基于spring-boot的应用程序的单元测试方案

概述

本文主要介绍如何对基于spring-boot的web应用编写单元测试、集成测试的代码。

此类应用的架构图一般如下所示：

我们项目的程序，对应到上图中的web应用部分。这部分一般分为Controller层、service层、持久层。除此之外，应用程序中还有一些数据封装类，我们称之为domain。上述各组件的职责如下：

• Controller层/Rest接口层: 负责对外提供Rest服务，接收Rest请求，返回处理结果。
• service层: 业务逻辑层，根据Controller层的需要，实现具体的逻辑。
• 持久层: 访问数据库，进行数据的读写。向上支撑service层的数据库访问需求。

在Spring环境中，我们通常会把这三层注册到Spring容器，上图中使用浅蓝色背景就是为了表示这一点。

在本文的后续内容，我们将介绍如何对应用进行集成测试，包括启动web容器的请求测试、不启动web容器而使用模拟环境的测试；介绍如何对应用进行单元测试，包括单独测试Controller层、service层、持久层。

集成测试和单元测试的区别是，集成测试通常只需要测试最上面一层，因为上层会自动调用下层，所以会测试完整的流程链，流程链中每一个环节都是真实、具体的。单元测试是单独测试流程链中的某一环，这一个环所直接依赖的下游环节使用模拟的方式来提供支撑，这一技术称为Mock。在介绍单元测试的时候，我们会介绍如何mock依赖对象，并简单对mock的原理进行介绍。

本文所关注的另一个主题，是在持久层测试时，如何消除修改数据库的副作用。

集成测试

集成测试是在所有组件都已经开发完成之后，进行组装测试。有两种测试方式：启动web容器进行测试，使用模拟环境测试。这两种测试的效果没有什么差别，只是使用模拟环境测试的话，可以不用启动web容器，从而会少一些开销。另外，两者的测试API会有所不同。

启动web容器进行测试

我们通过测试最上层的Controller来实施集成测试，我们的测试目标如下：

@RestController
public class CityController {

    @Autowired
    private CityService cityService;

    @GetMapping("/cities")
    public ResponseEntity<?> getAllCities() {
        List<City> cities = cityService.getAllCities();
        return ResponseEntity.ok(cities);
    }
}

这是一个Controller，它对外提供一个服务/cities，返回一个包含所有城市的列表。这个Controller通过调用下一层的CityService来完成自己的职责。

针对这个Controller的集成测试方案如下：

@RunWith(SpringRunner.class)
@SpringBootTest(webEnvironment = SpringBootTest.WebEnvironment.RANDOM_PORT)
public class CityControllerWithRunningServer {

    @Autowired
    private TestRestTemplate restTemplate;

    @Test
    public void getAllCitiesTest() {
        String response = restTemplate.getForObject("/cities", String.class);
        Assertions.assertThat(response).contains("San Francisco");
    }
}

首先我们使用@RunWith(SpringRunner.class)声明在Spring的环境中进行单元测试，这样Spring的相关注解才会被识别并起效。然后我们使用@SpringBootTest，它会扫描应用程序的spring配置，并构建完整的Spring Context。我们为其参数webEnvironment赋值为SpringBootTest.WebEnvironment.RANDOM_PORT，这样就会启动web容器，并监听一个随机的端口，同时，为我们自动装配一个TestRestTemplate类型的bean来辅助我们发送请求。

使用模拟环境测试

测试的目标不变，测试的方案如下：

@RunWith(SpringRunner.class)
@SpringBootTest
@AutoConfigureMockMvc
public class CityControllerWithMockEnvironment {

    @Autowired
    private MockMvc mockMvc;

    @Test
    public void getAllCities() throws Exception {
        mockMvc.perform(MockMvcRequestBuilders.get("/cities"))
                .andDo(MockMvcResultHandlers.print())
                .andExpect(MockMvcResultMatchers.status().isOk())
                .andExpect(MockMvcResultMatchers.content().string(Matchers.containsString("San Francisco")));
    }
}

我们依然使用@SpringBootTest，但是没有设置其webEnvironment属性，这样依然会构建完整的Spring Context，但是不会再启动web容器。为了进行测试，我们需要使用MockMvc实例发送请求，而我们使用@AutoConfigureMockMvc则是因为这样可以获得自动配置的MockMvc实例。

具体测试的代码中出现很多新的API，对于API细节的研究不在本文计划范围内。

单元测试

上文中描述的两种集成测试的方案，相同的一点是都会构建整个Spring Context。这表示所有声明的bean，而不管声明的方式为何，都会被构建实例，并且都能被依赖。这里隐含的意思是从上到下整条依赖链上的代码都已实现。

Mock技术

在开发的过程中进行测试，无法满足上述的条件，Mock技术可以让我们屏蔽掉下层的依赖，从而专注于当前的测试目标。Mock技术的思想是，当测试目标的下层依赖的行为是可预期的，那么测试目标本身的行为也是可预期的，测试就是把实际的结果和测试目标的预期结果做比较，而Mock就是预先设定下层依赖的行为表现。

Mock的流程

1. 将测试目标的依赖对象进行mock，设定其预期的行为表现。
2. 对测试目标进行测试。
3. 检测测试结果，检查在依赖对象的预期行为下，测试目标的结果是否符合预期。

Mock的使用场景

1. 多人协作时，可以通过mock进行无等待的测试先行。
2. 当测试目标的依赖对象需要访问外部的服务，而外部服务不易获得时，可以通过mock来模拟服务可用。
3. 当在排查不容易复现的问题场景时，通过mock来模拟问题。

测试web层

测试的目标不变，测试的方案如下：

/**
 * 不构建整个Spring Context，只构建指定的Controller进行测试。需要对相关的依赖进行mock.<br>
 * Created by lijinlong9 on 2018/8/22.
 */
@RunWith(SpringRunner.class)
@WebMvcTest(CityController.class)
public class CityControllerWebLayer {

    @Autowired
    private MockMvc mvc;

    @MockBean
    private CityService service;

    @Test
    public void getAllCities() throws Exception {

        City city = new City();
        city.setId(1L);
        city.setName("杭州");
        city.setState("浙江");
        city.setCountry("中国");

        Mockito.when(service.getAllCities()).thenReturn(Collections.singletonList(city));

        mvc.perform(MockMvcRequestBuilders.get("/cities"))
                .andDo(MockMvcResultHandlers.print())
                .andExpect(MockMvcResultMatchers.content().string(Matchers.containsString("杭州")));
    }
}

这里不再使用@SpringBootTest，而代之以@WebMvcTest，这样只会构建web层或者指定的一到多个Controller的bean。@WebMvcTest同样可以为我们自动配置MockMvc类型的bean，我们可以使用它来模拟发送请求。

@MockBean是一个新接触的注解，它表示对应的bean是一个模拟的bean。因为我们要测试CityController，对其依赖的CityService，我们需要mock其预期的行为表现。在具体的测试方法中，使用Mockito的API对sercive的行为进行mock，它表示当调用service的getAllCities时，会返回预先设定的一个City对象的列表。

之后就是发起请求，并预测结果。

Mockito是Java语言的mock测试框架，spring以自己的方式集成了它。

测试持久层

持久层的测试方案跟具体的持久层技术相关。这里我们介绍基于Mybatis的持久层的测试。

测试目标是：

@Mapper
public interface CityMapper {

    City selectCityById(int id);

    List<City> selectAllCities();

    int insert(City city);

}

测试方案是：

@RunWith(SpringRunner.class)
@MybatisTest
@FixMethodOrder(value = MethodSorters.NAME_ASCENDING)
// @Transactional(propagation = Propagation.NOT_SUPPORTED)
public class CityMapperTest {

    @Autowired
    private CityMapper cityMapper;

    @Test
    public void /*selectCityById*/ test1() throws Exception {
        City city = cityMapper.selectCityById(1);
        Assertions.assertThat(city.getId()).isEqualTo(Long.valueOf(1));
        Assertions.assertThat(city.getName()).isEqualTo("San Francisco");
        Assertions.assertThat(city.getState()).isEqualTo("CA");
        Assertions.assertThat(city.getCountry()).isEqualTo("US");
    }

    @Test
    public void /*insertCity*/ test2() throws Exception {
        City city = new City();
        city.setId(2L);
        city.setName("HangZhou");
        city.setState("ZheJiang");
        city.setCountry("CN");

        int result = cityMapper.insert(city);
        Assertions.assertThat(result).isEqualTo(1);
    }

    @Test
    public void /*selectNewInsertedCity*/ test3() throws Exception {
        City city = cityMapper.selectCityById(2);
        Assertions.assertThat(city).isNull();
    }
}

这里使用了@MybatisTest，它负责构建mybatis-mapper层的bean，就像上文中使用的@WebMvcTest负责构建web层的bean一样。值得一提的是@MybatisTest来自于mybatis-spring-boot-starter-test项目，它是mybatis团队根据spring的习惯来实现的。Spring原生支持的两种持久层的测试方案是@DataJpaTest和@JdbcTest，分别对应JPA持久化方案和JDBC持久化方案。

@FixMethodOrder来自junit，目的是为了让一个测试类中的多个测试方案按照设定的顺序执行。一般情况下不需要如此，我这里想确认test2方法中插入的数据，在test3中是否还存在，所以需要保证两者的执行顺序。

我们注入了CityMapper，因为其没有更底层的依赖，所以我们不需要进行mock。

@MybatisTest除了实例化mapper相关的bean之外，还会检测依赖中的内嵌数据库，然后测试的时候使用内嵌数据库。如果依赖中没有内嵌数据库，就会失败。当然，使用内嵌数据库是默认的行为，可以使用配置进行修改。

@MybatisTest还会确保每一个测试方法都是事务回滚的，所以在上述的测试用例中，test2插入了数据之后，test3中依然获取不到插入的数据。当然，这也是默认的行为，可以改变。

测试任意的bean

service层并不作为一种特殊的层，所以没有什么注解能表示“只构建service层的bean”这种概念。

这里将介绍另一种通用的测试场景，我要测试的是一个普通的bean，没有什么特殊的角色，比如不是担当特殊处理的controller，也不是负责持久化的dao组件，我们要测试的只是一个普通的bean。

上文中我们使用@SpringBootTest的默认机制，它去查找@SpringBootApplication的配置，据此构建Spring的上下文。查看@SpringBootTest的doc，其中有一句是：

Automatically searches for a @SpringBootConfiguration when nested @Configuration is not used, and no explicit classes are specified.

这表示我们可以通过classes属性来指定Configuration类，或者定义内嵌的Configuration类来改变默认的配置。

在这里我们通过内嵌的Configuration类来实现，先看下测试目标 - CityService:

@Service
public class CityService {

    @Autowired
    private CityMapper cityMapper;

    public List<City> getAllCities() {
        return cityMapper.selectAllCities();
    }
}

测试方案：

@RunWith(SpringRunner.class)
@SpringBootTest
public class CityServiceTest {

    @Configuration
    static class CityServiceConfig {
        @Bean
        public CityService cityService() {
            return new CityService();
        }
    }

    @Autowired
    private CityService cityService;

    @MockBean
    private CityMapper cityMapper;

    @Test
    public void getAllCities() {
        City city = new City();
        city.setId(1L);
        city.setName("杭州");
        city.setState("浙江");
        city.setCountry("CN");

        Mockito.when(cityMapper.selectAllCities())
                .thenReturn(Collections.singletonList(city));

        List<City> result = cityService.getAllCities();
        Assertions.assertThat(result.size()).isEqualTo(1);
        Assertions.assertThat(result.get(0).getName()).isEqualTo("杭州");
    }
}

同样的，对于测试目标的依赖，我们需要进行mock。

Mock操作

单元测试中，需要对测试目标的依赖进行mock，这里有必要对mock的细节介绍下。上文单元测试部分已对Mock的逻辑、流程和使用场景进行了介绍，此处专注于实践层面进行说明。

根据方法参数设定预期行为

一般的mock是对方法级别的mock，在方法有入参的情况下，方法的行为可能会跟方法的具体参数值有关。比如一个除法的方法，传入参数4、2得结果2，传入参数8、2得结果4，传入参数2、0得异常。

mock可以针对不同的参数值设定不同的预期，如下所示：

@RunWith(SpringRunner.class)
@SpringBootTest
public class MathServiceTest {

    @Configuration
    static class ConfigTest {}

    @MockBean
    private MathService mathService;

    @Test
    public void testDivide() {
        Mockito.when(mathService.divide(4, 2))
                .thenReturn(2);

        Mockito.when(mathService.divide(8, 2))
                .thenReturn(4);

        Mockito.when(mathService.divide(ArgumentMatchers.anyInt(), ArgumentMatchers.eq(0))) // 必须同时用matchers语法
                .thenThrow(new RuntimeException("error"));

        Assertions.assertThat(mathService.divide(4, 2))
                .isEqualTo(2);

        Assertions.assertThat(mathService.divide(8, 2))
                .isEqualTo(4);

        Assertions.assertThatExceptionOfType(RuntimeException.class)
                .isThrownBy(() -> {
                    mathService.divide(3, 0);
                })
                .withMessageContaining("error");
    }
}

上面的测试可能有些奇怪，mock的对象也同时作为测试的目标。这是因为我们的目的在于介绍mock，所以简化了测试流程。

从上述测试用例可以看出，我们除了可以指定具体参数时的行为，也可以指定参数满足一定匹配规则时的行为。

有返回的方法

对于有返回的方法，mock时可以设定的行为有：

返回设定的结果，如：

when(taskService.findResourcePool(any()))
        .thenReturn(resourcePool);

直接抛出异常，如：

when(taskService.createTask(any(), any(), any()))
        .thenThrow(new RuntimeException("zz"));

实际调用真实的方法，如：

when(taskService.createTask(any(), any(), any()))
        .thenCallRealMethod();

注意，调用真实的方法有违mock的本义，应该尽量避免。如果要调用的方法中调用了其他的依赖，需要自行注入其他的依赖，否则会空指针。

无返回的方法

对于无返回的方法，mock时可以设定的行为有：

直接抛出异常，如：

doThrow(new RuntimeException("test"))
        .when(taskService).saveToDBAndSubmitToQueue(any());

实际调用（下列为Mockito类的doc中给出的示例，我并没有遇到此需求），如：

doAnswer(new Answer() {
    public Object answer(InvocationOnMock invocation) {
        Object[] args = invocation.getArguments();
        Mock mock = invocation.getMock();
        return null;
    }})
.when(mock).someMethod();

附录

相关注解的汇总

• @RunWith:
  junit的注解，通过这个注解使用SpringRunner.class，能够将junit和spring进行集成。后续的spring相关注解才会起效。
• @SpringBootTest:
  spring的注解，通过扫描应用程序中的配置来构建测试用的Spring上下文。
• @AutoConfigureMockMvc:
  spring的注解，能够自动配置MockMvc对象实例，用来在模拟测试环境中发送http请求。
• @WebMvcTest:
  spring的注解，切片测试的一种。使之替换@SpringBootTest能将构建bean的范围限定于web层，但是web层的下层依赖bean，需要通过mock来模拟。也可以通过参数指定只实例化web层的某一个到多个controller。具体可参考Auto-configured Spring MVC Tests。
• @RestClientTest:
  spring的注解，切片测试的一种。如果应用程序作为客户端访问其他Rest服务，可以通过这个注解来测试客户端的功能。具体参考Auto-configured REST Clients。
• @MybatisTest:
  mybatis按照spring的习惯开发的注解，切片测试的一种。使之替换@SpringBootTest，能够将构建bean的返回限定于mybatis-mapper层。具体可参考mybatis-spring-boot-test-autoconfigure。
• @JdbcTest:
  spring的注解，切片测试的一种。如果应用程序中使用Jdbc作为持久层（spring的JdbcTemplate），那么可以使用该注解代替@SpringBootTest，限定bean的构建范围。官方参考资料有限，可自行网上查找资料。
• @DataJpaTest:
  spring的注解，切片测试的一种。如果使用Jpa作为持久层技术，可以使用这个注解，参考Auto-configured Data JPA Tests。
• @DataRedisTest:
  spring的注解，切片测试的一种。具体内容参考Auto-configured Data Redis Tests。

设置测试数据库

给持久层测试类添加注解@AutoConfigureTestDatabase(replace = Replace.NONE)可以使用配置的数据库作为测试数据库。同时，需要在配置文件中配置数据源，如下：

spring:
  datasource:
      url: jdbc:mysql://127.0.0.1/test
      username: root
      password: root
      driver-class-name: com.mysql.jdbc.Driver

事务不回滚

可以在测试方法上添加@Rollback(false)来设置不回滚，也可以在测试类的级别上添加该注解，表示该类所有的测试方法都不会回滚。

参考

1. Spring Boot Testing
2. Spring Boot Test博客
3. Mybatis Spring Boot Test官方资料