前言
在本文开始之前，先说一下笔者对于单元测试（或集成测试、e2e 测试）的感受。
在国外，软件工程师们对于软件质量十分重视，大部分也都崇尚于使用 TDD 方式开发，保证代码质量。而国内往往不是十分重视自动化测试这方面。
究其根本来说，国内确实存在不少原因导致自动化测试不流行。这里就不赘述了。
但是其实在中大型软件开发中，自动化测试其实十分重要。笔者认为，在现代软件开发中，完善的自动化测试和 Lint 工具、良好代码设计，基本可以保证软件长期保持稳定的生命力。
因此，笔者相信，即使不是现在，在未来，自动化测试也是工程师必备的一项技能（快乐下班的技能哈哈哈）。
关于单元测试
先看维基百科：在计算机编程中，单元测试（英语：Unit Testing）又称为模块测试，是针对程序模块（软件设计的最小单位）来进行正确性检验的测试工作。程序单元是应用的最小可测试部件。在过程化编程中，一个单元就是单个程序、函数、过程等；对于面向对象编程，最小单元就是方法，包括基类（超类）、抽象类、或者派生类（子类）中的方法。
在前端背景下，这个也可以很简单理解为测试工具函数。通常来说，单元测试，关于验证我们应用中每一个函数是否调用正确。如何判断调用正确呢？考虑一般如下：
函数调用次数合理；
函数入参符合预期；
函数出参，也即是返回值符合预期。
当然函数本身可能又会调用其他函数，或者也可以说函数会依赖其他模块、第三方库，同时函数也可能是同步或异步。所以当被测试的函数是纯函数时，就是测试函数本身的出入参是否符合预期就行了，否则，我们需要做许多 mock 的工作，借此来排除不是我们目标的测试代码。
当然我们日常工作中，如果要写单元测试的话，一般都会使用业界成熟的测试库，比如 jest、mocha、chai、ava、tape、QUnit 等等。其实大部分测试框架背后的原理基本类似。所以，让我们通过实现一个最简单的单元测试框架，来学习单元测试原理吧！
测试容器和断言库
测试框架基本可以拆分出两个部分：
测试容器（Test Runner）
断言库（Assertion Library）
简介
测试容器最基本的作用是，自动运行所有测试，对测试结果进行数据汇总等。我们常见的使用方式一般如下，编写测试单元：
// ./math.test.js const { sumAsync, subtractAsync } = require('./math'); test('sumAsync adds numbers asynchronously', async () => { const result = await sumAsync(3, 7); const expected = 10; expect(result).toBe(expected); }); test('subtractAsync subtracts numbers asynchronously', async () => { const result = await subtractAsync(7, 3); const expected = 4; expect(result).toBe(expected); }); |
假设我们有 math 工具函数如下：
// ./math.js const sum = (a, b) => a + b; const subtract = (a, b) => a - b; const sumAsync = (...args) => Promise.resolve(sum(...args)); const subtractAsync = (...args) => Promise.resolve(subtract(...args)); module.exports = { sum, subtract, sumAsync, subtractAsync }; |
我们用 jest 运行测试，在终端反馈汇总后的测试结果：
$ jest PASS ./math.test.js ✓ sumAsync adds numbers asynchronously (4ms) ✓ subtractAsync subtracts numbers asynchronously (1ms) Test Suites: 1 passed, 1 total Tests: 2 passed, 2 total Snapshots: 0 total Time: 1.145s Ran all test suites. |
断言库一般形式如下：
expect(result).toBe(expected); expect(func).toHaveBeenCalled(); expect(func).toHaveBeenCalledTimes(1); expect(func).toHaveBeenCalledWith(arg1, arg2 /* ...args */); // ... |
断言库是不是看起来很语义化~
测试容器实现示例
测试容器其实并不复杂，最简单的实现不过如下：
// ./test.js async function test(title, callback) { try { await callback(); console.log(`✓ ${title}`); } catch (error) { console.error(`✕ ${title}`); console.error(error); } } |
需要留意的是，这里加上了 async/await 是为了等待测试用例中的异步逻辑。
断言库实现示例
断言库也没有黑魔法，我们写一个最简单的 expect(x).toBe(y) 的语法如下：
// ./expect.js function expect(actual) { return { toBe(expected) { if (actual !== expected) { throw new Error(`${actual} is not equal to ${expected}`); } }, }; } |
远比想象中简单，对不对~
这里有个比较关键的地方是，断言函数里如果断言失败时，我们的选择是抛出一个错误，然后在测试容器中会 try/catch 捕获，同时打印错误堆栈。（在简单情况下，我们也可以使用 Node.js 自带的 assert 库进行断言）。
除此之外，还有很多更复杂的断言语法，不过基本形式也就是这样。当然如何巧妙设计测试函数调用次数（toHaveBeenCalledTimes）、出入参（toHaveBeenCalledWith）的断言函数，后文会提到。
自动注入
有些同学可能留意到了，在测试框架中，我们并不需要手动引入 test、expect 这些函数，每个测试文件可以直接使用。这个其实也很简单。参考代码如下：
// ./test-framework.js // 注入给全局对象，使得每个文件可以访问 global.test = require('./test'); global.expect = require('./expect'); // 从命令行加载所有测试用例： process.argv.slice(2).forEach(file => { // 测试文件中 require(file); }); |
然后在终端运行：
$ node test-framework.js ./math.test.js ✓ sumAsync adds numbers asynchronously ✓ subtractAsync subtracts numbers asynchronously |
对不对！
就是这么简单！
接下来我们只需要把这件事情做得更优雅，比如：
把它封装成 TestRunner 对象
把命令放在 ./bin 中
扩展更多的断言语法
使用 glob 匹配所有测试文件
支持配置（参考 jest.config.js）
测试汇总统计
支持优雅的错误堆栈
甚至于你可以扩展进行支持 DOM 测试，因为 DOM 测试的核心逻辑也是使用 JSDOM 根据 W3C 标准在内存中模拟相似的 DOM 结构，从而支持断言测试的。
函数测试
上文中我们基本搭建了一个最简单的测试框架，文件结构如下：
. ├── expect.js ├── math.js ├── math.test.js ├── test-framework.js └── test.js |
说起来，在某些场景下，其实我们需要能够保证函数只被执行一次，以及被调用时候的入参是准确的。
因为函数调用多次可能会引发内存泄露，入参错误则可能会导致应用不可预期的行为。所以我们需要从断言库中更细粒度的去测试保障。
那么断言库是怎么做到的呢？
接下来我们将扩展一下断言库，使其支持更丰富的函数测试。
入参与调用次数监控的实现原理
假设我们扩展支持这两种断言语法：
expect(sum).toHaveBeenCalledTimes(1); expect(sum).toHaveBeenCalledWith(3, 7); |
大家可以思考一下如何设计实现呢？
我们在测试框架中，集成下面这个函数：
// ./test-framework.js global.jest = { fn: (impl = () => {}) => { const mockFn = (...args) => { mockFn.mock.calls.push(args); return impl(...args); }; mockFn.originImpl = impl; mockFn.mock = { calls: [] }; return mockFn; }, }; |
其中的 fn 函数是一个高阶函数，包裹传入的待测试函数 impl。挂载 mock 对象，在返回的 mockFn 中调用时，用以统计调用数据。
当然对于编写测试用例的调用方来说是无需感知的，只需要使用 jest.fn 进行包裹即可：
const sumMockFn = jest.fn(sum); |
接下来只需要对返回的 sumMockFn 进行测试即可，本质上对 sumMockFn 的操作，都会透传到 sum 中。
扩展断言函数
所以我们还差什么？... 嗯对了。还有断言函数：
// ./expect const { isEqual } = require('lodash'); module.exports = function expect(actual) { return { toBe(expected) { // ... }, toEqual(expected) { if (!isEqual(actual, expected)) { throw new Error(`${actual} is not equal to ${expected}`); } }, toHaveBeenCalledTimes(expected) { let actualCallTimes = 0; try { actualCallTimes = actual.mock.calls.length; expect(actualCallTimes).toEqual(expected); } catch (err) { throw new Error( `expect function: ${actual.originImpl.toString()} to call ${expected} times, but actually call ${actualCallTimes} times` ); } }, toHaveBeenCalledWith(...expectedArgs) { let actualCallArgs = []; try { actualCallArgs = actual.mock.calls; actualCallArgs.forEach(callArgs => { expect(callArgs).toEqual(expectedArgs); }); } catch (err) { throw new Error( `expect function: ${actual.originImpl.toString()} to be called with ${expectedArgs}, but actually it was called with ${actualCallArgs}` ); } }, }; }; |
别看代码有点长，其实细看很简单对不对。关键点就是对 jest.fn 包裹过后的函数挂载的对象 mock 长度、内容进行断言。这里需要留意的是。我们捕获了 expect(x).toEqual(y) 抛出的错误，抛出了一个对用户更友好的错误。
终于，我们编写测试用例如下：
test('sum should have been called once', () => { const sumMockFn = jest.fn(sum); sumMockFn(3, 7); expect(sumMockFn).toHaveBeenCalledTimes(1); }); test('sum should have been called with `3` `7`', () => { const sumMockFn = jest.fn(sum); sumMockFn(3, 7); expect(sum).toHaveBeenCalledWith(3, 7); }); |
成功运行！
$ node test-framework.js ./math.test.js ✓ sum should have been called once ✓ sum should have been called with `3` `7` |
模块
经过我们的努力。我们已经做了一个像模像样的测试框架了。但是请等等！现实真的有这么简单么？
突然需要测试一个新的函数，这个函数好像有点不一样...
// ./user.js const { v4: uuidv4 } = require('uuid'); module.exports = { createUser({ name, age }) { return { id: uuidv4(), name, age, }; }, }; |
我们想要测试这个函数返回带有一个 id 的用户对象，同时也调用了 uuidv4。但是发现这个函数没办法编写测试，因为每次生成的 id 不一样，所以它每次返回对象都不一样。没办法简单的使用 expect(x).toEqual(y)。
但是我们不可能去测试 uuid 库。因为测试它们是毫无意义的，也是不现实的。
那怎么办呢？我们还是有办法的。扩展测试框架如下：
// ./test-framework.js global.jest = { fn: (impl = () => {}) => { // ... }, mock: (mockPath, mockExports = {}) => { const path = require.resolve(mockPath); require.cache[path] = { id: path, filename: path, loaded: true, exports: mockExports, }; }, }; // ... |
我们发现上面的 mock 函数使用 require.resolve 获取了模块加载路径，然后在 require.cache 准备好构造后的缓存导出对象。
编写测试如下：
// ./user.test.js jest.mock('uuid', { v4: () => 'FAKE_ID', }); const { createUser } = require('./user'); test('create an user with id', () => { const userData = { name: 'Christina', age: 25, }; const expectUser = { ...userData, id: 'FAKE_ID', }; expect(createUser(userData)).toEqual(expectUser); }); |
因为 require.cache 的关系，我们需要把 jest.mock 提到文件最前面调用。（jest 里同样的操作不需要提前，那是因为测试框架在运行测试用例时自动提前此类操作了）然后模拟导出的 v4 对象返回一个 FAKE_ID。
运行测试如下：
$ node test-framework.js ./user.test.js ✓ create an user with id |
完美解决~
真实世界里的应用函数往往不会是干净可爱的纯函数，依赖大量第三方流行库进行开发是我们的日常，也是开源世界里一件幸福的事情。
如何排除第三方依赖库进行测试，基本原理也是如上。
让它更优雅
每次都要调用 node test-framework.js ./user.test.js 来运行测试，看上去不是很好。我们让这个测试框架变得更优雅吧！
嗯，我们给这个测试框架起个名字，就叫 mjest 吧！
第一步，我们在项目新建 bin 目录，将上文的测试框架的实现丢进 ./bin/mjest.js 中。
$ tree ./bin/ ./bin/ └── mjest.js |
第二步，在 mjest.js 文件顶部加入 Shebang。使用 node 作为默认解释器。
#!/usr/bin/env node // mjest code |
第三步，在 package.json 中加入 bin 声明：
{ "name": "mjest", "version": "1.0.0", "description": "mini jest implementation", "main": "index.js", "bin": { "mjest": "./bin/mjest.js" } } |
第四步，在项目路径终端下运行 npm link。该命令会将项目的 bin 软链接到系统中 bin 中：
$ which mjest /Users/sulirc/.nvm/versions/node/v10.20.1/bin/mjest |
第五步，使用热乎乎刚出炉的 mjest 运行测试用例吧：
$ mjest ./user.test.js ✓ create an user with id |
$ mjest ./math.test.js ✓ sum should have been called once ✓ sum should have been called with `3` `7` ✓ sumAsync adds numbers asynchronously ✓ subtractAsync subtracts numbers asynchronously |
我们也可以用 glob 语法更优雅的匹配文件：
$ mjest *.test.js ✓ sum should have been called once ✓ sum should have been called with `3` `7` ✓ create an user with id ✓ sumAsync adds numbers asynchronously ✓ subtractAsync subtracts numbers asynchronously |
更多
到此为止，相信大家应该对测试框架原理基本有一定了解了。在 jest 中，还有比如 beforeEach、beforeAll 等钩子函数，大家也可以想办法自己实现。断言库里丰富的断言函数，也可以一个一个击破。
不断丰富特性，四舍五入，我们就实现了一个测试框架。
在单元测试的基础上，其实集成测试框架原理也相差不远。因为集成测试其实就是建立在单元测试上的。大家也可以进行思考。
希望本文能够帮助大家加深理解测试框架的原理，感谢阅读~
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