PHP中的属性测试（Property-Based Testing）：利用PHPUnit或Pest验证代码的泛化正确性 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

PHP 中的属性测试：验证代码的通用正确性

大家好，今天我们来聊聊一个在 PHP 开发中相对小众，但威力强大的测试方法：属性测试（Property-Based Testing），也称为基于属性的测试。

传统单元测试的局限性

在深入属性测试之前，我们先回顾一下传统的单元测试。通常，我们会针对一个函数或方法，编写一系列断言，验证在特定输入下，输出是否符合预期。

例如，我们有一个函数 add，用于计算两个数字的和：

<?php

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

传统的单元测试可能如下所示：

<?php

use PHPUnitFrameworkTestCase;

class AddTest extends TestCase
{
    public function testAddPositiveNumbers(): void
    {
        $this->assertEquals(5, add(2, 3));
    }

    public function testAddNegativeNumbers(): void
    {
        $this->assertEquals(-5, add(-2, -3));
    }

    public function testAddPositiveAndNegativeNumbers(): void
    {
        $this->assertEquals(1, add(3, -2));
    }

    public function testAddZero(): void
    {
        $this->assertEquals(3, add(3, 0));
    }
}

这种测试方式存在几个问题：

测试用例有限： 我们只能测试有限数量的输入组合。很难覆盖所有可能的情况，尤其是当输入参数的取值范围很大时。
容易遗漏边界情况： 我们可能会忘记一些重要的边界条件，例如极大值、极小值、零等。
测试用例的编写需要人工干预： 我们需要手动设计每个测试用例，这既耗时又容易出错。
维护成本高： 当函数逻辑发生变化时，可能需要修改大量的测试用例。

属性测试的原理

属性测试的核心思想是：不针对具体的输入值进行测试，而是针对代码的通用属性进行测试。

什么叫做通用属性？通用属性是指代码应该始终满足的某种不变的性质，无论输入是什么。

例如，对于 add 函数，一个通用属性是：加法满足交换律。 也就是说，add(a, b) 应该始终等于 add(b, a)，无论 a 和 b 是什么数字。

属性测试的工作方式如下：

定义属性： 描述代码应该满足的通用属性。
生成随机输入： 自动生成大量的随机输入数据。
验证属性： 使用生成的随机输入数据，验证代码是否满足定义的属性。
缩小范围： 如果发现违反属性的输入，尝试缩小输入的范围，找到最小的反例。

使用 `Prophecy` 和 `Faker` 实现属性测试

虽然 PHPUnit 和 Pest 本身没有直接支持属性测试的框架，但我们可以结合 Prophecy (用于生成随机数据) 和 Faker (用于生成更逼真的随机数据) 来实现属性测试。

首先，我们需要安装这两个库：

composer require prophecy/prophecy fakerphp/faker --dev

下面是一个使用 PHPUnit 和 Faker 实现 add 函数属性测试的例子：

<?php

use PHPUnitFrameworkTestCase;
use FakerFactory;

class AddPropertyTest extends TestCase
{
    public function testAddIsCommutative(): void
    {
        $faker = Factory::create();

        for ($i = 0; $i < 100; $i++) {
            $a = $faker->randomNumber();
            $b = $faker->randomNumber();

            $this->assertEquals(add($a, $b), add($b, $a), "Failed for a = $a and b = $b");
        }
    }

    public function testAddIsAssociative(): void
    {
        $faker = Factory::create();

        for ($i = 0; $i < 100; $i++) {
            $a = $faker->randomNumber();
            $b = $faker->randomNumber();
            $c = $faker->randomNumber();

            $this->assertEquals(add(add($a, $b), $c), add($a, add($b, $c)), "Failed for a = $a, b = $b and c = $c");
        }
    }
}

在这个例子中：

testAddIsCommutative 方法测试加法的交换律。
testAddIsAssociative 方法测试加法的结合律。
我们使用 Faker 生成 100 组随机的整数，然后使用 assertEquals 断言来验证属性是否成立。
如果断言失败，我们会输出失败的输入值，方便调试。

更复杂的例子：排序算法

让我们来看一个更复杂的例子：排序算法。

<?php

function sortArray(array $arr): array
{
    sort($arr);
    return $arr;
}

我们可以使用属性测试来验证排序算法的正确性。一个重要的属性是：排序后的数组应该包含与原始数组相同的元素，只是顺序不同。

<?php

use PHPUnitFrameworkTestCase;
use FakerFactory;

class SortArrayPropertyTest extends TestCase
{
    public function testSortArrayContainsSameElements(): void
    {
        $faker = Factory::create();

        for ($i = 0; $i < 100; $i++) {
            $originalArray = [];
            $arraySize = $faker->numberBetween(1, 20); // 数组大小在 1 到 20 之间
            for ($j = 0; $j < $arraySize; $j++) {
                $originalArray[] = $faker->randomNumber();
            }

            $sortedArray = sortArray($originalArray);

            sort($originalArray); // 对原始数组进行排序，以便比较

            $this->assertEquals($originalArray, $sortedArray, "Failed for array: " . json_encode($originalArray));
        }
    }

    public function testSortArrayIsOrdered(): void
    {
        $faker = Factory::create();

        for ($i = 0; $i < 100; $i++) {
            $originalArray = [];
            $arraySize = $faker->numberBetween(1, 20);
            for ($j = 0; $j < $arraySize; $j++) {
                $originalArray[] = $faker->randomNumber();
            }

            $sortedArray = sortArray($originalArray);

            $isOrdered = true;
            for ($k = 1; $k < count($sortedArray); $k++) {
                if ($sortedArray[$k - 1] > $sortedArray[$k]) {
                    $isOrdered = false;
                    break;
                }
            }

            $this->assertTrue($isOrdered, "Failed for array: " . json_encode($originalArray));
        }
    }
}

在这个例子中：

testSortArrayContainsSameElements 方法测试排序后的数组是否包含与原始数组相同的元素。
testSortArrayIsOrdered 方法测试排序后的数组是否是有序的。
我们首先生成一个随机大小的数组，并填充随机的整数。
然后，我们调用 sortArray 函数对数组进行排序。
最后，我们使用断言来验证属性是否成立。

属性测试的优势

与传统的单元测试相比，属性测试具有以下优势：

更高的代码覆盖率： 属性测试可以自动生成大量的随机输入，从而覆盖更多的代码路径。
更强的错误发现能力： 属性测试可以发现一些难以通过手动编写测试用例发现的边界情况和隐藏错误。
更低的维护成本： 当函数逻辑发生变化时，通常只需要修改属性定义，而不需要修改大量的测试用例。
更好的代码理解： 属性测试可以帮助我们更好地理解代码的通用属性，从而编写更健壮的代码。

属性测试的局限性

属性测试也有一些局限性：

需要定义合适的属性： 定义合适的属性需要一定的技巧和经验。
可能难以调试： 当属性测试失败时，可能需要花费一些时间来分析失败的原因。
无法测试所有类型的代码： 属性测试更适合测试纯函数和具有明确输入输出的代码。对于涉及副作用或状态变化的代码，属性测试可能不太适用。
依赖于随机数据的质量： 如果随机数据的质量不高，可能会影响测试效果。

如何选择合适的属性

选择合适的属性是属性测试的关键。以下是一些常用的属性类型：

不变性： 某些值或状态在操作前后应该保持不变。例如，排序后的数组应该包含与原始数组相同的元素。
幂等性： 多次执行相同的操作应该产生相同的结果。例如，设置缓存的操作应该是幂等的。
交换律： 改变操作的顺序不应该影响结果。例如，加法满足交换律。
结合律： 改变操作的结合方式不应该影响结果。例如，加法满足结合律。
逆运算： 存在一个逆运算可以撤销原始操作。例如，加密和解密是逆运算。
关系约束： 输入和输出之间应该满足某种关系。例如，排序后的数组应该是单调递增的。

在选择属性时，应该尽量选择简单、明确、容易验证的属性。

属性测试的最佳实践

以下是一些属性测试的最佳实践：

从简单的属性开始： 先从一些简单的属性开始，逐步增加复杂性。
使用合适的随机数据生成器： 选择合适的随机数据生成器，生成高质量的随机数据。
缩小范围： 当属性测试失败时，尝试缩小输入的范围，找到最小的反例。
结合传统的单元测试： 属性测试可以作为传统单元测试的补充，而不是替代。
持续集成： 将属性测试集成到持续集成流程中，及时发现问题。

属性测试的应用场景

属性测试可以应用于各种类型的代码，例如：

数学函数： 例如，加法、乘法、除法、平方根等。
数据结构： 例如，数组、链表、树、图等。
排序算法： 例如，冒泡排序、快速排序、归并排序等。
搜索算法： 例如，二分查找、深度优先搜索、广度优先搜索等。
编译器： 例如，词法分析器、语法分析器、代码生成器等。
数据库： 例如，查询优化器、事务管理器等。
加密算法： 例如，对称加密、非对称加密、哈希算法等。

结论：属性测试的价值

属性测试是一种强大的测试技术，可以帮助我们发现代码中的隐藏错误，提高代码的质量和可靠性。虽然属性测试的学习曲线可能比较陡峭，但一旦掌握了这种技术，将会受益匪浅。通过定义代码的通用属性并使用随机数据进行验证，我们可以更加自信地保证代码的正确性。

属性测试：代码质量保障的新视角

属性测试提供了一种新的视角来验证代码的正确性，它侧重于代码的通用属性，而不是特定的输入输出，这使得我们能够发现传统单元测试难以发现的边界情况和隐藏错误，从而提高代码质量和可靠性。