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= C++单元测试 =

'''单元测试'''是软件开发中的一种测试方法，用于验证代码的最小可测试单元（通常是函数或类方法）是否按预期工作。在C++中，单元测试可以帮助开发者快速发现和修复错误，提高代码质量，并确保代码在后续修改中不会引入回归问题。

== 什么是单元测试？ ==
单元测试是一种自动化测试技术，专注于测试代码的独立部分（即“单元”）。在C++中，一个单元可以是一个函数、一个类方法或一个模块。单元测试的主要目标是：
* 验证代码的正确性
* 提高代码的可维护性
* 促进重构时的安全性
* 作为代码行为的文档

== 为什么需要单元测试？ ==
单元测试在C++开发中至关重要，原因包括：
* '''早期错误检测'''：在开发过程中尽早发现逻辑错误。
* '''回归测试'''：确保修改不会破坏现有功能。
* '''文档作用'''：测试用例可作为代码行为的示例。
* '''设计改进'''：编写可测试的代码通常会带来更好的设计。

== C++单元测试框架 ==
C++有多种流行的单元测试框架，以下是几个常用选项：

{| class="wikitable"
|-
! 框架名称
! 特点
|-
| Google Test
| 功能丰富，支持参数化测试和死亡测试
|-
| Catch2
| 简单易用，仅需单头文件
|-
| Boost.Test
| 功能强大，与Boost库集成
|-
| CppUnit
| 基于xUnit架构
|}

== 使用Google Test进行单元测试 ==
Google Test（gtest）是C++中最流行的单元测试框架之一。以下是一个基本示例：

<syntaxhighlight lang="cpp">
#include <gtest/gtest.h>

// 被测函数
int Add(int a, int b) {
    return a + b;
}

// 测试用例
TEST(AdditionTest, PositiveNumbers) {
    EXPECT_EQ(Add(2, 3), 5);
    EXPECT_EQ(Add(10, 20), 30);
}

TEST(AdditionTest, NegativeNumbers) {
    EXPECT_EQ(Add(-2, -3), -5);
    EXPECT_EQ(Add(-10, 20), 10);
}

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

'''输出示例'''：
<pre>
[==========] Running 2 tests from 1 test suite.
[----------] Global test environment set-up.
[----------] 2 tests from AdditionTest
[ RUN      ] AdditionTest.PositiveNumbers
[       OK ] AdditionTest.PositiveNumbers (0 ms)
[ RUN      ] AdditionTest.NegativeNumbers
[       OK ] AdditionTest.NegativeNumbers (0 ms)
[----------] 2 tests from AdditionTest (0 ms total)

[==========] 2 tests from 1 test suite ran. (1 ms total)
[  PASSED  ] 2 tests.
</pre>

== 测试驱动开发（TDD） ==
测试驱动开发是一种先写测试再实现功能的开发方法。流程如下：

<mermaid>
graph TD
    A[编写测试] --> B[运行测试]
    B --> C{测试通过?}
    C -->|否| D[编写实现]
    D --> B
    C -->|是| E[重构]
    E --> A
</mermaid>

== 高级单元测试技术 ==
=== 参数化测试 ===
允许使用不同的输入参数运行相同的测试逻辑：

<syntaxhighlight lang="cpp">
#include <gtest/gtest.h>

class ParamTest : public testing::TestWithParam<std::tuple<int, int, int>> {};

TEST_P(ParamTest, Addition) {
    auto params = GetParam();
    EXPECT_EQ(Add(std::get<0>(params), std::get<1>(params)), std::get<2>(params));
}

INSTANTIATE_TEST_SUITE_P(
    AdditionTests,
    ParamTest,
    testing::Values(
        std::make_tuple(2, 3, 5),
        std::make_tuple(10, 20, 30),
        std::make_tuple(-2, -3, -5)
    )
);
</syntaxhighlight>

=== 模拟对象 ===
当测试依赖外部资源时，可以使用模拟对象：

<syntaxhighlight lang="cpp">
#include <gmock/gmock.h>

class Database {
public:
    virtual ~Database() = default;
    virtual int GetValue(const std::string& key) const = 0;
};

class MockDatabase : public Database {
public:
    MOCK_METHOD(int, GetValue, (const std::string& key), (const, override));
};

TEST(DatabaseTest, MockExample) {
    MockDatabase db;
    EXPECT_CALL(db, GetValue("test_key"))
        .WillOnce(testing::Return(42));
    
    // 被测代码使用db.GetValue("test_key")应该返回42
}
</syntaxhighlight>

== 单元测试最佳实践 ==
* 测试名称应描述测试目的
* 每个测试用例应专注于一个行为
* 避免测试实现细节，测试行为而非实现
* 保持测试快速运行
* 测试应独立于环境
* 测试失败时应提供有用的错误信息
* 测试代码应与生产代码保持相同质量标准

== 实际案例 ==
考虑一个简单的银行账户类：

<syntaxhighlight lang="cpp">
class BankAccount {
private:
    double balance;
public:
    BankAccount() : balance(0) {}
    
    void Deposit(double amount) {
        if (amount > 0) balance += amount;
    }
    
    bool Withdraw(double amount) {
        if (amount > 0 && balance >= amount) {
            balance -= amount;
            return true;
        }
        return false;
    }
    
    double GetBalance() const { return balance; }
};
</syntaxhighlight>

对应的单元测试：

<syntaxhighlight lang="cpp">
TEST(BankAccountTest, InitialBalance) {
    BankAccount account;
    EXPECT_DOUBLE_EQ(account.GetBalance(), 0.0);
}

TEST(BankAccountTest, DepositPositive) {
    BankAccount account;
    account.Deposit(100.0);
    EXPECT_DOUBLE_EQ(account.GetBalance(), 100.0);
}

TEST(BankAccountTest, DepositNegative) {
    BankAccount account;
    account.Deposit(-50.0);
    EXPECT_DOUBLE_EQ(account.GetBalance(), 0.0);
}

TEST(BankAccountTest, WithdrawSuccess) {
    BankAccount account;
    account.Deposit(100.0);
    bool result = account.Withdraw(30.0);
    EXPECT_TRUE(result);
    EXPECT_DOUBLE_EQ(account.GetBalance(), 70.0);
}

TEST(BankAccountTest, WithdrawFailure) {
    BankAccount account;
    account.Deposit(50.0);
    bool result = account.Withdraw(60.0);
    EXPECT_FALSE(result);
    EXPECT_DOUBLE_EQ(account.GetBalance(), 50.0);
}
</syntaxhighlight>

== 数学公式示例 ==
在某些情况下，你可能需要验证涉及数学计算的函数。例如，测试一个计算平方根的函数：

<math>\sqrt{x}</math> 的近似值可以通过牛顿迭代法计算：

<math>x_{n+1} = \frac{1}{2} \left( x_n + \frac{S}{x_n} \right) </math>

对应的测试用例：

<syntaxhighlight lang="cpp">
TEST(MathTest, SquareRoot) {
    EXPECT_NEAR(sqrt(2.0), 1.41421356, 1e-6);
    EXPECT_NEAR(sqrt(9.0), 3.0, 1e-6);
}
</syntaxhighlight>

== 结论 ==
C++单元测试是确保代码质量的重要工具。通过使用适当的测试框架和遵循最佳实践，开发者可以创建更可靠、更易维护的代码。单元测试不仅帮助捕获错误，还能作为代码行为的文档，并促进更好的软件设计。

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