    
    var service = new CalulateService(random);
    // 会调用扩展方法还是 mock 方法?
    service.DoStuff();
}

然而到目前为止，CalulateService.DoStuff() 仍然会调用扩展方法，我们需要更多工作来达到测试目的，另起篇幅描述。

efcore 有形如 ToListAsync() 等大量扩展方法，测试步骤略繁复。

可测试性

可测试性的回顾仍然十分有必要，大概上可以归于以下三类。

不确定性/未决行为

// BAD
public class PowerTimer
{
	public String GetMeridiem()
	{
		var time = DateTime.Now;
		if (time.Hour >= 0 && time.Hour < 12)
		{
			return "AM";
		}
		return "PM";
	}
}

依赖于实现：不可 mock

// BAD: 依赖于实现
public class DepartmentService
{
	private CacheManager _cacheManager = new CacheManager();

	public List<Department> GetDepartmentList()
	{
		List<Department> result;
		if (_cacheManager.TryGet("department-list", out result))
		{
			return result;
		}
        // ... do stuff 
	}
}

// BAD: 静态方法
public static bool CheckNodejsInstalled()
{
    return Environment.GetEnvironmentVariable("PATH").Contains("nodejs", StringComparison.OrdinalIgnoreCase);
}

复杂继承/高耦合代码：测试困难

随着步骤与流程判断增加，场景组合和 mock 工作量成倍堆积，直到不可测试。

实战：在全新的 DDD 架构上进行单元测试

HelloDevCloud 是一个假想的早期 devOps 产品，提供了组织（Organization）和项目（Project）管理，遵从极简的 DDD 架构，预计的项目结构如下

$ tree -L 2
.
├── doc
├── HelloDevCloud.sln
├── README.md
├── src
│   ├── HelloDevCloud.Domain                领域对象
│   ├── HelloDevCloud.Domain.Shared
│   ├── HelloDevCloud.DomainService         领域服务
│   ├── HelloDevCloud.EntityFrameworkCore   基于 efcore 的仓储模式实现
│   ├── HelloDevCloud.Infrastructure        基础设施
│   ├── HelloDevCloud.Repositories          DbContext 与仓储
│   └── HelloDevCloud.Web                   Web 接口
└── test
    ├── HelloDevCloud.DomainService.Tests   领域服务测试用例
    ├── HelloDevCloud.RepositoriesTests     DbContext 与仓储测试用例
    └── HelloDevCloud.Web.Tests             Web 接口测试用例

基于 DDD 分层架构不一而足，本示例用作单元测试演示

目前已有如下领域划分

  1. 每个组织（Organization）都可以创建一个或多个项目（Project）
  2. 提供公共的 GitLab 用于托管代码，每个项目（Project）创建之时有 master 和 develop 分支被创建出来
  3. 项目（Project）目前支持公共 GitLab，但预备在将来支持私有 GitLab
classDiagram class ProjectController { +Post() BranchDto } class IProjectService { <<interface>> CreateBranch() Branch } class IGitlabClient { <<interface>> } class Project { Gitlab: GitlabSettings } ProjectController ..> IProjectService ProjectController ..> IProjectRepository IProjectService ..> IGitlabClient Project --* GitlabSettings

需求-迭代1：分支管理

本迭代预计引入分支管理功能

  1. 每个项目（Project，聚合根）都能创建特定类别的分支（Branch，实体），目前支持特性分支（feature）和修复分支（hotfix），分别从 develop 分支和 master 分支签出
  2. GitLab 有自己的管理入口，分支创建时需要检查项目和分支是否存在
  3. 分支创建成功后将提交记录（Commit）写入分支

前期：分析调用时序

%% Example of sequence diagram sequenceDiagram User->>+Service: create branch with name and type Service->>+Database: get branch record Database->>-Service: branch entity or null alt if branch record exist Service->>User: assert fail end Service->>+Gitlab: check project and branch Gitlab->>-Service: response alt if remote project not exist or branch exist Service->>User: assert fail end Service->>+Gitlab: create remote branch Gitlab->>-Service: ok Service->>+Database: insert branch record Database->>-Service: branch entity Service->>-User: branch dto

前期：设计模块与依赖关系

  • IProjectService：领域服务，依赖IGitlabClient完成业务验证与调用
  • IProjectRepository：项目（Project，聚合根）仓储，更新聚合根
  • IBranchRepository：分支（Branch，实体）仓储，检查
  • IGitlabClient：基础设施
classDiagram class ProjectController { +Post() BranchDto } class IProjectService { <<interface>> CreateBranch() Branch } class IGitlabClient { <<interface>> } class IBranchRepository { <<interface>> GetByName() Branch } class Project { Gitlab: GitlabSettings Branches: ICollection<Branch> } ProjectController ..> IProjectService ProjectController ..> IProjectRepository ProjectController ..> IBranchRepository IProjectService ..> IGitlabClient Project --* GitlabSettings Project --o Branch

前期：列举单元测试用例

  • 项目领域服务
    1. 在 GitLab 项目不存在时断言失败：CreateBranch_WhenRemoteProjectNotExist_ShouldFailed()
    2. 在 GitLab 分支已经存在时断言失败：CreateBranch_WhenRemoteBranchPresented_ShouldFailed()
    3. 创建不支持的特性分支时断言失败：CreateBranch_UseTypeNotSupported_ShouldFailed()
    4. 正确创建的分支应包含提交记录（Commit）：CreateBranch_WhenParamValid_ShouldQuoteCommit()
  • 项目应用服务
    1. 在项目（Project）不存在时断言失败：Post_WhenProjectNotExist_ShouldFail()
    2. 在项目（Project）不存在时断言失败：Post_WhenProjectNotExist_ShouldFail()
    3. 参数合法时返回预期的分支签出结果：Post_WhenParamValid_ShouldCreateBranch()

中期：业务逻辑实现

  1. 项目（Project ）作为聚合根添加分支（Branch）作为组成
      public class Project
      {
+         public Project()
+         {
+             Branches = new HashSet<Branch>();
+         }
+ 
          public int Id { get; set; }
          public string Name { get; set; }
          public string Description { get; set; }
          public int OrganizationId { get; set; }
+         public virtual ICollection<Branch> Branches { get; set; }
+ 
          public GitlabSettings Gitlab { get; set; }
+ 
+         public Branch CheckoutBranch(string name, string commit, BranchType type)
+         {
+             var branch = Branch.Create(name, commit, type);
+             Branches.Add(branch);
+             return branch;
+         }
  1. 视图层逻辑并不复杂
[HttpPost]
[Route("{id}/branch")]
public async Task<BranchOutput> Post(int id, [FromBody] BranchCreateInput input)
{
    var branch = _branchRepository.GetByName(id, input.Name);
    // 断言本地分支不存在
    if (branch != null)
    {
        throw new InvalidOperationException("branch already existed");
    }

    var project = _projectRepository.Retrieve(id);
    // 断言项目存在
    if (project == null)
    {
        throw new ArgumentOutOfRangeException(nameof(id));
    }
    // 创建分支
    branch = await _projectService.CreateBranch(project, input.Name, input.Type);
    _projectRepository.Update(project);
    return _mapper.Map<BranchOutput>(branch);
}
  1. 我们总是需要在远程与本地项目、分支之前进行检查，它们由领域服务组织
public async Task<Branch> CreateBranch(Project project, string branchName, BranchType branchType)
{
    var gitProject = await _gitlabClient.Projects.GetAsync(project.Gitlab.Id);
    // 断言远程项目存在
    if (gitProject == null)
    {
        throw new NotImplementedException("project should existed");
    }

    // 断言远程分支不何存在
    var gitBranch = await _gitlabClient.Branches.GetAsync(project.Gitlab.Id, branchName);
    if (gitBranch != null)
    {
        throw new ArgumentOutOfRangeException(nameof(branchName), "remote branch already existed");
    }

    // 获取签出分支
    var reference = GetBranchReferenceForCreate(branchType);
    var request = new CreateBranchRequest(branchName, reference);
    // 创建分支
    gitBranch = await _gitlabClient.Branches.CreateAsync(project.Gitlab.Id, request);

    return project.CheckoutBranch(gitBranch.Name, gitBranch.Commit.Id, branchType);
}

private String GetBranchReferenceForCreate(BranchType branchType)
{
    return branchType switch
    {
            BranchType.Feature => Branch.Develop,
            BranchType.Hotfix => Branch.Master,
            _ => throw new ArgumentOutOfRangeException(nameof(branchType), $"Not supported branchType {branchType}"),
    };
}

中期：单元测试实现

实战小结

  1. 单元测试用例体现了业务规则
  2. 单元测试同架构一样是分层的

需求-迭代2：支持外部 GitLab，支持分支搜索

本迭代预期添加以下内容

  1. 支持使用外部 GitLab 上管理分支
  2. 并支持使用名称搜索组织下的分支列表

前期：设计模块与依赖关系

classDiagram class ProjectController { +Post() BranchDto } class IProjectService { <<interface>> CreateBranch() Branch } class IBranchRepository { <<interface>> GetByName() Branch } class IGitlabClientFactory { <<interface>> GetGitlabClient() IGitlabClient } class IGitlabClient { <<interface>> } class Project { Gitlab: GitlabSettings Branches: ICollection<Branch> } ProjectController ..> IProjectService ProjectController ..> IProjectRepository ProjectController ..> IBranchRepository IProjectService ..> IGitlabClientFactory IGitlabClientFactory --> IGitlabClient Project --* GitlabSettings Project --o Branch

前期：列举单元测试用例

  • 项目领域服务
    1. 使用外部 GitLab 仓库能签出分支：CreateBranch_UserExternalRepository_ShouldQuoteCommit()
  • 分支仓储
    1. 从配置了外部仓库的项目获取分支应返回符合预期的结果 GetAllByOrganization_ViaName_ReturnMatched

中期：业务逻辑实现

  1. 使用新的工厂接口 IGitlabClientFactory 替换 IGitlabClient
class GitlabClientFactory : IGitlabClientFactory
{
    private readonly IOptions<GitlabOptions> _gitlabOptions;

    public GitlabClientFactory(IOptions<GitlabOptions> gitlabOptions)
    {
        _gitlabOptions = gitlabOptions;
    }

    // 从全局设置创建客户端
    public IGitLabClient GetGitlabClient()
    {
        return GetGitlabClient(_gitlabOptions.Value);
    }

    // 从项目设置创建客户端
    public IGitLabClient GetGitlabClient(GitlabOptions gitlabOptions)
    {
        return new GitLabClient(gitlabOptions.HostUrl, gitlabOptions.AuthenticationToken);
    }
}

更多内容见于项目提交记录 8a106d44eb5f72f7bccc536354a8b7071aad9fca

  1. 使用组织 Id 查询分支列表
    public IList<Branch> GetAllByOrganization(int organizationId, string search)
    {
        var projects = EfUnitOfWork.DbSet<Project>();
        var branchs = EfUnitOfWork.DbSet<Branch>();
        var query = from b in branchs
                    join p in projects
                        on b.ProjectId equals p.Id
                    where p.OrganizationId == organizationId && (b.Type == BranchType.Feature || b.Type == BranchType.Hotfix)
                    select b;

        if (string.IsNullOrWhiteSpace(search) == false)
        {
            query.Where(x => x.Name.Contains(search));
        }

        return query.ToArray();
    }

中期：单元测试实现

注意：仓储仍然是可测且应该进行测试的，mock 数据库查询的主要工作是 mock IQuerable<T>，但是 mock 数据库读写并不容易。好在 efcore 提供了 UseInMemoryDatabase() 模式，无须我们再提供 FackRepository 一类实现。

[Fact]
public void GetAllByOrganization_ViaName_ReturnMatched()
{
    var options = new DbContextOptionsBuilder<DevCloudContext>()
        .UseInMemoryDatabase("DevCloudContext")
        .Options;
    using var devCloudContext = new DevCloudContext(options);
    devCloudContext.Set<Project>().AddRange(new[] {
        new Project
        {
            Id = 11,
            Name = "成本系统",
            OrganizationId = 1
        },
        new Project
        {
            Id = 12,
            Name = "成本系统合同执行应用",
            OrganizationId = 1
        },
        new Project
        {
            Id = 13,
            Name = "售楼系统",
            OrganizationId = 2
        },
    });

    devCloudContext.Set<Branch>().AddRange(new[] {
        new Branch
        {
            Id = 101,
            Name = "3.0.20.4_core分支",
            ProjectId = 11,
            Type = BranchType.Feature
        },
        new Branch
        {
            Id = 102,
            Name = "3.0.20.1_core发版修复分支15",
            ProjectId = 12,
            Type = BranchType.Hotfix
        },
        new Branch
        {
            Id = 103,
            Name = "730Core自动化验证",
            ProjectId = 13,
            Type = BranchType.Feature
        }
    });
    devCloudContext.SaveChanges();

    var unitOfWork = new EntityFrameworkUnitOfWork(devCloudContext);
    var branchRepo = new BranchRepository(unitOfWork);

    var branches = branchRepo.GetAllByOrganization(1, "core");
    Assert.Equal(2, branches.Count);
    Assert.Equal(101, branches[0].Id);
    Assert.Equal(102, branches[1].Id);
}

ANTI-PATTERN：依赖具体实现

支持外部 GitLab 仓库需要动态生成 IGitlabClient 实例，故在业务逻辑中根据项目（Project）设置实例化 GitlabClinet 是很“自然”的事情，但代码不再具有可测试性。

classDiagram class ProjectController { +Post() BranchDto } class IProjectService { <<interface>> CreateBranch() Branch } class ProjectService { _gitlabOptions IOptions<GitlabOptions> CreateBranch() Branch } class IBranchRepository { <<interface>> GetByName() Branch } class Project { Gitlab: GitlabSettings Branches: ICollection<Branch> } ProjectController ..> IProjectService ProjectController ..> IProjectRepository ProjectController ..> IBranchRepository ProjectService --> GitlabClient Project --* GitlabSettings Project --o Branch

对应的逻辑实现在分支 support-external-gitlab-anti-pattern上，提交记录为 3afc62a21ccf207c35d6cb61a2a2bf2e5fe5ca3c

//BAD
-        private readonly IGitLabClient _gitlabClient;
+        private readonly IOptions<GitlabOptions> _gitlabOptions;

-        public ProjectService(IGitLabClient gitlabClient)
+        public ProjectService(IOptions<GitlabOptions> gitlabOptions)
         {
-            _gitlabClient = gitlabClient;
+            _gitlabOptions = gitlabOptions;
         }
         
         public async Task<Branch> CreateBranch(Project project, string branchName, BranchType branchType)
         {
-            var gitProject = await _gitlabClient.Projects.GetAsync(project.Gitlab.Id);
+            var gitlabClient = GetGitliabClient(project.Gitlab);
+            var gitProject = await gitlabClient.Projects.GetAsync(project.Gitlab.Id);

+        private IGitLabClient GetGitliabClient(GitlabSettings repository)
+        {
+            if (repository?.HostUrl == null)
+            {
+                return GetGitlabClient(_gitlabOptions.Value);
+            }
+
+            // 如果携带了 gitlab 设置, 则作为外部仓库
+            var gitlabOptions = new GitlabOptions()
+            {
+                HostUrl = repository.HostUrl,
+                AuthenticationToken = repository.AuthenticationToken
+            };
+            return GetGitlabClient(gitlabOptions);
+        }
+
+        private IGitLabClient GetGitlabClient(GitlabOptions gitlabOptions)
+        {
+            return new GitLabClient(gitlabOptions.HostUrl, gitlabOptions.AuthenticationToken);
+        }
+    }

对于以上实现，调用 ProjectService 会真实地调用 GitlabClient，注意这引入了依赖具体实现的反模式，代码失去了可测试性。

    [Fact(Skip = "not implemented")]
    public async Task CreateBranch_UserExternalRepository_ShouldQuoteCommit()
    {
        var project = new Project
        {
            Gitlab = new GitlabSettings
            {
                Id = 1024,
                HostUrl = "https://gitee.com",
                AuthenticationToken = "token"
            }
        };

        // HOW? 
    }

提问：如果需要取消 develop 分支的特殊性，允许用户自行管理，在方法 GetBranchReferenceForCreate() 上注释掉分支判断是否完成了需求？

         private String GetBranchReferenceForCreate(BranchType branchType)
         {
             return branchType switch
             {
                 BranchType.Feature => Branch.Develop,
-                // BranchType.Feature => Branch.Develop,
                 BranchType.Hotfix => Branch.Master,
                 _ => throw new ArgumentOutOfRangeException(nameof(branchType), $"Not supported branchType {branchType}"),
             };

可以想象大片的测试用例会挂掉，因为该方法被广泛使用并断言。由于单元测试不再成功，单元测试对业务逻辑的保护也随之消失。如果不修复单元测试，我们就无法保证逻辑的正确性。

实战小结

  1. 良好的设计具有很好的可测试性，可测试性要求反过来会影响架构设计与领域实现
  2. 仓储逻辑也能够进行有效的测试
  3. 单元测试减少了回归工作量，提升了交付质量

后话与总结

以迭代紧张为理由在提交业务代码时候忽略单元测试的编写，是项目管理及开发人员对单元测试认识有限的体现。前文描述了定义和必要性，本文则直接进行了实践，展示了单元测试如何影响我们的逻辑实现甚至是架构设计。

  1. 交付质量应在开发阶段就开始由单元测试保障，开发人员应认识和理解单元测试，掌握相关知识工具和技能。
  2. 测试先行体现了业务规则，要求逻辑自洽
  3. 可测试性要求会倒推架构合理性，避免反模式

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