單元測(cè)試方法在GIS開發(fā)中的應(yīng)用研究

尤曉洺 蔡先華

（東南大學(xué)交通學(xué)院地理信息工程系 江蘇 南京 210096）

單元測(cè)試方法在GIS開發(fā)中的應(yīng)用研究

尤曉洺 蔡先華

（東南大學(xué)交通學(xué)院地理信息工程系 江蘇 南京 210096）

單元測(cè)試是在軟件測(cè)試中要進(jìn)行的最低級(jí)別的測(cè)試活動(dòng)，是保證軟件質(zhì)量的第一環(huán)。然而由于GIS開發(fā)的一些復(fù)雜特征，很多GIS開發(fā)者放棄了編寫單元測(cè)試。本文針對(duì)GIS開發(fā)的特點(diǎn)，探討了GIS開發(fā)中的編寫單元測(cè)試的一些問題。包括如何在單元測(cè)試中加載第三方GIS組件許可，如何改善設(shè)計(jì)使單元測(cè)試易于編寫，如何在單元測(cè)試中和復(fù)雜組件對(duì)象交互等。通過對(duì)這些方法的應(yīng)用，解決GIS開發(fā)中編寫單元測(cè)試的一些問題。

單元測(cè)試；GIS開發(fā)；NUnit

0 引言

隨著社會(huì)對(duì)GIS的需求越來越多，GIS軟件規(guī)模的不斷擴(kuò)大，GIS軟件設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度不斷提高，軟件開發(fā)中出現(xiàn)錯(cuò)誤或缺陷的幾率也越來越大，如何保證GIS軟件的質(zhì)量，使GIS軟件為社會(huì)提供穩(wěn)定而且正確的服務(wù)，是一個(gè)值得研究的問題。軟件測(cè)試是驗(yàn)證軟件質(zhì)量的有效手段，而單元測(cè)試是保證軟件質(zhì)量的第一環(huán)。然而據(jù)2008年的一份統(tǒng)計(jì)，超過48%的GIS開發(fā)者不編寫任何單元測(cè)試，這所導(dǎo)致的是他們的項(xiàng)目有超過50%成本都消耗在了系統(tǒng)維護(hù)上[1]。本文就如何在GIS開發(fā)中編寫單元測(cè)試進(jìn)行討論。

1 單元測(cè)試簡介

單元測(cè)試是開發(fā)者編寫的一段可以自動(dòng)執(zhí)行的代碼，用于證明被測(cè)試代碼的行為和開發(fā)者所期望的一致[2]。所以單元測(cè)試應(yīng)該是由程序員自己來完成的，它往往是對(duì)一個(gè)個(gè)基本的功能單元進(jìn)行的測(cè)試。

舉一個(gè)簡單的例子，現(xiàn)在有一個(gè)編寫好的函數(shù)，函數(shù)的接受一個(gè)整型數(shù)組作為參數(shù)，返回這個(gè)數(shù)組中值最大的數(shù)?？梢跃帉戇@樣一個(gè)單元測(cè)試用例：把數(shù)組{1,2,3,4}作為參數(shù)傳遞給這個(gè)函數(shù)，判斷這個(gè)函數(shù)的返回值的是否等于4，如果不是，就說明這個(gè)函數(shù)的代碼是錯(cuò)誤的?？梢允褂脝卧獪y(cè)試框架，如NUnit[3]，編寫單元測(cè)試，斷言（Assert）這個(gè)函數(shù)在接受上述參數(shù)時(shí)的返回值為4，單元測(cè)試框架可以使這個(gè)測(cè)試和其它的單元測(cè)試自動(dòng)執(zhí)行，并報(bào)告哪些測(cè)試用例沒有通過。

好的單元測(cè)試測(cè)試應(yīng)該是自動(dòng)的、全面的、可重復(fù)的、獨(dú)立的和專業(yè)的[2]。正確的使用單元測(cè)試可以起到如下作用：驗(yàn)證代碼行為；通過編寫單元測(cè)試，解除代碼中的耦合；單元測(cè)試可以作為軟件開發(fā)的文檔，它是可編譯、可運(yùn)行的，與代碼同步；自動(dòng)化的單元測(cè)試避免了代碼出現(xiàn)回歸。

本文以使用ArcGIS Engine for.Net進(jìn)行GIS開發(fā)為例，使用為. Net開發(fā)而設(shè)計(jì)的自動(dòng)測(cè)試框架NUnit，探討一下GIS開發(fā)中單元測(cè)試編寫的一些問題。如果使用Visual Studio進(jìn)行開發(fā)，結(jié)合使用免費(fèi)的TestDriven.Net Personal Version，可以非常方便快捷地在開發(fā)環(huán)境中執(zhí)行和調(diào)試單元測(cè)試，幫助提高開發(fā)效率[5]。

2 在單元測(cè)試中加載第三方組件許可

在使用ArcGIS Engine中的對(duì)象（可以看作是ArcObjects的子集）時(shí)是需要加載許可的。同樣，在使用到ArcObjects的單元測(cè)試，也是需要加載許可的。單元測(cè)試不同于普通的應(yīng)用程序，沒有顯式的程序入口，沒有明確的執(zhí)行順序，它是被Test Runner加載并執(zhí)行的，那如何在單元測(cè)試中加載許可是GIS開發(fā)中編寫單元測(cè)試所要解決的一個(gè)問題。如果只有少數(shù)幾個(gè)Test Fixture使用到了ArcObjects，可以在這些Test Fixture中標(biāo)記了TestFixtureSetUp屬性的方法中加載許可，在標(biāo)記了TestFixtureTearDown中卸載ArcObjects，如下：

如果有很多Text Fixture中都使用到了ArcObjects，這樣做會(huì)降低測(cè)試執(zhí)行的效率，可以采用另外一種更通用的方法，在標(biāo)注了SetUpFixture屬性的類中的SetUp方法加載許可，TearDown方法中卸載ArcObjects，如下：

在上述代碼中，標(biāo)記了SetUp屬性的LoadLicense方法會(huì)在執(zhí)行這個(gè)類AeLicenseLoader所在的命名空間中所有測(cè)試前執(zhí)行，而標(biāo)記了TearDown屬性的UnloadAoObjects方法會(huì)在執(zhí)行完這個(gè)類所在的命名空間中所有的測(cè)試后執(zhí)行。如果要為整個(gè)程序集（Assamble）提供運(yùn)行許可，把類AeLicenseLoader置于全局命名空間即可，這樣在執(zhí)行這個(gè)程序集任何測(cè)試前，會(huì)加載許可，執(zhí)行完測(cè)試后，卸載ArcObjects。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)使便于測(cè)試

有時(shí)候會(huì)發(fā)現(xiàn)很難對(duì)一些功能代碼編寫單元測(cè)試，這往往暗示著設(shè)計(jì)需要修改，不應(yīng)該放棄編寫單元測(cè)試，需要做的是修改設(shè)計(jì)，分離代碼的關(guān)注點(diǎn)，直到代碼易于測(cè)試。易于測(cè)試的代碼往往有更好的結(jié)構(gòu)和可維護(hù)性[2]。

例如有些程序員習(xí)慣將業(yè)務(wù)邏輯的代碼混雜在用戶界面的代碼中，這本身并不是一種優(yōu)秀的設(shè)計(jì)，也使單元測(cè)試編寫起來變得非常困難。應(yīng)該將業(yè)務(wù)邏輯的代碼和用戶界面的代碼進(jìn)行分離，使用諸如三層架構(gòu)（表示層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)訪問層三層架構(gòu)）或MVC（模型、視圖和控制器）模式等方法對(duì)代碼進(jìn)行重構(gòu)。這樣既改善了設(shè)計(jì)，也使單元測(cè)試的編寫變得容易。類似的，要避免編寫出職能過多的類，這樣的類不僅很難測(cè)試，也很難維護(hù)，是違背面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)的原則的，應(yīng)用一些模式，改善設(shè)計(jì)，使之易于測(cè)試。也可以通過實(shí)踐驅(qū)動(dòng)測(cè)試開發(fā)，改善代碼的設(shè)計(jì)。

4 在單元測(cè)試中和復(fù)雜對(duì)象交互

然而ArcObjects是一個(gè)龐大而且復(fù)雜的系統(tǒng)，ArcObjects中的很多對(duì)象甚至是很難構(gòu)建的，如果在功能代碼中使用到這些對(duì)象，真的需要為了編寫單元測(cè)試而構(gòu)建這些對(duì)象嗎？

首先需要注意的是單元測(cè)試所測(cè)試的目標(biāo)。編寫的單元測(cè)試是要測(cè)試自己編寫的功能代碼，而不是ESRI的ArcObjects。比如對(duì)一個(gè)面的緩沖區(qū)操作，對(duì)兩個(gè)幾何對(duì)象求交，或者是修改了Geodatabase中的一個(gè)要素的屬性值，這些類似的代碼只是對(duì)ArcObjects的簡單調(diào)用，如果對(duì)這些代碼的行為不確定，需要做的是參考ArcObjects的幫助文檔，當(dāng)然如果對(duì)這些代碼的行為還是不確定，也可以編寫單元測(cè)試進(jìn)行驗(yàn)證，但是這樣做的代價(jià)往往會(huì)很高。

如果確定了ArcObjects對(duì)象的行為，要測(cè)試和ArcObjects中復(fù)雜對(duì)象進(jìn)行交互的功能代碼時(shí)，我們可以使用Mock對(duì)象的技術(shù)[6]，對(duì)功能模塊進(jìn)行測(cè)試。這種測(cè)試方法的思想是用模擬的對(duì)象替代真實(shí)的對(duì)象，模擬出一個(gè)測(cè)試環(huán)境，對(duì)功能代碼進(jìn)行測(cè)試，Mock對(duì)象就是真實(shí)對(duì)象在調(diào)試期的替代品。而且由于ArcObjects是基于接口的架構(gòu)，正適合使用這種技術(shù)?？梢宰约壕帉慚ock對(duì)象，也可以使用現(xiàn)有的Mock對(duì)象框架，如NMock2、DotNetMock和RhinoMocks。

ArcObjects中一個(gè)經(jīng)常到對(duì)象的類型是Feature類，而它的對(duì)象又是很難用代碼從頭構(gòu)建的。下文中的CountyFeature類就使用到了表示一個(gè)縣域要素的對(duì)象，它對(duì)一個(gè)縣域要素進(jìn)行了強(qiáng)類型化的封裝。部分代碼如下：

CountyFeature類的構(gòu)造方法接受一個(gè)表示縣域要素的參數(shù)，縣域要素有一個(gè)字段的值是該縣域的政區(qū)代碼，這個(gè)代碼是符合中華人民共和國行政區(qū)劃代碼標(biāo)準(zhǔn)（GB2260-1995）的。根據(jù)這個(gè)縣域的政區(qū)代碼可以判斷這個(gè)要素是否是省直轄縣級(jí)市，CountyFeature類的一個(gè)屬性就實(shí)現(xiàn)了這個(gè)功能，它返回該縣域是否是省直轄縣級(jí)市?，F(xiàn)在編寫單元測(cè)試對(duì)這個(gè)功能代碼進(jìn)行測(cè)試。那么就需要實(shí)例化CountyFeature類的對(duì)象，而CountyFeature類的構(gòu)造方法需要一個(gè)IFeature類型的縣域要素作為參數(shù)。編寫測(cè)試時(shí)需要這個(gè)參數(shù)，獲得這個(gè)參數(shù)可以使用真實(shí)的數(shù)據(jù)，也就是說，使用包含縣域要素類的Geodatabase，假設(shè)這個(gè)數(shù)據(jù)是容易獲取的，但是仍然需要在單元測(cè)試代碼中編寫許多根本不是這個(gè)測(cè)試所需要關(guān)注的代碼，而且由于這些代碼訪問外部資源，測(cè)試運(yùn)行的速度也會(huì)變慢，所以不應(yīng)該使用這種方法。

使用Mock對(duì)象就可以解決上述這個(gè)問題。判斷這個(gè)縣域是否是省直轄縣級(jí)市的功能代碼關(guān)注的只是縣域要素區(qū)域政區(qū)代碼字段的值，所以可以編寫一個(gè)帶有政區(qū)代碼的仿真縣域要素的對(duì)象，其他至于縣域要素到底有沒有其它字段等都不是這個(gè)測(cè)試所關(guān)心的內(nèi)容。IFeature接口有9個(gè)屬性，4個(gè)方法，如果自己編寫這個(gè)Mock對(duì)象的話同樣會(huì)浪費(fèi)很多時(shí)間，解決方法就是使用動(dòng)態(tài)Mock對(duì)象，動(dòng)態(tài)Mock對(duì)象會(huì)在運(yùn)行時(shí)構(gòu)建一個(gè)指定類型的 Mock對(duì)象。本文以NMock2中的動(dòng)態(tài)Mock對(duì)象為例，編寫的對(duì)上述功能的測(cè)試代碼如下：

測(cè)試方法的第三行代碼表示，使當(dāng)以指定參數(shù)調(diào)用 feature.get_Value方法時(shí)，返回regionCode的值。上述測(cè)試代碼隔離了和測(cè)試目標(biāo)無關(guān)的內(nèi)容，使測(cè)試專注于需要測(cè)試的功能。

Mock對(duì)象是一項(xiàng)很實(shí)用的技術(shù)，但由于需要編寫更多的代碼，特別是自己編寫Mock對(duì)象，無疑會(huì)加重項(xiàng)目的負(fù)擔(dān)，有時(shí)我們可以通過一些重構(gòu)消除對(duì)Mock對(duì)象的依賴。

盡管使用了如上所述的方法，但在GIS開發(fā)中還是不可避免地需要使用到一些復(fù)雜的對(duì)象。典型的例子是ArcObjects中的幾何數(shù)據(jù)類型。例如需要自己實(shí)現(xiàn)兩個(gè)多邊形求交的功能，那么如何對(duì)這個(gè)功能進(jìn)行測(cè)試。在測(cè)試代碼中需要構(gòu)建兩個(gè)多邊形對(duì)象，還有這兩個(gè)多邊形求交后的正確結(jié)果，然后將真實(shí)的求交結(jié)果和正確望的結(jié)果進(jìn)行比較，如果不相同，就說明我自己實(shí)現(xiàn)的這個(gè)功能是錯(cuò)誤的。按照單元測(cè)試應(yīng)該是全面的原則，需要編寫多個(gè)測(cè)試用例。對(duì)于那些簡單的多邊形對(duì)象，可以編寫代碼進(jìn)行構(gòu)建（新建一個(gè)多邊形對(duì)象，定義它的空間參考和所有節(jié)點(diǎn)）。如果是復(fù)雜的多邊形對(duì)象，這種方法會(huì)給編寫單元測(cè)試帶來較大的負(fù)擔(dān)，我們可以從一個(gè)文件中（如Shapefile）讀取一個(gè)多邊形，但是這樣做會(huì)牽扯到更多的與測(cè)試不相關(guān)的對(duì)象（如工作空間，要素類等對(duì)象），降低了單元測(cè)試編寫和執(zhí)行的效率。ArcObjects中有個(gè)IXMLSerialize接口，ArcObjects中有超過340個(gè)類實(shí)現(xiàn)了這個(gè)接口，其中也包括幾何數(shù)據(jù)類，實(shí)現(xiàn)了這個(gè)接口的類，可以將這些類的對(duì)象序列化為xml，也可以從xml中構(gòu)建這些對(duì)象?？梢允褂眠@個(gè)功能在編寫單元測(cè)試時(shí)從xml中構(gòu)建一些復(fù)雜的對(duì)象。一個(gè)名為ArcUnit的開源項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)ArcMap的工具擴(kuò)展，它可以將選中要素的Shape保存成xml文件，方便在編寫單元測(cè)試時(shí)構(gòu)建復(fù)雜的幾何對(duì)象[7]。

5 結(jié)論

編寫單元測(cè)試本身是需要時(shí)間的，但是從長遠(yuǎn)角度來看，單元測(cè)試對(duì)提高團(tuán)隊(duì)開發(fā)的效率和軟件質(zhì)量都有較大的作用，同時(shí)還能改善設(shè)計(jì)，提升bug修復(fù)的效率。因此，很有必要在GIS開發(fā)中編寫單元測(cè)試。在發(fā)現(xiàn)很難對(duì)一些功能代碼編寫單元測(cè)試時(shí)，優(yōu)先考慮改善設(shè)計(jì)，再考慮使用Mock對(duì)象等其他技術(shù)方法，編寫單元測(cè)試。解決了GIS開發(fā)中編寫單元測(cè)試這些細(xì)節(jié)問題，實(shí)踐測(cè)試驅(qū)動(dòng)開發(fā)，以單元測(cè)試作為開發(fā)過程的開端并且將測(cè)試引入到系統(tǒng)開發(fā)的全過程，保證了代碼的階段正確性，避免了沒有單元測(cè)試的GIS開發(fā)中后期集中測(cè)試產(chǎn)生問題時(shí)的舉步維艱，同時(shí)單元測(cè)試代碼這份可以運(yùn)行的文檔可以指導(dǎo)其他開發(fā)者如何使用相應(yīng)的功能代碼。

［1］Dave Bouwman.Developer Survey[EB/OL].http：//blog.davebouwman.com/2008/ 06/04/developer-survey-unit-testing-other-tools/，2008.

［2］Andy Hunt，Dave Thomas，Matt Hargett.Pragmatic Unit Testing in C#with Nunit，Second Edition[M].The Pragmatic Bookshelf，2007.

［3］NUnit.org.NUnit Documentation[EB/OL].http：//www.nuint.org/.

［4］NCover LLC[EB/OL].http：//www.ncover.com/.

［5］TestDriven.Net.Quickstart[EB/OL].http：//www.testdriven.net/quickstart.aspx.

［6］Roy Osherove.The Art of Unit Testing with Examples in.NET[M].Greenwich：Manning,2009.

［7］Brian Noyle，David Bouwman.Unit Testing for Esri Developers[J].ArcUser，2010，Winter：38-41.

王靜］