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PHP变异测试（Mutation Testing）：使用Infection框架评估单元测试的真实质量

好的，我们开始今天的讲座，主题是PHP变异测试，以及如何使用Infection框架来评估单元测试的真实质量。

引言：单元测试的局限性

单元测试是软件开发中至关重要的一环，它能验证代码的各个独立单元是否按照预期工作。然而，仅仅依靠代码覆盖率来判断单元测试的质量是远远不够的。即使你的单元测试覆盖了100%的代码，也并不意味着你的测试是有效的，能够真正捕获代码中的错误。

问题在于，传统的代码覆盖率指标只关注哪些代码行被执行了，而不关心这些代码行是否被充分测试。举个简单的例子，一个条件判断语句 if ($x > 0)，即使你的单元测试覆盖了 x > 0 的情况，它也可能遗漏了 x <= 0 的情况，或者没有验证 x 等于 0 时的行为。

什么是变异测试？

变异测试（Mutation Testing）是一种评估单元测试有效性的强大技术。它的核心思想是：通过对原始代码进行微小的修改（称为变异体，Mutants），然后运行现有的单元测试来检验这些测试是否能够检测到这些变异。

如果一个单元测试能够检测到某个变异体，说明这个测试是有效的，能够捕获对应的错误。如果所有单元测试都无法检测到某个变异体，说明这个变异体存活了下来，意味着现有的测试对这部分代码的覆盖不足，或者测试逻辑不够严谨。

变异测试的工作流程

  1. 生成变异体： 变异测试工具会对原始代码进行各种微小的修改，例如：
    • 将 + 修改为 -
    • 将 > 修改为 >=
    • 将 true 修改为 false
    • 删除一行代码
    • 替换变量
  2. 运行测试： 对每一个生成的变异体，都运行一遍现有的单元测试。
  3. 分析结果：
    • 被杀死（Killed）： 如果单元测试失败，说明测试能够检测到这个变异体，这个变异体就被“杀死”了。
    • 存活（Survived）： 如果所有单元测试都通过，说明测试无法检测到这个变异体，这个变异体就“存活”下来了。
    • 逃逸（Escaped）： 变异体导致编译错误或者运行时异常，未能成功执行测试。
    • 超时（Timeout）： 运行测试的时间超过预设的阈值。
    • 无覆盖（No Coverage）： 变异体未被任何测试覆盖。
  4. 评估测试质量： 根据被杀死的变异体数量和存活的变异体数量，可以计算出一个变异得分（Mutation Score），用来衡量单元测试的质量。

变异得分（Mutation Score）的计算

变异得分是衡量单元测试有效性的一个重要指标。它的计算公式如下：

Mutation Score = (被杀死的变异体数量 / (总变异体数量 - 逃逸的变异体数量 - 超时的变异体数量 - 无覆盖的变异体数量)) * 100%

通常来说，变异得分越高，说明单元测试的质量越高。一个好的单元测试应该能够杀死大部分变异体。

Infection：PHP的变异测试框架

Infection是一个流行的PHP变异测试框架。它提供了丰富的功能和易用的接口，可以帮助你快速地进行变异测试，并提升单元测试的质量。

安装Infection

你可以使用Composer来安装Infection：

composer require infection/infection --dev

配置Infection

Infection需要一个配置文件 infection.php，用来指定需要进行变异测试的代码目录、测试目录、以及其他配置选项。

一个典型的 infection.php 配置文件如下：

<?php

declare(strict_types=1);

use InfectionConfigurationConfiguration;
use InfectionConfigurationConfigurationBuilder;
use SymfonyComponentFinderFinder;

$config = [
    'source' => [
        'directories' => [
            'src' // 你的源代码目录
        ],
        'excludes' => [
            'src/DataFixtures' // 排除的目录 (例如：数据填充)
        ]
    ],
    'paths' => [
        'src'
    ],
    'timeout' => 10,
    'phpUnit' => [
        'configDir' => '.', // phpunit.xml 或 phpunit.xml.dist 所在的目录
        'customPath' => 'vendor/bin/phpunit' // phpunit 可执行文件的路径
    ],
    'logs' => [
        'summary' => 'infection.log',
        'per_mutator' => 'infection_per_mutator.log',
    ],
    'tmpDir' => '.infection',
    'mutators' => [
        '@default', // 使用默认的mutator
    ],
];

if (file_exists(__DIR__ . '/phpunit.xml.dist')) {
    $config['phpUnit']['configDir'] = __DIR__;
} elseif (file_exists(__DIR__ . '/phpunit.xml')) {
    $config['phpUnit']['configDir'] = __DIR__;
}

return $config;

配置文件参数说明

参数 说明
source 指定源代码目录。
source.directories 源代码目录的数组。Infection会扫描这些目录下的PHP文件。
source.excludes 排除的目录数组。Infection会忽略这些目录下的PHP文件。
paths 指定需要变异测试的文件或目录。这个配置和source配合使用，可以更精确地控制需要进行变异测试的代码。
timeout 每个变异体运行测试的超时时间，单位为秒。
phpUnit PHPUnit的配置。
phpUnit.configDir phpunit.xml 或 phpunit.xml.dist 所在的目录。
phpUnit.customPath PHPUnit可执行文件的路径。如果PHPUnit在vendor/bin/phpunit目录下，则无需修改。
logs 指定日志文件的路径。
tmpDir 指定临时目录，Infection会在这个目录下生成变异体文件。
mutators 指定使用的变异器（Mutators）。变异器定义了如何修改代码。@default表示使用默认的变异器集合。

常用的Mutators

Mutators是变异测试的核心，它定义了如何修改代码。Infection提供了丰富的Mutators，可以模拟各种常见的错误。

Mutator 说明 示例
BinaryArithmetic 修改二元算术运算符，例如：将 + 修改为 -、* 修改为 / 等。 $x + $y -> $x - $y
BooleanSubstitution 替换布尔值，例如：将 true 修改为 false，将 false 修改为 true。 if ($x > 0 && $y < 10) -> if ($x > 0 && true)
ConditionalBoundary 修改条件边界，例如：将 > 修改为 >=，将 < 修改为 <=。 if ($x > 0) -> if ($x >= 0)
DecrementInteger 递减整数，例如：将 $x++ 修改为 $x--，将 $x = 10 修改为 $x = 9。 $x++ -> $x--
IncrementInteger 递增整数，例如：将 $x-- 修改为 $x++，将 $x = 10 修改为 $x = 11。 $x-- -> $x++
ReturnValRector 修改函数的返回值，例如：将 return true 修改为 return false，将 return $x 修改为 return null。 return true -> return false
VoidMethodCall 删除 void 方法的调用。 $this->doSomething() -> “ (删除该行代码)
IfStmt 替换if语句的内容，将if语句块替换成true或者false。 if ($x > 0) { $y = 1; } -> if (true) { $y = 1; } 或 if (false) { $y = 1; }
ElseStmt 替换else语句的内容，将else语句块替换成true或者false。 if ($x > 0) { $y = 1; } else { $y = 2; } -> if ($x > 0) { $y = 1; } else { true; } 或 if ($x > 0) { $y = 1; } else { false; }
ArrayItemRemoval 移除数组中的一个元素。 $arr = [1, 2, 3]; -> $arr = [2, 3]; 或 $arr = [1, 3]; 或 $arr = [1, 2];
FinallyStmt 从try-catch-finally 块中移除 finally 语句。 try { ... } catch (Exception $e) { ... } finally { cleanup(); } -> try { ... } catch (Exception $e) { ... }

运行Infection

配置完成后，你就可以运行Infection了：

./vendor/bin/infection

Infection会扫描你的代码，生成变异体，并运行单元测试。运行完成后，它会生成一份详细的报告，告诉你哪些变异体被杀死了，哪些变异体存活下来了。

示例：使用Infection改进单元测试

假设我们有如下的简单类 Calculator：

<?php

declare(strict_types=1);

namespace App;

class Calculator
{
    public function add(int $a, int $b): int
    {
        return $a + $b;
    }

    public function divide(int $a, int $b): int
    {
        if ($b === 0) {
            throw new InvalidArgumentException('Division by zero.');
        }

        return $a / $b;
    }
}

对应的单元测试 CalculatorTest 如下：

<?php

declare(strict_types=1);

namespace AppTests;

use AppCalculator;
use PHPUnitFrameworkTestCase;

class CalculatorTest extends TestCase
{
    public function testAdd(): void
    {
        $calculator = new Calculator();
        $this->assertEquals(4, $calculator->add(2, 2));
    }

    public function testDivide(): void
    {
        $calculator = new Calculator();
        $this->assertEquals(2, $calculator->divide(4, 2));
    }
}

现在我们运行Infection来评估一下这个单元测试的质量。

./vendor/bin/infection

运行结果可能会显示，testAdd 方法的变异得分较低，因为Infection会生成例如 return $a - $b; 这样的变异体，而现有的测试无法检测到。

为了提高测试质量，我们可以增加一个测试用例，来覆盖 add 方法的其他情况：

<?php

declare(strict_types=1);

namespace AppTests;

use AppCalculator;
use PHPUnitFrameworkTestCase;

class CalculatorTest extends TestCase
{
    public function testAdd(): void
    {
        $calculator = new Calculator();
        $this->assertEquals(4, $calculator->add(2, 2));
        $this->assertEquals(0, $calculator->add(-2, 2)); // 添加新的测试用例
    }

    public function testDivide(): void
    {
        $calculator = new Calculator();
        $this->assertEquals(2, $calculator->divide(4, 2));
    }
}

再次运行Infection，你会发现 testAdd 方法的变异得分提高了。

对于 divide 方法，虽然我们已经测试了正常情况，但是没有测试除数为0的情况。为了提高测试的完整性，我们需要添加一个测试用例来验证除数为0时是否抛出异常：

<?php

declare(strict_types=1);

namespace AppTests;

use AppCalculator;
use PHPUnitFrameworkTestCase;

class CalculatorTest extends TestCase
{
    public function testAdd(): void
    {
        $calculator = new Calculator();
        $this->assertEquals(4, $calculator->add(2, 2));
        $this->assertEquals(0, $calculator->add(-2, 2));
    }

    public function testDivide(): void
    {
        $calculator = new Calculator();
        $this->assertEquals(2, $calculator->divide(4, 2));
    }

    public function testDivideByZero(): void
    {
        $this->expectException(InvalidArgumentException::class);
        $calculator = new Calculator();
        $calculator->divide(1, 0);
    }
}

添加了这个测试用例后，divide 方法的测试更加完善了，也能够杀死更多的变异体。

使用Baseline功能加速测试

Infection提供了一个 Baseline 功能，可以用来保存第一次运行的结果。之后再次运行的时候，Infection 会跳过那些已经存活的 Mutator，只测试那些之前被杀死的 Mutator，从而大大提高测试速度。

使用 Baseline 功能的步骤如下：

  1. 第一次运行 Infection，生成初始报告。

  2. 使用 --save-baseline 参数保存 Baseline 文件：

    ./vendor/bin/infection --save-baseline

    这会在项目根目录下生成一个 infection.baseline.json 文件。

  3. 之后运行 Infection 时，会自动加载 Baseline 文件，跳过已经存活的 Mutator。

持续集成中的变异测试

将变异测试集成到持续集成（CI）流程中，可以确保代码质量得到持续的监控和改进。你可以在CI服务器上配置Infection，每次代码提交时自动运行变异测试，并根据变异得分来判断构建是否成功。如果变异得分低于预设的阈值，则可以认为代码质量不达标，阻止代码合并。

变异测试的挑战

  • 计算成本高： 变异测试需要对每一个变异体都运行一遍单元测试，因此计算成本非常高，尤其是对于大型项目。
  • 等价变异体： 有些变异体虽然修改了代码，但是程序的行为并没有改变，这些变异体被称为等价变异体。等价变异体会影响变异得分的准确性，需要人工分析和排除。
  • 配置复杂： Infection的配置选项比较多，需要花费一些时间来理解和配置。

克服变异测试的挑战

  • 选择合适的Mutators： 根据项目的特点，选择合适的Mutators可以减少不必要的计算量。
  • 使用Baseline功能： 使用Baseline功能可以大大提高测试速度。
  • 并行执行： Infection支持并行执行，可以利用多核CPU来加速测试。
  • 逐步改进： 不要试图一次性杀死所有的变异体，可以逐步改进单元测试，每次杀死一部分变异体。

总结

变异测试是一种强大的单元测试评估技术，它可以帮助你发现单元测试的盲点，提升测试的质量。Infection是一个流行的PHP变异测试框架，提供了丰富的功能和易用的接口。虽然变异测试存在一些挑战，但是通过合理的配置和优化，它可以成为你代码质量保证体系中不可或缺的一部分。通过变异测试，可以增强对代码的信心，减少潜在的bug，并最终提升软件的可靠性和可维护性。

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