變異測試：在代碼中故意引入問題的藝術(shù)

變異測試是軟件測試中的一種創(chuàng)新方法，它涉及故意在程序源代碼中引入小的更改或“變異”。目的是什么?測試測試用例的有效性并確保它們可以捕獲最細(xì)微的錯(cuò)誤。在本文中，我們將使用Python作為我們選擇的語言來探索變異測試的工作原理。

什么是突變測試?

變異測試從已經(jīng)通過所有測試用例的程序開始。然后，我們對(duì)源代碼進(jìn)行細(xì)微修改，創(chuàng)建所謂的“變異體”。這些變異體是原始程序的略微改動(dòng)版本。關(guān)鍵思想是針對(duì)這些變異體運(yùn)行現(xiàn)有測試用例。如果測試用例失敗，則它已成功“殺死”變異體，表明測試用例有效。如果所有測試用例都通過，則變異體幸存下來，表明測試覆蓋率可能存在差距。

示例：用 Python 實(shí)現(xiàn)變異測試

讓我們考慮一個(gè)檢查某一年份是否是閏年的簡單 Python 函數(shù)：

Python

def is_leap_year(year):

return year % 4 == 0 and (year % 100 != 0 or year % 400 == 0)

創(chuàng)造突變體

我們可以創(chuàng)建此函數(shù)的幾個(gè)變體。例如：

1. Changing year % 4 == 0 to year % 4 != 0.

2. Replacing year % 100 != 0 with year % 100 == 0.

3. Modifying year % 400 == 0 to year % 400 != 0.

編寫測試用例

接下來我們針對(duì)原始函數(shù)編寫測試用例：

Python

import unittest

class TestLeapYear(unittest.TestCase):

def test_leap_year(self):

self.assertTrue(is_leap_year(2020))

self.assertFalse(is_leap_year(2019))

def test_century_year(self):

self.assertFalse(is_leap_year(1900))

self.assertTrue(is_leap_year(2000))

# Run the tests

if __name__ == '__main__':

unittest.main()

測試突變體

然后我們針對(duì)每個(gè)突變體運(yùn)行這些測試用例。如果測試用例對(duì)突變體失敗，則意味著測試有效。

挑戰(zhàn)和最佳實(shí)踐

· 等效突變體：有時(shí)，突變可能不會(huì)改變程序的邏輯，從而產(chǎn)生“等效突變體”。檢測這些突變體可能具有挑戰(zhàn)性。

· 選擇突變：選擇能夠真實(shí)代表潛在錯(cuò)誤的突變。

· 平衡測試覆蓋率：雖然高突變分?jǐn)?shù)是理想的，但達(dá)到 100% 可能不切實(shí)際。專注于代碼的關(guān)鍵部分。

尋找故障插入的寶藏

想象一下軟件代碼庫是一片廣闊的土地，人們即將在這里尋寶。在這個(gè)場景中，寶藏代表著錯(cuò)誤或故障，尋寶的參與者則是測試用例。

設(shè)置搜尋(編寫代碼和插入故障)

在尋寶游戲中，組織者會(huì)將寶藏藏在不同的地方，并設(shè)置線索或挑戰(zhàn)來尋找它們。在軟件開發(fā)中，編寫代碼的過程類似于設(shè)置這種場景。插入故障(已知錯(cuò)誤)類似于將寶藏藏在特定位置。這些故障是故意放置的，以挑戰(zhàn)測試用例，就像尋寶游戲中的寶藏挑戰(zhàn)參與者一樣。

開始搜尋(運(yùn)行測試用例)

尋寶游戲的參與者利用線索和技能找到隱藏的寶藏。在軟件測試中，測試用例充當(dāng)參與者，使用其定義的參數(shù)和條件搜索代碼(景觀)，以查找和識(shí)別隱藏的故障(寶藏)。

發(fā)現(xiàn)寶藏(識(shí)別故障)

當(dāng)參與者在尋寶活動(dòng)中發(fā)現(xiàn)寶藏時(shí)，這就是成功的時(shí)刻。同樣，在軟件測試中，當(dāng)測試用例成功識(shí)別出故障時(shí)，它就證明了其有效性。目標(biāo)是找到所有隱藏的寶藏(故障)，確保代碼經(jīng)過徹底審查。

評(píng)估搜尋(評(píng)估測試有效性)

尋寶活動(dòng)結(jié)束后，組織者會(huì)評(píng)估找到了多少寶藏以及遺漏了哪些寶藏。這項(xiàng)評(píng)估有助于他們了解線索的有效性和參與者的技能。在軟件測試中，運(yùn)行測試用例后，開發(fā)人員會(huì)分析檢測到了哪些故障以及遺漏了哪些故障。此分析有助于評(píng)估測試套件的有效性。

完善搜尋(改進(jìn)測試用例)

根據(jù)尋寶活動(dòng)的結(jié)果，組織者可能會(huì)改進(jìn)線索或更改未來尋寶活動(dòng)的寶藏位置，以使其更具挑戰(zhàn)性和吸引力。在軟件測試中，開發(fā)人員會(huì)根據(jù)故障插入的結(jié)果改進(jìn)他們的測試用例。這可能涉及添加新測試、刪除冗余測試或修改現(xiàn)有測試以涵蓋更多場景。

故障注入的有效性

這種方法在軟件測試中的有效性，特別是在優(yōu)化起始測試用例集時(shí)，取決于以下幾個(gè)因素：

· 識(shí)別冗余測試的有效性：如果一組測試用例始終檢測到所有插入的故障，則可能表明某些測試用例重疊或冗余。在這種情況下，可以通過刪除或合并測試來簡化測試套件，而不會(huì)損害檢測故障的能力。

· 故障分布假設(shè)：如果假設(shè)插入的故障代表代碼中潛在的“野生”故障，則假設(shè)插入的故障和實(shí)際故障的分布相同。這種假設(shè)需要驗(yàn)證。如果插入的故障不能準(zhǔn)確代表軟件中自然發(fā)生的故障類型，則測試用例在現(xiàn)實(shí)世界中的有效性可能會(huì)被高估。

· 檢測未見故障的局限性：即使檢測到所有插入的故障，也不能保證測試用例會(huì)捕獲所有可能的故障。可能存在插入的故障未代表的獨(dú)特或不可預(yù)見的故障。

· 減少測試用例的潛力：一旦檢測到所有插入的故障，這可能表明測試套件是穩(wěn)健的。但是，減少測試用例的數(shù)量應(yīng)謹(jǐn)慎進(jìn)行。與直接刪除相比，根據(jù)測試用例的有效性和關(guān)鍵性對(duì)其進(jìn)行優(yōu)先排序和分類可能更為謹(jǐn)慎。

· 持續(xù)評(píng)估和調(diào)整：測試用例集不應(yīng)保持靜態(tài)。隨著軟件的發(fā)展，測試用例也應(yīng)隨之發(fā)展。尋寶方法可以是一個(gè)持續(xù)的過程，定期插入新的故障以確保測試套件對(duì)不斷發(fā)展的代碼庫保持有效。

· 過度擬合的風(fēng)險(xiǎn)：測試用例可能會(huì)過于針對(duì)插入的故障或過度擬合，從而可能遺漏其他類型的故障。確保插入的故障類型的多樣性至關(guān)重要。

這種軟件測試中的故障檢測方法可以深入了解測試套件的有效性并幫助確定需要優(yōu)化的領(lǐng)域。但是，它應(yīng)該作為更廣泛的測試策略的一部分使用，該策略包括多種測試方法，以確保全面覆蓋。僅基于此方法減少測試用例數(shù)量應(yīng)謹(jǐn)慎處理，以免無意中降低測試套件檢測各種潛在故障的能力。

Python 中的突變測試工具

Python 中的突變測試由幾種工具實(shí)現(xiàn)，這些工具旨在自動(dòng)創(chuàng)建突變體并針對(duì)這些突變體評(píng)估測試用例。以下是三種可用于 Python 突變測試的工具的概述：

1. MutPy

MutPy 是一款流行的開源工具，用于在 Python 項(xiàng)目中執(zhí)行突變測試。它以易用性和與現(xiàn)有 Python 測試框架(如單元測試和 pytest)集成而聞名。

MutPy 的主要特點(diǎn)：

· 自動(dòng)突變生成： MutPy 通過對(duì) Python 字節(jié)碼進(jìn)行微小更改來自動(dòng)生成突變，與源代碼修改相比，這是一種更有效的引入突變的方法。

· 支持常見的測試框架：它可以與 unittest 和 pytest 等廣泛使用的測試框架無縫協(xié)作。

· 各種變異運(yùn)算符： MutPy 帶有一系列變異運(yùn)算符，可模擬常見的編程錯(cuò)誤，例如更改算術(shù)運(yùn)算、否定條件和改變返回值。

· 詳細(xì)報(bào)告：對(duì)突變體運(yùn)行測試后，MutPy 會(huì)生成詳細(xì)報(bào)告，顯示哪些突變體被殺死、哪些幸存下來，幫助開發(fā)人員了解其測試用例的有效性。

2. Cosmic Ray

Cosmic Ray 是另一個(gè)用于對(duì) Python 代碼進(jìn)行變異測試的工具。它注重穩(wěn)健性和可擴(kuò)展性，適合大型項(xiàng)目。

宇宙射線的主要特點(diǎn)：

· 并行執(zhí)行： Cosmic Ray 支持并行執(zhí)行測試，這可以顯著減少對(duì)大型代碼庫進(jìn)行變異測試所需的時(shí)間。

· 可擴(kuò)展設(shè)計(jì)：它具有可擴(kuò)展的設(shè)計(jì)，允許添加新的變異運(yùn)算符。

· 與控制系統(tǒng)集成： Cosmic Ray 可以與版本控制系統(tǒng)集成，以便在測試后將代碼恢復(fù)到其原始狀態(tài)。

3. Pester

Pester 是一個(gè)鮮為人知的工具，但它提供了一種簡單直接的 Python 變異測試方法。

Pester 的主要特點(diǎn)：

· 簡單的突變體生成： Pester 通過直接修改 Python 源代碼來生成突變體。

· 易于使用：它設(shè)計(jì)得易于設(shè)置和使用，特別適合較小的項(xiàng)目或剛接觸突變測試的項(xiàng)目。

選擇工具時(shí)的注意事項(xiàng)

選擇 Python 的突變測試工具時(shí)，請考慮以下幾點(diǎn)：

· 項(xiàng)目規(guī)模：某些工具更適合較大的項(xiàng)目，提供并行執(zhí)行等功能。

· 與現(xiàn)有測試框架的集成：確保該工具與您正在使用的測試框架很好地集成。

· 報(bào)告功能：詳細(xì)的報(bào)告可以幫助您更有效地識(shí)別測試套件中的弱點(diǎn)。

· 社區(qū)和支持：考慮該工具可用的社區(qū)支持和文檔。

總結(jié)

變異測試是提高軟件測試質(zhì)量的有效方法。通過故意在代碼中引入問題并測試現(xiàn)有測試是否可以檢測到這些變異，您可以增強(qiáng)測試套件并提高軟件的可靠性。我希望軟件測試中故障插入的尋寶比喻能夠讓這個(gè)概念更容易理解。我們可以檢查我們的測試套件是否有效并且能夠識(shí)別代碼中的潛在問題，就像一個(gè)組織良好的尋寶游戲一樣，它挑戰(zhàn)并測試參與者的技能。