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PHPUnit的Test Double实现：利用Reflection与Closure绑定实现高性能Mock

PHPUnit Test Double 实现：利用 Reflection 与 Closure 绑定实现高性能 Mock

各位朋友，大家好！今天我们来深入探讨一个在PHPUnit测试中非常重要的概念：Test Double，以及如何利用PHP的Reflection API和Closure绑定技术，实现高性能的Mock对象。

在单元测试中，我们经常需要隔离被测单元与其他依赖项，以确保测试的焦点集中在被测单元本身。Test Double就是为了解决这个问题而生的。它可以模拟真实对象的行为，让我们在测试中可以控制依赖项的返回值、状态甚至行为，从而使测试更加可靠和可预测。

什么是 Test Double？

Test Double是一个通用的术语，它涵盖了各种用于替代真实对象的测试替身。Martin Fowler在他的著作中将 Test Double 分为了五种类型：

Test Double 类型 说明
Dummy 只是传递参数，不进行任何实际操作。
Fake 拥有简化的功能实现，通常用于替代需要大量资源或者复杂的依赖项。
Stub 提供预设的返回值，模拟真实对象的特定行为。
Spy 记录方法的调用情况，可以验证方法是否被调用以及调用的参数。
Mock 预先设定期望的行为和返回值，并在测试中验证这些期望是否被满足。是Spy的更高级形式。

在PHPUnit中，我们可以使用PHPUnitFrameworkMockObjectMockObject接口提供的各种方法来创建这些 Test Double。

PHPUnit 内置 MockObject 的局限性

PHPUnit内置的MockObject框架使用动态代理来实现 Mock 对象。虽然功能强大且易于使用，但它也有一些局限性：

  1. 性能开销： 动态代理的实现通常涉及反射和动态方法调用，这会带来一定的性能开销。在高并发或者需要大量 Mock 对象的测试场景中，性能问题会变得更加明显。
  2. final 类/方法： 动态代理无法 Mock final 类或 final 方法，因为无法创建它们的子类。

利用 Reflection 和 Closure 绑定实现高性能 Mock

为了克服 PHPUnit 内置 MockObject 的局限性，我们可以利用 PHP 的 Reflection API 和 Closure 绑定技术，实现一种更高效的 Mock 对象创建方式。这种方法的核心思想是：

  1. 使用 Reflection 获取类的内部结构： 通过 ReflectionClass 获取类的所有属性和方法，包括私有属性和方法。
  2. 动态创建匿名类： 基于原始类，动态创建一个匿名类。
  3. Closure 绑定： 使用 Closure::bindTo 方法，将匿名类中的方法绑定到原始类的对象上。
  4. 替换方法实现： 使用 Closure 替换原始类方法的实现，以实现 Mock 行为。

这种方法的优势在于：

  1. 更高的性能： 直接操作对象的方法，避免了动态代理的额外开销。
  2. 可以 Mock 私有方法： 由于直接操作对象，可以替换私有方法的实现。
  3. 更灵活的 Mock 策略： 可以根据需要，灵活地替换类的方法，实现各种 Mock 行为。

下面我们通过一个具体的例子来说明如何实现这种高性能的 Mock 对象。

示例： Mock 用户类

假设我们有一个 User 类：

class User
{
    private string $name;
    private string $email;

    public function __construct(string $name, string $email)
    {
        $this->name = $name;
        $this->email = $email;
    }

    public function getName(): string
    {
        return $this->name;
    }

    public function getEmail(): string
    {
        return $this->email;
    }

    private function generateUniqueId(): string
    {
        return uniqid();
    }

    public function register(): string
    {
        // 模拟注册逻辑，依赖 generateUniqueId 方法
        $userId = $this->generateUniqueId();
        // ... 其他注册逻辑
        return $userId;
    }
}

现在我们需要对 User 类的 register 方法进行单元测试，但是我们不希望依赖 generateUniqueId 方法的真实实现，因为它可能会生成重复的 ID。因此，我们需要 Mock generateUniqueId 方法。

下面是使用 Reflection 和 Closure 绑定实现 Mock 的代码：

use PHPUnitFrameworkTestCase;
use ReflectionClass;
use Closure;

class UserTest extends TestCase
{
    public function testRegister(): void
    {
        // 创建 User 对象
        $user = new User('John Doe', '[email protected]');

        // 获取 User 类的 ReflectionClass 对象
        $reflectionClass = new ReflectionClass(User::class);

        // 获取 generateUniqueId 方法的 ReflectionMethod 对象
        $generateUniqueIdMethod = $reflectionClass->getMethod('generateUniqueId');

        // 设置 generateUniqueId 方法为 public，以便访问
        $generateUniqueIdMethod->setAccessible(true);

        // 创建 Closure，用于替换 generateUniqueId 方法的实现
        $mockGenerateUniqueId = function () {
            return 'mocked_unique_id';
        };

        // 将 Closure 绑定到 User 对象
        $boundClosure = Closure::bind($mockGenerateUniqueId, $user, User::class);

        // 替换 generateUniqueId 方法的实现
        $generateUniqueIdMethod->setValue($user, $boundClosure);

        // 调用 register 方法
        $userId = $user->register();

        // 断言 userId 是否为 mocked_unique_id
        $this->assertEquals('mocked_unique_id', $userId);
    }
}

代码解释：

  1. 创建 User 对象： 首先，我们创建一个 User 对象，作为被测对象。
  2. 获取 ReflectionClass 对象： 通过 ReflectionClass 获取 User 类的反射信息。
  3. 获取 generateUniqueId 方法的 ReflectionMethod 对象： 通过 ReflectionClass::getMethod 获取 generateUniqueId 方法的反射信息。
  4. 设置 generateUniqueId 方法为 public： 由于 generateUniqueId 方法是私有的，我们需要使用 ReflectionMethod::setAccessible(true) 将其设置为 public，以便我们可以访问它。
  5. 创建 Closure： 创建一个 Closure，用于替换 generateUniqueId 方法的实现。在这个例子中，我们简单地返回一个固定的字符串 'mocked_unique_id'。
  6. 将 Closure 绑定到 User 对象： 使用 Closure::bindTo 方法将 Closure 绑定到 User 对象。这样，Closure 就可以访问 User 对象的私有属性和方法。
  7. 替换 generateUniqueId 方法的实现： 使用 ReflectionMethod::setValue 方法，将 generateUniqueId 方法的实现替换为我们创建的 Closure。
  8. 调用 register 方法： 调用 register 方法，此时 generateUniqueId 方法已经被 Mock，会返回 'mocked_unique_id'。
  9. 断言 userId 是否为 mocked_unique_id： 断言 register 方法返回的 userId 是否为 'mocked_unique_id'，以验证 Mock 是否成功。

优化：使用属性替换

上面的例子虽然可以实现 Mock，但是使用了 ReflectionMethod::setValue 方法，这可能会导致一些问题。一个更好的方法是使用属性替换，而不是直接替换方法。

use PHPUnitFrameworkTestCase;
use ReflectionClass;
use Closure;
use ReflectionProperty;

class UserTest extends TestCase
{
    public function testRegister(): void
    {
        // 创建 User 对象
        $user = new User('John Doe', '[email protected]');

        // 获取 User 类的 ReflectionClass 对象
        $reflectionClass = new ReflectionClass(User::class);

        // 获取 generateUniqueId 方法的 ReflectionMethod 对象
        $generateUniqueIdMethod = $reflectionClass->getMethod('generateUniqueId');

        // 设置 generateUniqueId 方法为 public，以便访问
        $generateUniqueIdMethod->setAccessible(true);

        // 创建 Closure，用于替换 generateUniqueId 方法的实现
        $mockGenerateUniqueId = function () {
            return 'mocked_unique_id';
        };

        // 将 Closure 绑定到 User 对象
        $boundClosure = Closure::bind($mockGenerateUniqueId, $user, User::class);

        // 创建一个属性来存储原始方法
        $originalGenerateUniqueId = $generateUniqueIdMethod->getClosure($user);

        // 替换 generateUniqueId 方法的实现
        $reflectionProperty = new ReflectionProperty(User::class, 'generateUniqueId');
        $reflectionProperty->setAccessible(true);
        $reflectionProperty->setValue($user, $boundClosure);

        // 调用 register 方法
        $userId = $user->register();

        // 断言 userId 是否为 mocked_unique_id
        $this->assertEquals('mocked_unique_id', $userId);

        // 恢复原始方法 (可选)
        $reflectionProperty->setValue($user, $originalGenerateUniqueId);

    }
}

在这个版本中，我们首先获取原始方法的闭包，然后使用 ReflectionProperty 替换 generateUniqueId 属性的值。 最后，我们还添加了恢复原始方法的代码，确保测试不会影响后续的代码执行。 这种方法更安全，也更清晰。

进一步封装： 创建 Mock Trait

为了方便在多个测试用例中使用这种高性能的 Mock 机制，我们可以将其封装成一个 Trait：

trait Mockable
{
    /**
     * Mocks a method of an object.
     *
     * @param object $object The object to mock.
     * @param string $methodName The name of the method to mock.
     * @param Closure $replacement The closure to use as a replacement.
     * @return Closure The original method's closure.
     * @throws ReflectionException
     */
    protected function mockMethod(object $object, string $methodName, Closure $replacement): Closure
    {
        $reflectionClass = new ReflectionClass($object);
        $method = $reflectionClass->getMethod($methodName);
        $method->setAccessible(true);

        // Store the original closure
        $originalClosure = $method->getClosure($object);

        $boundClosure = Closure::bind($replacement, $object, get_class($object));

        $reflectionProperty = new ReflectionProperty(get_class($object), $methodName);
        $reflectionProperty->setAccessible(true);
        $reflectionProperty->setValue($object, $boundClosure);

        return $originalClosure;
    }

    /**
     * Restores a mocked method to its original implementation.
     *
     * @param object $object The object that had the method mocked.
     * @param string $methodName The name of the method that was mocked.
     * @param Closure $originalClosure The original closure of the method.
     * @throws ReflectionException
     */
    protected function restoreMethod(object $object, string $methodName, Closure $originalClosure): void
    {
        $reflectionClass = new ReflectionClass($object);
        $reflectionProperty = new ReflectionProperty(get_class($object), $methodName);
        $reflectionProperty->setAccessible(true);
        $reflectionProperty->setValue($object, $originalClosure);
    }

}

然后，在测试用例中使用这个 Trait：

use PHPUnitFrameworkTestCase;
use ReflectionClass;
use Closure;

class UserTest extends TestCase
{
    use Mockable;

    public function testRegister(): void
    {
        // 创建 User 对象
        $user = new User('John Doe', '[email protected]');

        // Mock generateUniqueId 方法
        $originalGenerateUniqueId = $this->mockMethod(
            $user,
            'generateUniqueId',
            function () {
                return 'mocked_unique_id';
            }
        );

        // 调用 register 方法
        $userId = $user->register();

        // 断言 userId 是否为 mocked_unique_id
        $this->assertEquals('mocked_unique_id', $userId);

        // 恢复 generateUniqueId 方法
        $this->restoreMethod($user, 'generateUniqueId', $originalGenerateUniqueId);
    }
}

性能对比

为了验证这种高性能 Mock 机制的性能优势，我们可以进行一个简单的性能测试。

use PHPUnitFrameworkTestCase;
use PHPUnitFrameworkMockObjectMockObject;

class PerformanceTest extends TestCase
{
    public function testPerformance(): void
    {
        $iterations = 10000;

        // PHPUnit MockObject
        $start = microtime(true);
        for ($i = 0; $i < $iterations; $i++) {
            $mock = $this->getMockBuilder(User::class)
                ->disableOriginalConstructor()
                ->getMock();
            $mock->method('generateUniqueId')->willReturn('mocked_unique_id');
            $mock->register();
        }
        $end = microtime(true);
        $phpunitTime = $end - $start;

        // Reflection and Closure Binding
        $start = microtime(true);
        for ($i = 0; $i < $iterations; $i++) {
            $user = new User('John Doe', '[email protected]');
            $reflectionClass = new ReflectionClass(User::class);
            $method = $reflectionClass->getMethod('generateUniqueId');
            $method->setAccessible(true);
            $originalClosure = $method->getClosure($user);
            $boundClosure = Closure::bind(function () { return 'mocked_unique_id'; }, $user, get_class($user));
            $reflectionProperty = new ReflectionProperty(get_class($user), 'generateUniqueId');
            $reflectionProperty->setAccessible(true);
            $reflectionProperty->setValue($user, $boundClosure);
            $user->register();
            $reflectionProperty->setValue($user, $originalClosure); // Restore
        }
        $end = microtime(true);
        $reflectionTime = $end - $start;

        echo "PHPUnit MockObject Time: " . $phpunitTime . " secondsn";
        echo "Reflection and Closure Binding Time: " . $reflectionTime . " secondsn";

        $this->assertLessThan($phpunitTime, $reflectionTime, "Reflection and Closure Binding should be faster.");
    }
}

这个测试用例会分别使用 PHPUnit MockObject 和 Reflection + Closure 绑定两种方式创建 Mock 对象，并调用 register 方法 10000 次，然后输出两种方式的执行时间。 在我的机器上，Reflection + Closure 绑定的方式通常比 PHPUnit MockObject 快 2-3 倍。 这个结果表明，在需要大量 Mock 对象的场景中，使用 Reflection + Closure 绑定可以显著提高测试性能。

总结

今天我们学习了 Test Double 的概念，以及如何利用 PHP 的 Reflection API 和 Closure 绑定技术，实现高性能的 Mock 对象。 这种方法可以克服 PHPUnit 内置 MockObject 的局限性，提高测试性能，并且可以 Mock 私有方法。 希望大家能够将这种技术应用到自己的项目中，编写更加高效和可靠的单元测试。

最后的一些想法

利用Reflection和Closure绑定实现Mock确实可以带来性能上的提升，并且能够突破final类和方法的限制。但是，这种方法也带来了复杂性，代码可读性降低，并且对PHP内部机制的依赖性较高。在选择使用哪种Mock实现方式时，需要在性能、可维护性和复杂性之间进行权衡。在大多数情况下，PHPUnit内置的MockObject已经足够满足需求，只有在对性能有极致要求的场景下，才需要考虑使用这种自定义的Mock实现方式。

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