Golang 单元测试、基准测试、并发基准测试

一、单元测试

要开始一个单元测试，需要准备一个 go 源码文件，在命名文件时需要让文件必须以_test结尾。

单元测试源码文件可以由多个测试用例组成，每个测试用例函数需要以Test为前缀，例如：

func TestXXX( t *testing.T )

• 测试用例文件不会参与正常源码编译，不会被包含到可执行文件中。
• 测试用例文件使用 go test 指令来执行，没有也不需要 main() 作为函数入口。所有在以_test结尾的源码内以Test开头的函数会自动被执行。
• 测试用例可以不传入 *testing.T 参数。

helloworld 的测试代码：

package code11_3

import "testing"

func TestHelloWorld(t *testing.T) {
    t.Log("hello world")
}

代码说明如下：

• 第 5 行，单元测试文件 (*_test.go) 里的测试入口必须以 Test 开始，参数为 *testing.T 的函数。一个单元测试文件可以有多个测试入口。
• 第 6 行，使用 testing 包的 T 结构提供的 Log() 方法打印字符串。

1) 单元测试命令行

单元测试使用 go test 命令启动，例如：

$ go test helloworld_test.go
ok          command-line-arguments        0.003s
$ go test -v helloworld_test.go
=== RUN   TestHelloWorld
--- PASS: TestHelloWorld (0.00s)
        helloworld_test.go:8: hello world
PASS
ok          command-line-arguments        0.004s

代码说明如下：

• 第 1 行，在 go test 后跟 helloworld_test.go 文件，表示测试这个文件里的所有测试用例。
• 第 2 行，显示测试结果，ok 表示测试通过，command-line-arguments 是测试用例需要用到的一个包名，0.003s 表示测试花费的时间。
• 第 3 行，显示在附加参数中添加了-v，可以让测试时显示详细的流程。
• 第 4 行，表示开始运行名叫 TestHelloWorld 的测试用例。
• 第 5 行，表示已经运行完 TestHelloWorld 的测试用例，PASS 表示测试成功。
• 第 6 行打印字符串 hello world。

2) 运行指定单元测试用例

go test 指定文件时默认执行文件内的所有测试用例。可以使用-run参数选择需要的测试用例单独执行，参考下面的代码。

一个文件包含多个测试用例（具体位置是./src/chapter11/gotest/select_test.go）

package code11_3

import "testing"

func TestA(t *testing.T) {
    t.Log("A")
}
func TestAK(t *testing.T) {
    t.Log("AK")
}
func TestB(t *testing.T) {
    t.Log("B")
}
func TestC(t *testing.T) {
    t.Log("C")
}

这里指定 TestA 进行测试：

$ go test -v -run TestA select_test.go
=== RUN   TestA
--- PASS: TestA (0.00s)
        select_test.go:6: A
=== RUN   TestAK
--- PASS: TestAK (0.00s)
        select_test.go:10: AK
PASS
ok          command-line-arguments        0.003s

TestA 和 TestAK 的测试用例都被执行，原因是-run跟随的测试用例的名称支持正则表达式，使用-run TestA$即可只执行 TestA 测试用例。

3) 标记单元测试结果

当需要终止当前测试用例时，可以使用 FailNow，参考下面的代码。

测试结果标记（具体位置是./src/chapter11/gotest/fail_test.go）

func TestFailNow(t *testing.T) {
    t.FailNow()
}

还有一种只标记错误不终止测试的方法，代码如下：

func TestFail(t *testing.T) {
    fmt.Println("before fail")
    t.Fail()
    fmt.Println("after fail")
}

测试结果如下：

=== RUN   TestFail
before fail
after fail
--- FAIL: TestFail (0.00s)
FAIL
exit status 1
FAIL        command-line-arguments        0.002s

从日志中看出，第 5 行调用 Fail() 后测试结果标记为失败，但是第 7 行依然被程序执行了。

4) 单元测试日志

每个测试用例可能并发执行，使用 testing.T 提供的日志输出可以保证日志跟随这个测试上下文一起打印输出。testing.T 提供了几种日志输出方法，详见下表所示。

单元测试框架提供的日志方法

方  法	备  注
Log	打印日志，同时结束测试
Logf	格式化打印日志，同时结束测试
Error	打印错误日志，同时结束测试
Errorf	格式化打印错误日志，同时结束测试
Fatal	打印致命日志，同时结束测试
Fatalf	格式化打印致命日志，同时结束测试

开发者可以根据实际需要选择合适的日志。

二、基准测试

基准测试可以测试一段程序的运行性能及耗费 CPU 的程度。Go 语言中提供了基准测试框架，使用方法类似于单元测试，使用者无须准备高精度的计时器和各种分析工具，基准测试本身即可以打印出非常标准的测试报告。

1) 基础测试基本使用

下面通过一个例子来了解基准测试的基本使用方法。

基准测试（具体位置是./src/chapter11/gotest/benchmark_test.go）

package code11_3

import "testing"

func Benchmark_Add(b *testing.B) {
    var n int
    for i := 0; i < b.N; i++ {
        n++
    }
}

这段代码使用基准测试框架测试加法性能。第 7 行中的 b.N 由基准测试框架提供。测试代码需要保证函数可重入性及无状态，也就是说，测试代码不使用全局变量等带有记忆性质的数据结构。避免多次运行同一段代码时的环境不一致，不能假设 N 值范围。

使用如下命令行开启基准测试：

$ go test -v -bench=. benchmark_test.go
goos: linux
goarch: amd64
Benchmark_Add-4           20000000         0.33 ns/op
PASS
ok          command-line-arguments        0.700s

代码说明如下：

• 第 1 行的-bench=.表示运行 benchmark_test.go 文件里的所有基准测试，和单元测试中的-run类似。
• 第 4 行中显示基准测试名称，2000000000 表示测试的次数，也就是 testing.B 结构中提供给程序使用的 N。“0.33 ns/op”表示每一个操作耗费多少时间（纳秒）。

注意：Windows 下使用 go test 命令行时，-bench=.应写为-bench="."。

2) 基准测试原理

基准测试框架对一个测试用例的默认测试时间是 1 秒。开始测试时，当以 Benchmark 开头的基准测试用例函数返回时还不到 1 秒，那么 testing.B 中的 N 值将按 1、2、5、10、20、50……递增，同时以递增后的值重新调用基准测试用例函数。

3) 自定义测试时间

通过-benchtime参数可以自定义测试时间，例如：

$ go test -v -bench=. -benchtime=5s benchmark_test.go
goos: linux
goarch: amd64
Benchmark_Add-4           10000000000                 0.33 ns/op
PASS
ok          command-line-arguments        3.380s

4) 测试内存

基准测试可以对一段代码可能存在的内存分配进行统计，下面是一段使用字符串格式化的函数，内部会进行一些分配操作。

func Benchmark_Alloc(b *testing.B) {
    for i := 0; i < b.N; i++ {
        fmt.Sprintf("%d", i)
    }
}

在命令行中添加-benchmem参数以显示内存分配情况，参见下面的指令：

$ go test -v -bench=Alloc -benchmem benchmark_test.go
goos: linux
goarch: amd64
Benchmark_Alloc-4 20000000 109 ns/op 16 B/op 2 allocs/op
PASS
ok          command-line-arguments        2.311s

代码说明如下：

• 第 1 行的代码中-bench后添加了 Alloc，指定只测试 Benchmark_Alloc() 函数。
• 第 4 行代码的“16 B/op”表示每一次调用需要分配 16 个字节，“2 allocs/op”表示每一次调用有两次分配。

开发者根据这些信息可以迅速找到可能的分配点，进行优化和调整。

5) 控制计时器

有些测试需要一定的启动和初始化时间，如果从 Benchmark() 函数开始计时会很大程度上影响测试结果的精准性。testing.B 提供了一系列的方法可以方便地控制计时器，从而让计时器只在需要的区间进行测试。我们通过下面的代码来了解计时器的控制。
基准测试中的计时器控制（具体位置是./src/chapter11/gotest/benchmark_test.go）：

func Benchmark_Add_TimerControl(b *testing.B) {
    // 重置计时器
    b.ResetTimer()
    // 停止计时器
    b.StopTimer()
    // 开始计时器
    b.StartTimer()
    var n int
    for i := 0; i < b.N; i++ {
        n++
    }
}

从 Benchmark() 函数开始，Timer 就开始计数。StopTimer() 可以停止这个计数过程，做一些耗时的操作，通过 StartTimer() 重新开始计时。ResetTimer() 可以重置计数器的数据。
计数器内部不仅包含耗时数据，还包括内存分配的数据。

package chapter10

import (
    "fmt"
    "strconv"
    "testing"
)

// BenchmarkSprintf 对 fmt.Sprintf 函数进行基准测试
func BenchmarkSprintf(b *testing.B)  {
    number := 10

    b.ResetTimer()
    for i := 0; i < b.N; i++ {
        fmt.Sprintf("%d", number)
    }

}

// BenchmarkFormat 对 strconv.FormatInt 函数进行基准测试
func BenchmarkFormat(b *testing.B)  {
    number := int64(10)

    b.ResetTimer()
    for i := 0; i < b.N; i++ {
        strconv.FormatInt(number, 10)
    }
}

// BenchmarkItoa 对 strconv.Itoa 函数进行基准测试
func BenchmarkItoa(b *testing.B)  {
    number := 10

    b.ResetTimer()
    for i := 0; i < b.N; i++ {
        strconv.Itoa(number)
    }

}

三、并发基准测试

func BenchmarkCombinationParallel(b *testing.B) {
    // 测试一个对象或者函数在多线程的场景下面是否安全
    b.RunParallel(func(pb *testing.PB) {
        for pb.Next() {
            m := rand.Intn(100) + 1
            n := rand.Intn(m)
            combination(m, n)
        }
    })
}

RunParallel并发的执行benchmark。RunParallel创建多个goroutine然后把b.N个迭代测试分布到这些goroutine上。goroutine的数目默认是GOMAXPROCS。如果要增加non-CPU-bound的benchmark的并个数，在执行RunParallel之前调用SetParallelism。