PHP Mutation Testing实战：在生产环境代码中应用Infection工具集的配置 - 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

好的，我们开始。

PHP Mutation Testing 实战：在生产环境代码中应用 Infection 工具集的配置

大家好，今天我们要深入探讨 PHP Mutation Testing，并重点讲解如何在生产环境代码中应用 Infection 工具集。Mutation Testing 是一种强大的软件测试技术，它通过修改源代码（引入“突变”）来评估测试套件的有效性。如果测试套件能够检测到这些突变，则说明测试质量较高；反之，则表明测试可能存在漏洞。

Infection 是 PHP 中一个流行的 Mutation Testing 工具，它易于使用、高度可配置，并且与 PHPUnit 等测试框架无缝集成。

1. 什么是 Mutation Testing？

传统单元测试侧重于验证代码是否按照预期工作。然而，即使所有单元测试都通过，也不能保证代码的正确性和健壮性。可能存在一些隐藏的错误或边界情况，测试用例没有覆盖到。

Mutation Testing 通过模拟错误来评估测试套件的质量。具体来说，它会对源代码进行微小的修改（例如，将 + 替换为 -，将 > 替换为 <= 等），从而生成“突变体”。然后，运行测试套件来检查是否能检测到这些突变体。

突变体 (Mutant): 源代码的一个修改版本。
杀死 (Kill): 当测试套件中的一个或多个测试用例失败时，该突变体被视为“杀死”。这意味着测试套件能够检测到这个错误。
存活 (Survive): 当所有测试用例都通过时，该突变体被视为“存活”。这意味着测试套件未能检测到这个错误。
逃逸 (Escape): 指的是mutation testing工具无法生成mutant的情况，例如语法错误或其他无法修改的代码。
无作用 (No Effect): 指的是mutation testing生成的mutant，但运行测试后结果没有变化，测试仍然通过，但实际上该mutant没有改变程序的行为。这种情况通常是因为测试覆盖率不够，或者mutant修改的代码逻辑在当前测试用例下没有被执行到。

Mutation Score 是衡量测试套件质量的一个指标，计算公式如下：

Mutation Score = (被杀死的突变体数量 / 总突变体数量) * 100%

Mutation Score 越高，说明测试套件的质量越高。

2. Infection 工具集简介

Infection 是一个开源的 PHP Mutation Testing 框架。它具有以下特点：

易于安装和使用: 可以通过 Composer 安装，并提供简单的命令行界面。
高度可配置: 可以自定义突变体生成规则、测试套件配置等。
与 PHPUnit 集成: 可以直接在 PHPUnit 测试套件上运行 Mutation Testing。
支持多种突变体生成器: 提供了多种内置的突变体生成器，可以针对不同的代码结构进行突变。
友好的报告: 生成详细的报告，显示哪些突变体被杀死，哪些突变体存活。

3. 安装和配置 Infection

首先，确保你的 PHP 项目已经使用 Composer 进行依赖管理。然后，可以通过以下命令安装 Infection：

composer require infection/infection --dev

安装完成后，需要创建一个 infection.php 配置文件。该文件用于配置 Infection 的各种选项，例如测试套件的位置、要突变的文件或目录、突变体生成器等。

一个简单的 infection.php 配置文件可能如下所示：

<?php

declare(strict_types=1);

use InfectionConfigurationConfiguration;
use InfectionConfigurationFileLocator;
use InfectionConfigurationPathsConfiguration;
use InfectionMutatorArithmeticPlus;

return Configuration::build()
    ->setPaths(
        new PathsConfiguration(
            [
                'src' // 你的源代码目录
            ],
            [
                'tests' // 你的测试代码目录
            ],
            [
                'vendor' // 排除 vendor 目录
            ]
        )
    )
    ->setTimeout(10)
    ->setMutators([
        Plus::class,
    ])
    ->get();

配置项说明:

paths: 定义要进行 Mutation Testing 的文件和目录。source 数组指定源代码目录，test 数组指定测试代码目录，exclude 数组指定要排除的目录。
timeout: 设置每个突变体的最大执行时间（秒）。如果突变体执行时间超过此限制，则被视为“超时”。
mutators: 指定要使用的突变体生成器。这里只使用了 Plus 突变体生成器，它会将 + 替换为 -。

4. 在生产环境代码中应用 Infection

在生产环境代码中应用 Infection 需要谨慎操作，因为 Mutation Testing 可能会对代码产生影响。建议在 CI/CD 流程中集成 Infection，并在非生产环境中运行。

以下是在生产环境代码中应用 Infection 的一些最佳实践：

选择合适的突变体生成器: 根据代码的特点选择合适的突变体生成器。例如，如果代码中大量使用了算术运算，则可以使用 Plus、Minus、Mul、Div 等突变体生成器。
排除不必要的目录和文件: 排除不必要的目录和文件，例如 vendor 目录、配置文件等。
设置合理的超时时间: 设置合理的超时时间，避免 Mutation Testing 占用过多的资源。
使用代码覆盖率报告: 结合代码覆盖率报告，可以更准确地评估测试套件的质量。只有被测试覆盖的代码才能被有效地评估。
逐步提高 Mutation Score: 不要期望一次性达到很高的 Mutation Score。可以逐步增加测试用例，提高代码覆盖率，并优化测试套件。

示例：

假设我们有以下简单的类 Calculator：

<?php

declare(strict_types=1);

namespace App;

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

    public function subtract(int $a, int $b): int
    {
        return $a - $b;
    }
}

以及对应的测试类 CalculatorTest：

<?php

declare(strict_types=1);

namespace AppTests;

use AppCalculator;
use PHPUnitFrameworkTestCase;

class CalculatorTest extends TestCase
{
    public function testAdd(): void
    {
        $calculator = new Calculator();
        $this->assertEquals(5, $calculator->add(2, 3));
    }

    public function testSubtract(): void
    {
        $calculator = new Calculator();
        $this->assertEquals(1, $calculator->subtract(3, 2));
    }
}

现在，我们可以使用 Infection 对 Calculator 类进行 Mutation Testing。首先，修改 infection.php 配置文件，指定 src 和 tests 目录：

<?php

declare(strict_types=1);

use InfectionConfigurationConfiguration;
use InfectionConfigurationFileLocator;
use InfectionConfigurationPathsConfiguration;
use InfectionMutatorArithmeticPlus;
use InfectionMutatorArithmeticMinus;

return Configuration::build()
    ->setPaths(
        new PathsConfiguration(
            [
                'src' // 你的源代码目录
            ],
            [
                'tests' // 你的测试代码目录
            ],
            [
                'vendor' // 排除 vendor 目录
            ]
        )
    )
    ->setTimeout(10)
    ->setMutators([
        Plus::class,
        Minus::class,
    ])
    ->get();

然后，运行 Infection 命令：

./vendor/bin/infection

Infection 将会分析 Calculator 类，生成突变体，并运行测试套件。报告会显示哪些突变体被杀死，哪些突变体存活。

分析报告:

假设 Infection 报告显示，add 方法的 + 突变为 - 的突变体被杀死了，而 subtract 方法的 - 突变为 + 的突变体也被杀死了。这意味着我们的测试套件能够检测到这些简单的错误。

现在，我们考虑增加一个测试用例来覆盖 subtract 方法可能出现的边界情况，比如负数结果。

<?php

declare(strict_types=1);

namespace AppTests;

use AppCalculator;
use PHPUnitFrameworkTestCase;

class CalculatorTest extends TestCase
{
    public function testAdd(): void
    {
        $calculator = new Calculator();
        $this->assertEquals(5, $calculator->add(2, 3));
    }

    public function testSubtract(): void
    {
        $calculator = new Calculator();
        $this->assertEquals(1, $calculator->subtract(3, 2));
        $this->assertEquals(-1, $calculator->subtract(2,3)); // New test case
    }
}

再次运行 Infection，确保新增的测试用例也能杀死对应的突变体。

5. 高级配置

Infection 提供了许多高级配置选项，可以根据项目的具体需求进行定制。

5.1. 突变体生成器:

Infection 提供了多种内置的突变体生成器，可以针对不同的代码结构进行突变。常用的突变体生成器包括：

Arithmetic: 用于算术运算的突变，例如 + 变为 -，* 变为 / 等。
Boolean: 用于布尔运算的突变，例如 true 变为 false，&& 变为 || 等。
ConditionalBoundary: 用于条件边界的突变，例如 > 变为 >=，< 变为 <= 等。
FunctionCall: 用于函数调用的突变，例如删除函数调用，修改函数参数等。
Return: 用于返回语句的突变，例如删除返回语句，修改返回值等。
Plus: 将加法运算符 (+) 突变为减法运算符 (-)。
Minus: 将减法运算符 (-) 突变为加法运算符 (+)。
Mul: 将乘法运算符 (*) 突变为除法运算符 (/)。
Div: 将除法运算符 (/) 突变为乘法运算符 (*)。
Increment: 将递增运算符 (++) 突变为递减运算符 (–)。
Decrement: 将递减运算符 (–) 突变为递增运算符 (++)。
Equal: 将相等运算符 (==) 突变为不等运算符 (!=)。
NotEqual: 将不等运算符 (!=) 突变为相等运算符 (==)。
Identical: 将恒等运算符 (===) 突变为非恒等运算符 (!==)。
NotIdentical: 将非恒等运算符 (!==) 突变为恒等运算符 (===)。
GreaterThan: 将大于运算符 (>) 突变为小于等于运算符 (<=)。
LessThan: 将小于运算符 (<) 突变为大于等于运算符 (>=)。
GreaterThanOrEqual: 将大于等于运算符 (>=) 突变为小于运算符 (<)。
LessThanOrEqual: 将小于等于运算符 (<=) 突变为大于运算符 (>)。
LogicalAnd: 将逻辑与运算符 (&&) 突变为逻辑或运算符 (||)。
LogicalOr: 将逻辑或运算符 (||) 突变为逻辑与运算符 (&&)。
Assign: 将赋值运算符 (=) 突变为加等于运算符 (+=) 或减等于运算符 (-=)。
ArrayItem: 删除数组中的一个元素。
Yield: 删除 yield 语句。
New_: 删除 new 关键字，导致对象实例化失败。
PublicVisibility: 将 public 方法的可见性更改为 protected。
ProtectedVisibility: 将 protected 方法的可见性更改为 private。
Void_: 删除无返回值的函数的 void 返回类型声明。
Else_: 删除 if 语句中的 else 分支。
Finally_: 删除 try-catch 语句中的 finally 块。
Throw_: 删除 throw 语句。
Unwrap: 用于解包某些结构，例如删除括号。

可以在 infection.php 配置文件中指定要使用的突变体生成器：

<?php

declare(strict_types=1);

use InfectionConfigurationConfiguration;
use InfectionConfigurationFileLocator;
use InfectionConfigurationPathsConfiguration;
use InfectionMutatorArithmeticPlus;
use InfectionMutatorBooleanTrueValue;

return Configuration::build()
    ->setPaths(
        new PathsConfiguration(
            [
                'src'
            ],
            [
                'tests'
            ],
            [
                'vendor'
            ]
        )
    )
    ->setTimeout(10)
    ->setMutators([
        Plus::class,
        TrueValue::class,
    ])
    ->get();

5.2. 排除文件和目录:

可以使用 exclude 数组排除不必要的文件和目录。例如，排除 vendor 目录、配置文件等。

<?php

declare(strict_types=1);

use InfectionConfigurationConfiguration;
use InfectionConfigurationFileLocator;
use InfectionConfigurationPathsConfiguration;
use InfectionMutatorArithmeticPlus;

return Configuration::build()
    ->setPaths(
        new PathsConfiguration(
            [
                'src'
            ],
            [
                'tests'
            ],
            [
                'vendor', // 排除 vendor 目录
                'config'  // 排除 config 目录
            ]
        )
    )
    ->setTimeout(10)
    ->setMutators([
        Plus::class,
    ])
    ->get();

5.3. 白名单和黑名单:

可以使用白名单和黑名单来控制哪些文件和目录进行 Mutation Testing。白名单指定要包含的文件和目录，黑名单指定要排除的文件和目录。

5.4. 命令行选项:

Infection 提供了许多命令行选项，可以控制 Mutation Testing 的行为。例如，可以使用 --threads 选项指定并发执行的线程数，使用 --coverage 选项指定代码覆盖率报告的位置。

5.5 自定义 Mutator

Infection允许你创建自己的Mutator，以满足特定的需求。首先，创建一个类，该类实现InfectionMutatorMutator接口。然后，实现mutate方法，该方法接受一个PhpParserNode对象作为参数，并返回一个修改后的Node对象。最后，在infection.php配置文件中注册你的Mutator。

6. CI/CD 集成

将 Infection 集成到 CI/CD 流程中可以自动化 Mutation Testing，并及时发现测试套件的漏洞。

以下是在 GitLab CI 中集成 Infection 的一个示例：

stages:
  - test
  - mutation

test:
  image: php:8.1
  services:
    - mysql:5.7
  variables:
    MYSQL_DATABASE: test_db
    MYSQL_ROOT_PASSWORD: password
  before_script:
    - apt-get update -yq
    - apt-get install -yq git zip unzip
    - curl -sS https://getcomposer.org/installer | php -- --install-dir=/usr/local/bin --filename=composer
    - composer install --no-interaction --prefer-dist --optimize-autoloader
    - cp .env.example .env
    - php artisan key:generate
    - php artisan migrate
  script:
    - ./vendor/bin/phpunit

mutation:
  image: php:8.1
  services:
    - mysql:5.7
  variables:
    MYSQL_DATABASE: test_db
    MYSQL_ROOT_PASSWORD: password
  before_script:
    - apt-get update -yq
    - apt-get install -yq git zip unzip
    - curl -sS https://getcomposer.org/installer | php -- --install-dir=/usr/local/bin --filename=composer
    - composer install --no-interaction --prefer-dist --optimize-autoloader
    - cp .env.example .env
    - php artisan key:generate
    - php artisan migrate
  script:
    - ./vendor/bin/infection --threads=4
  allow_failure: true # 允许 Mutation Testing 失败，不影响构建流程

在这个示例中，我们定义了两个 stage：test 和 mutation。test stage 运行单元测试，mutation stage 运行 Infection。allow_failure: true 允许 Mutation Testing 失败，不影响构建流程。这样，即使 Mutation Score 没有达到预期，也可以继续部署代码。

7. 解决存活的突变体

当 Infection 报告存在存活的突变体时，需要分析原因并采取相应的措施。

缺少测试用例: 可能是缺少测试用例，导致突变体没有被覆盖到。需要增加测试用例，覆盖突变体所在的行。
测试用例不够健壮: 可能是测试用例不够健壮，无法检测到突变体引入的错误。需要修改测试用例，使其能够检测到突变体。
代码逻辑存在问题: 可能是代码逻辑存在问题，导致突变体没有产生影响。需要修改代码逻辑，使其更加健壮。
无意义的突变: 有些突变可能没有实际意义，例如将一个常量替换为另一个常量。可以忽略这些突变。

解决存活的突变体是一个迭代的过程，需要不断地分析、修改和测试。

8. 提高Mutation Score的策略

提高 Mutation Score 需要系统性的方法，不能一蹴而就。

增加测试覆盖率: 优先覆盖代码的核心逻辑和边界情况。使用代码覆盖率工具（如 PHPUnit 的 --coverage-html 选项）来确定哪些代码没有被测试覆盖。
编写更严格的断言: 确保测试用例的断言能够准确地验证代码的行为。避免使用过于宽泛的断言，例如只验证返回值是否为 true。
使用 Mock 对象: 使用 Mock 对象来模拟外部依赖，隔离被测试的代码。这可以使测试更加简单和可靠。
重构代码: 有时，代码的结构会影响 Mutation Score。例如，复杂的条件语句可能难以测试。可以考虑重构代码，使其更加简单和易于测试。
关注高风险区域: 优先关注代码中容易出错的区域，例如算术运算、布尔运算、条件判断等。针对这些区域编写更多的测试用例。

9. Mutation Testing 的局限性

Mutation Testing 是一种强大的测试技术，但也有其局限性。

计算成本高: Mutation Testing 需要生成大量的突变体，并运行测试套件，计算成本很高。
可能产生误报: 有些突变可能没有实际意义，但测试套件仍然无法检测到。这会导致误报。
不能保证代码的绝对正确性: Mutation Testing 只能评估测试套件的质量，不能保证代码的绝对正确性。
需要良好的测试基础: 如果测试套件本身质量不高，Mutation Testing 的效果也会大打折扣。

10.总结：测试驱动的开发，质量保证的持续

Mutation Testing 是一种有效的测试技术，可以帮助我们评估测试套件的质量，并发现代码中的潜在问题。通过合理配置和使用 Infection 工具集，我们可以将 Mutation Testing 应用到生产环境代码中，提高代码的质量和可靠性。持续进行代码的测试，保证代码的质量。