C++ 测试驱动开发（TDD）：编写健壮可靠的代码

好的，各位观众老爷们，今天咱们来聊聊 C++ 界的“先上车后买票”——测试驱动开发（TDD）。别害怕，不是让你真的先花钱再看电影，而是先写测试，再写代码。听起来有点反直觉，但信我，这玩意儿能让你少掉头发，代码更靠谱。

啥是 TDD？别跟我拽英文！

TDD，Test-Driven Development 的缩写。简单来说，就是按照“红-绿-重构”的循环来写代码：

红（Red）： 先写一个测试用例，这个测试用例肯定会失败，因为对应的功能还没实现呢！想象一下，你给你的代码提了个需求，它现在还做不到，所以报错了，一片红。
绿（Green）： 用最快的速度，写出能让测试用例通过的代码。注意，是“最快”，不是“最好”。别想着一步到位，先让它跑起来再说。这时候，你的代码终于能满足需求了，测试通过，一片绿油油的。
重构（Refactor）： 现在，你可以回头看看你的代码，优化一下结构，提高可读性，消除重复代码。让它变得更优雅，更易于维护。这时候，你的代码不但能干活，还长得好看。

为什么要 TDD？难道程序员都是受虐狂？

当然不是！TDD 带来的好处可多了去了：

代码质量更高： 先写测试，迫使你思考代码的边界情况，避免遗漏。毕竟，测试就是你的代码的“质检员”。
设计更清晰： TDD 让你从使用者的角度出发，设计 API 接口会更自然，更易用。想象一下，你是用户，你希望怎么用这个函数？
回归测试更方便： 每次修改代码后，运行测试用例，可以快速发现是否有引入新的 Bug。再也不怕改了一行代码，影响了整个系统。
更自信： 当所有的测试用例都通过时，你会对你的代码充满信心。晚上睡觉都更香了！

废话少说，上代码！

咱们来做一个简单的例子：一个 Calculator 类，它有一个 add 方法，可以计算两个整数的和。

1. 红：先写测试

首先，我们需要一个测试框架。这里我们用 Google Test (gtest)。如果你没有安装 gtest，你需要先安装它。
这里假设你已经安装好gtest

#include "gtest/gtest.h"
#include "calculator.h" // 假设 calculator.h 包含了 Calculator 类的定义

TEST(CalculatorTest, AddTwoPositiveNumbers) {
  Calculator calculator;
  ASSERT_EQ(5, calculator.add(2, 3)); // 断言：2 + 3 应该等于 5
}

TEST(CalculatorTest, AddTwoNegativeNumbers) {
  Calculator calculator;
  ASSERT_EQ(-5, calculator.add(-2, -3)); // 断言：-2 + -3 应该等于 -5
}

TEST(CalculatorTest, AddPositiveAndNegativeNumbers) {
  Calculator calculator;
  ASSERT_EQ(1, calculator.add(3, -2)); // 断言：3 + -2 应该等于 1
}

TEST(CalculatorTest, AddZero) {
  Calculator calculator;
  ASSERT_EQ(5, calculator.add(5, 0)); // 断言：5 + 0 应该等于 5
}

解释一下：

#include "gtest/gtest.h"：引入 Google Test 头文件。
TEST(CalculatorTest, AddTwoPositiveNumbers)：定义一个测试用例，CalculatorTest 是测试套件的名字，AddTwoPositiveNumbers 是测试用例的名字。
Calculator calculator;：创建一个 Calculator 对象。
ASSERT_EQ(5, calculator.add(2, 3));：断言：calculator.add(2, 3) 的返回值应该等于 5。如果不一样，测试就会失败。

现在，如果你编译并运行这个测试，它会失败，因为我们还没有实现 Calculator 类和 add 方法。

2. 绿：让测试通过

接下来，我们要用最快的速度，写出能让测试通过的代码。

// calculator.h
#ifndef CALCULATOR_H
#define CALCULATOR_H

class Calculator {
public:
  int add(int a, int b);
};

#endif

// calculator.cpp
#include "calculator.h"

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

解释一下：

calculator.h：定义了 Calculator 类的声明。
calculator.cpp：实现了 Calculator 类的 add 方法。

现在，重新编译并运行测试，所有的测试用例都应该通过了！一片绿油油的！

3. 重构：优化代码

现在，我们可以回头看看我们的代码，看看有没有可以优化的地方。

在这个例子中，我们的代码已经很简单了，没有什么需要优化的。但是在实际项目中，你可能会遇到更复杂的情况，需要重构代码，提高可读性，消除重复代码。

TDD 的进阶技巧

每次只写一个测试用例： 不要一次性写很多测试用例，每次只写一个，确保这个测试用例能通过后再写下一个。
从小处着手： 从最简单的功能开始，逐步增加复杂度。
保持测试代码简洁易懂： 测试代码也要像生产代码一样，保持简洁易懂。
使用 Mock 对象： 当你的代码依赖于外部系统时，可以使用 Mock 对象来模拟外部系统的行为。

一个更复杂的例子：字符串计算器

让我们来做一个稍微复杂一点的例子：一个字符串计算器。它可以接收一个包含数字的字符串，并计算这些数字的和。

例如：

"" 应该返回 0
"1" 应该返回 1
"1,2" 应该返回 3

1. 红：先写测试

#include "gtest/gtest.h"
#include "string_calculator.h"

TEST(StringCalculatorTest, EmptyString) {
  StringCalculator calculator;
  ASSERT_EQ(0, calculator.add(""));
}

TEST(StringCalculatorTest, SingleNumber) {
  StringCalculator calculator;
  ASSERT_EQ(1, calculator.add("1"));
}

TEST(StringCalculatorTest, TwoNumbers) {
  StringCalculator calculator;
  ASSERT_EQ(3, calculator.add("1,2"));
}

2. 绿：让测试通过

// string_calculator.h
#ifndef STRING_CALCULATOR_H
#define STRING_CALCULATOR_H

#include <string>

class StringCalculator {
public:
  int add(const std::string& numbers);
};

#endif

// string_calculator.cpp
#include "string_calculator.h"
#include <sstream>
#include <numeric>
#include <vector>

int StringCalculator::add(const std::string& numbers) {
  if (numbers.empty()) {
    return 0;
  }

  std::stringstream ss(numbers);
  std::string token;
  int sum = 0;
  while (std::getline(ss, token, ',')) {
    sum += std::stoi(token);
  }
  return sum;
}

解释一下：

如果输入字符串为空，返回 0。
使用 std::stringstream 和 std::getline 将字符串分割成数字。
使用 std::stoi 将字符串转换为整数。
计算所有数字的和。

3. 重构：优化代码

现在，我们可以回头看看我们的代码，看看有没有可以优化的地方。

例如，我们可以将字符串分割成数字的代码提取到一个单独的函数中：

// string_calculator.cpp
#include "string_calculator.h"
#include <sstream>
#include <numeric>
#include <vector>

namespace {
  std::vector<int> parseNumbers(const std::string& numbers) {
    std::vector<int> result;
    std::stringstream ss(numbers);
    std::string token;
    while (std::getline(ss, token, ',')) {
      result.push_back(std::stoi(token));
    }
    return result;
  }
}

int StringCalculator::add(const std::string& numbers) {
  if (numbers.empty()) {
    return 0;
  }

  std::vector<int> parsedNumbers = parseNumbers(numbers);
  return std::accumulate(parsedNumbers.begin(), parsedNumbers.end(), 0);
}

解释一下：

parseNumbers 函数将字符串分割成数字，并返回一个 std::vector<int>。
std::accumulate 函数计算 std::vector<int> 中所有数字的和。

这样，我们的代码就更简洁易懂了。

更进一步：处理不同的分隔符

现在，让我们来增加一些复杂度：允许字符串使用不同的分隔符，例如 ;。

例如：

"1;2" 应该返回 3

1. 红：先写测试

TEST(StringCalculatorTest, DifferentDelimiter) {
  StringCalculator calculator;
  ASSERT_EQ(3, calculator.add("1;2"));
}

2. 绿：让测试通过

// string_calculator.cpp
#include "string_calculator.h"
#include <sstream>
#include <numeric>
#include <vector>
#include <algorithm>

namespace {
  std::vector<int> parseNumbers(const std::string& numbers, char delimiter) {
    std::vector<int> result;
    std::stringstream ss(numbers);
    std::string token;
    while (std::getline(ss, token, delimiter)) {
      result.push_back(std::stoi(token));
    }
    return result;
  }
}

int StringCalculator::add(const std::string& numbers) {
  if (numbers.empty()) {
    return 0;
  }

  char delimiter = ',';
  if (numbers.find(';') != std::string::npos) {
    delimiter = ';';
  }

  std::vector<int> parsedNumbers = parseNumbers(numbers, delimiter);
  return std::accumulate(parsedNumbers.begin(), parsedNumbers.end(), 0);
}

解释一下：

首先，我们检查字符串中是否包含 ;。如果包含，则将分隔符设置为 ;。
然后，我们调用 parseNumbers 函数，并将分隔符作为参数传递。

3. 重构：优化代码

现在，我们可以回头看看我们的代码，看看有没有可以优化的地方。

例如，我们可以将分隔符的判断逻辑提取到一个单独的函数中：

// string_calculator.cpp
#include "string_calculator.h"
#include <sstream>
#include <numeric>
#include <vector>
#include <algorithm>

namespace {
  char determineDelimiter(const std::string& numbers) {
    if (numbers.find(';') != std::string::npos) {
      return ';';
    }
    return ',';
  }

  std::vector<int> parseNumbers(const std::string& numbers, char delimiter) {
    std::vector<int> result;
    std::stringstream ss(numbers);
    std::string token;
    while (std::getline(ss, token, delimiter)) {
      result.push_back(std::stoi(token));
    }
    return result;
  }
}

int StringCalculator::add(const std::string& numbers) {
  if (numbers.empty()) {
    return 0;
  }

  char delimiter = determineDelimiter(numbers);
  std::vector<int> parsedNumbers = parseNumbers(numbers, delimiter);
  return std::accumulate(parsedNumbers.begin(), parsedNumbers.end(), 0);
}

这样，我们的代码就更清晰易懂了。

TDD 的一些注意事项

不要过度测试： 测试的目的是为了保证代码的质量，而不是为了追求测试覆盖率。
不要测试私有方法： 私有方法是类的内部实现细节，不应该被直接测试。你应该测试的是类的公共接口。
保持测试代码的可维护性： 测试代码也需要维护，所以要尽量保持测试代码的简洁易懂。

总结

TDD 是一种非常有效的开发方法，它可以帮助你编写更高质量、更易于维护的代码。虽然一开始可能会觉得有点麻烦，但是一旦你掌握了 TDD 的技巧，你会发现它能大大提高你的开发效率。

希望今天的讲座对你有所帮助！记住，多练习，多实践，你也能成为 TDD 高手！
下次见！

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