C++ Catch2

C++ Catch2 单元测试框架

简介

Catch2 是一个现代、轻量级的 C++ 单元测试框架，以其简洁的语法和强大的功能著称。它采用纯头文件设计，无需预编译，支持 BDD（行为驱动开发）风格和传统单元测试风格，是 C++11 及以上版本项目的理想测试工具。

主要特点：

• 零外部依赖，仅需单个头文件
• 测试用例自动注册
• 支持标签化测试组织和过滤
• 提供丰富的断言宏
• 可输出多种格式的测试报告

安装与配置

获取 Catch2

从 GitHub 下载最新版本的 catch.hpp，或通过包管理器安装：

# 使用 vcpkg
vcpkg install catch2

# 使用 conan
conan install catch2/2.13.7

基本项目集成

最简单的使用方式是将 catch.hpp 包含到测试文件中：

#define CATCH_CONFIG_MAIN  // 生成 main()
#include "catch.hpp"

核心概念

测试用例

基本测试用例结构：

TEST_CASE("测试描述", "[标签1][标签2]") {
    // 测试代码
    REQUIRE(expression);  // 断言
}

断言宏

Catch2 提供多种断言风格：

主要断言宏

类型	宏	说明	要求断言	REQUIRE(expr)	失败时终止测试用例	检查断言	CHECK(expr)	失败时继续执行	浮点比较	REQUIRE(1.0 == Approx(0.999).epsilon(0.01))	带容差的浮点比较	异常检查	REQUIRE_THROWS(expr)	验证是否抛出异常

实际示例

示例1：字符串处理测试

测试字符串反转函数：

#include <string>
#include <algorithm>

std::string reverse_string(const std::string& str) {
    std::string result(str);
    std::reverse(result.begin(), result.end());
    return result;
}

TEST_CASE("字符串反转", "[string][algorithm]") {
    SECTION("基本反转") {
        REQUIRE(reverse_string("hello") == "olleh");
        REQUIRE(reverse_string("") == "");
    }
    
    SECTION("Unicode支持") {
        REQUIRE(reverse_string("こんにちは") == "はちにんこ");
    }
}

输出示例：

All tests passed (4 assertions in 2 test cases)

示例2：数学运算测试

测试阶乘函数：

unsigned int factorial(unsigned int n) {
    return n <= 1 ? 1 : n * factorial(n - 1);
}

TEST_CASE("阶乘计算", "[math][recursion]") {
    REQUIRE(factorial(0) == 1);
    REQUIRE(factorial(1) == 1);
    REQUIRE(factorial(5) == 120);
    REQUIRE(factorial(10) == 3628800);
}

高级特性

参数化测试

使用 GENERATE 创建数据驱动测试：

TEST_CASE("参数化测试示例", "[generators]") {
    auto x = GENERATE(1, 2, 3, 5, 7);
    
    SECTION("测试素数") {
        REQUIRE(is_prime(x));
    }
}

BDD 风格

行为驱动开发风格：

SCENARIO("银行账户操作", "[account][bdd]") {
    GIVEN("一个新账户") {
        Account account(100);
        
        WHEN("存入50元") {
            account.deposit(50);
            
            THEN("余额正确") {
                REQUIRE(account.balance() == 150);
            }
        }
    }
}

测试夹具

共享测试设置：

class DatabaseFixture {
protected:
    Database db;
public:
    DatabaseFixture() : db("test.db") { db.connect(); }
    ~DatabaseFixture() { db.disconnect(); }
};

TEST_CASE_METHOD(DatabaseFixture, "数据库查询", "[database]") {
    REQUIRE(db.query("SELECT * FROM users").size() > 0);
}

测试组织与执行

标签系统

Catch2 的标签可以用于过滤测试：

graph TD A[所有测试] --> B[核心功能] A --> C[性能测试] A --> D[数据库测试] B --> E[字符串处理] B --> F[数学运算]

执行特定标签的测试：

./tests [math]          # 只运行数学相关测试
./tests ~[database]     # 排除数据库测试

测试报告

支持多种格式输出：

• 控制台 (默认)
• JUnit 格式 (CI 集成)
• XML 格式
• TAP 格式

最佳实践

1. 保持测试独立，不依赖执行顺序 2. 为每个测试用例使用描述性名称 3. 合理使用 SECTION 组织相关断言 4. 将慢速测试标记为 [!slow] 5. 定期运行测试，最好集成到构建流程中

常见问题

测试未执行

可能原因：

• 未定义 CATCH_CONFIG_MAIN
• 测试被标签过滤排除
• 测试代码未被编译

浮点比较问题

正确方式：

REQUIRE(1.0/3.0 == Approx(0.333333).epsilon(0.0001));

性能考量

Catch2 的编译时开销较大，建议：

• 将测试实现与声明分离
• 使用预编译头
• 在大型项目中考虑拆分测试二进制文件

与其他框架比较

测试框架对比

特性	Catch2	Google Test	Boost.Test	头文件方式	✔️	❌	❌	BDD 支持	✔️	❌	✔️	标签系统	✔️	❌	✔️	断言数量	中等	多	多	学习曲线	低	中	高

延伸学习

• 测试驱动开发(TDD)方法论
• 模拟对象(Mock)技术
• 代码覆盖率工具
• 持续集成中的测试集成