【设计模式之美】重构一：重构定义、单元测试保证重构正确性

一. 重构概述

重构的要求：

一方面，重构代码对一个工程师能力的要求，要比单纯写代码高得多。重构需要你能洞察出代码存在的坏味道或者设计上的不足，并且能合理、熟练地利用设计思想、原则、模式、编程规范等理论知识解决这些问题。
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另一方面，很多工程师对为什么要重构、到底重构什么、什么时候重构、又该如何重构等相关问题理解不深，对重构没有系统性、全局性的认识，面对一堆烂代码，没有重构技巧的指导，只能想到哪改到哪，并不能全面地改善代码质量。

1. 为什么要重构（why）？

重构定义：

这个定义中有一个值得强调的点：“重构不改变外部的可见行为”。

为什么要进行代码重构？

• 首先，重构是时刻保证代码质量的一个极其有效的手段。

• 其次，优秀的代码或架构不是一开始就能完全设计好的，就像优秀的公司和产品也都是迭代出来的。我们无法 100% 遇见未来的需求，也没有足够的精力、时间、资源为遥远的未来买单，所以，随着系统的演进，重构代码也是不可避免的。

• 最后，重构是避免过度设计的有效手段。在我们维护代码的过程中，真正遇到问题的时候，再对代码进行重构，能有效避免前期投入太多时间做过度的设计，做到有的放矢。

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2. 到底重构什么（what）？

根据重构的规模，我们可以笼统地分为大规模高层次重构（以下简称为“大型重构”）和小规模低层次的重构（以下简称为“小型重构”）。

大型重构
大型重构指的是对顶层代码设计的重构，包括：系统、模块、代码结构、类与类之间的关系等的重构，重构的手段有：分层、模块化、解耦、抽象可复用组件等等。

这类重构的工具就是我们学习过的那些设计思想、原则和模式。这类重构涉及的代码改动会比较多，影响面会比较大，所以难度也较大，耗时会比较长，引入 bug 的风险也会相对比较大。

小型重构
小型重构指的是对代码细节的重构，主要是针对类、函数、变量等代码级别的重构，比如规范命名、规范注释、消除超大类或函数、提取重复代码等等。

小型重构更多的是利用我们能后面要讲到的编码规范。这类重构要修改的地方比较集中，比较简单，可操作性较强，耗时会比较短，引入 bug 的风险相对来说也会比较小。你只需要熟练掌握各种编码规范，就可以做到得心应手。

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3. 什么时候重构（when）？

提倡的重构策略是持续重构。
就像把单元测试、Code Review 作为开发的一部分，我们如果能把持续重构也作为开发的一部分，成为一种开发习惯，对项目、对自己都会很有好处。

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4. 该如何重构（how）？

每个阶段，要控制好重构影响到的代码范围，考虑好如何兼容老的代码逻辑，必要的时候还需要写一些兼容过渡代码。只有这样，我们才能让每一阶段的重构都不至于耗时太长（最好一天就能完成），不至于与新的功能开发相冲突。

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5. 如何保证重构不出错？

最可落地执行、最有效的保证重构不出错的手段应该就是单元测试（Unit Testing）了。当重构完成之后，如果新的代码仍然能通过单元测试，那就说明代码原有逻辑的正确性未被破坏，原有的外部可见行为未变，符合我们对重构的定义。
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二. 单元测试方法论

1. 什么是单元测试？

单元测试相对于集成测试（Integration Testing）来说，测试的粒度更小一些。

• 集成测试的测试对象是整个系统或者某个功能模块，比如测试用户注册、登录功能是否正常，是一种端到端（end to end）的测试。
• 单元测试的测试对象是类或者函数，用来测试一个类和函数是否都按照预期的逻辑执行。这是代码层级的测试。

写单元测试本身不需要什么高深技术。它更多的是考验程序员思维的缜密程度，看能否设计出覆盖各种正常及异常情况的测试用例，来保证代码在任何预期或非预期的情况下都能正确运行。

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举例

public class Text {
  private String content;

  public Text(String content) {
    this.content = content;
  }

  /**
   * 将字符串转化成数字，忽略字符串中的首尾空格；
   * 如果字符串中包含除首尾空格之外的非数字字符，则返回null。
   */
  public Integer toNumber() {
    if (content == null || content.isEmpty()) {
      return null;
    }
    //...省略代码实现...
    return null;
  }
}

我们需要设计下面这样几个测试用例。

当我们设计好测试用例之后，剩下的就是将其翻译成代码了。

public class Assert {
  public static void assertEquals(Integer expectedValue, Integer actualValue) {
    if (actualValue != expectedValue) {
      String message = String.format(
              "Test failed, expected: %d, actual: %d.", expectedValue, actualValue);
      System.out.println(message);
    } else {
      System.out.println("Test succeeded.");
    }
  }

  public static boolean assertNull(Integer actualValue) {
    boolean isNull = actualValue == null;
    if (isNull) {
      System.out.println("Test succeeded.");
    } else {
      System.out.println("Test failed, the value is not null:" + actualValue);
    }
    return isNull;
  }
}

public class TestCaseRunner {
  public static void main(String[] args) {
    System.out.println("Run testToNumber()");
    new TextTest().testToNumber();

    System.out.println("Run testToNumber_nullorEmpty()");
    new TextTest().testToNumber_nullorEmpty();

    System.out.println("Run testToNumber_containsLeadingAndTrailingSpaces()");
    new TextTest().testToNumber_containsLeadingAndTrailingSpaces();

    System.out.println("Run testToNumber_containsMultiLeadingAndTrailingSpaces()");
    new TextTest().testToNumber_containsMultiLeadingAndTrailingSpaces();

    System.out.println("Run testToNumber_containsInvalidCharaters()");
    new TextTest().testToNumber_containsInvalidCharaters();
  }
}

public class TextTest {
  public void testToNumber() {
    Text text = new Text("123");
    Assert.assertEquals(123, text.toNumber());
  }

  public void testToNumber_nullorEmpty() {
    Text text1 = new Text(null);
    Assert.assertNull(text1.toNumber());

    Text text2 = new Text("");
    Assert.assertNull(text2.toNumber());
  }

  public void testToNumber_containsLeadingAndTrailingSpaces() {
    Text text1 = new Text(" 123");
    Assert.assertEquals(123, text1.toNumber());

    Text text2 = new Text("123 ");
    Assert.assertEquals(123, text2.toNumber());

    Text text3 = new Text(" 123 ");
    Assert.assertEquals(123, text3.toNumber());
  }

  public void testToNumber_containsMultiLeadingAndTrailingSpaces() {
    Text text1 = new Text("  123");
    Assert.assertEquals(123, text1.toNumber());

    Text text2 = new Text("123  ");
    Assert.assertEquals(123, text2.toNumber());

    Text text3 = new Text("  123  ");
    Assert.assertEquals(123, text3.toNumber());
  }

  public void testToNumber_containsInvalidCharaters() {
    Text text1 = new Text("123a4");
    Assert.assertNull(text1.toNumber());

    Text text2 = new Text("123 4");
    Assert.assertNull(text2.toNumber());
  }
}

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2. 为什么要写单元测试？

2.1.单元测试能有效地帮你发现代码中的 bug

在离开 Google 之后，尽管我就职的很多公司，其开发模式都是“快、糙、猛”，对单元测试根本没有要求，但我还是坚持为自己提交的每一份代码，都编写完善的单元测试。得益于此，我写的代码几乎是 bug free 的。这也节省了我很多 fix 低级 bug 的时间，能够有时间去做其他更有意义的事情，我也因此在工作上赢得了很多人的认可。可以这么说，坚持写单元测试是保证我的代码质量的一个“杀手锏”，也是帮助我拉开与其他人差距的一个“小秘密”。— 王争

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2.2. 写单元测试能帮你发现代码设计上的问题

前面我们提到，代码的可测试性是评判代码质量的一个重要标准。对于一段代码，如果很难为其编写单元测试，或者单元测试写起来很吃力，需要依靠单元测试框架里很高级的特性才能完成，那往往就意味着代码设计得不够合理，比如，没有使用依赖注入、大量使用静态函数、全局变量、代码高度耦合等。

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2.3. 单元测试是对集成测试的有力补充

• 程序运行的 bug 往往出现在一些边界条件、异常情况下，比如，除数未判空、网络超时。而大部分异常情况都比较难在测试环境中模拟。而单元测试可以利用mock 的方式，控制 mock 的对象返回我们需要模拟的异常，来测试代码在这些异常情况的表现。
• 除此之外，对于一些复杂系统来说，集成测试也无法覆盖得很全面。复杂系统往往有很多模块。每个模块都有各种输入、输出、异常情况，组合起来，整个系统就有无数测试场景需要模拟，无数的测试用例需要设计，再强大的测试团队也无法穷举完备。

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2.4. 写单元测试的过程本身就是代码重构的过程

设计和实现代码的时候，我们很难把所有的问题都想清楚。而编写单元测试就相当于对代码的一次自我 Code Review，在这个过程中，我们可以发现一些设计上的问题（比如代码设计的不可测试）以及代码编写方面的问题（比如一些边界条件处理不当）等，然后针对性的进行重构。

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2.5. 阅读单元测试能帮助你快速熟悉代码

在没有文档和注释的情况下，单元测试就起了替代性作用。单元测试用例实际上就是用户用例，反映了代码的功能和如何使用。借助单元测试，我们不需要深入的阅读代码，便能知道代码实现了什么功能，有哪些特殊情况需要考虑，有哪些边界条件需要处理。

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2.6. 单元测试是 TDD 可落地执行的改进方案

单元测试是对 TDD （测试驱动开发）的一种改进方案，先写代码，紧接着写单元测试，最后根据单元测试反馈出来问题，再回过头去重构代码。这个开发流程更加容易被接受，更加容易落地执行，而且又兼顾了 TDD 的优点。

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3. 如何编写单元测试？

写单元测试就是针对代码设计覆盖各种输入、异常、边界条件的测试用例，并将这些测试用例翻译成代码的过程。

利用单元测试框架，来简化测试代码的编写。
针对 toNumber() 函数的测试用例，我们利用 Junit 单元测试框架重新实现。

import org.junit.Assert;
import org.junit.Test;

public class TextTest {
  @Test
  public void testToNumber() {
    Text text = new Text("123");
    Assert.assertEquals(new Integer(123), text.toNumber());
  }

  @Test
  public void testToNumber_nullorEmpty() {
    Text text1 = new Text(null);
    Assert.assertNull(text1.toNumber());

    Text text2 = new Text("");
    Assert.assertNull(text2.toNumber());
  }

  @Test
  public void testToNumber_containsLeadingAndTrailingSpaces() {
    Text text1 = new Text(" 123");
    Assert.assertEquals(new Integer(123), text1.toNumber());

    Text text2 = new Text("123 ");
    Assert.assertEquals(new Integer(123), text2.toNumber());

    Text text3 = new Text(" 123 ");
    Assert.assertEquals(new Integer(123), text3.toNumber());
  }

  @Test
  public void testToNumber_containsMultiLeadingAndTrailingSpaces() {
    Text text1 = new Text("  123");
    Assert.assertEquals(new Integer(123), text1.toNumber());

    Text text2 = new Text("123  ");
    Assert.assertEquals(new Integer(123), text2.toNumber());

    Text text3 = new Text("  123  ");
    Assert.assertEquals(new Integer(123), text3.toNumber());
  }

  @Test
  public void testToNumber_containsInvalidCharaters() {
    Text text1 = new Text("123a4");
    Assert.assertNull(text1.toNumber());

    Text text2 = new Text("123 4");
    Assert.assertNull(text2.toNumber());
  }
}

关于如何编写单元测试，具体包括以下几点。

1. 写单元测试真的是件很耗时的事情吗？ 尽管单元测试的代码量可能是被测代码本身的 1～2 倍，写的过程很繁琐，但并不是很耗时。毕竟我们不需要考虑太多代码设计上的问题，测试代码实现起来也比较简单。不同测试用例之间的代码差别可能并不是很大，简单
   copy-paste 改改就行。
2. 对单元测试的代码质量有什么要求吗？ 单元测试毕竟不会在产线上运行，而且每个类的测试代码也比较独立，基本不互相依赖。所以，相对于被测代码，我们对单元测试代码的质量可以放低一些要求。命名稍微有些不规范，代码稍微有些重复，也都是没有问题的。
3. 单元测试只要覆盖率高就够了吗？ 单元测试覆盖率是比较容易量化的指标，常常作为单元测试写得好坏的评判标准。有很多现成的工具专门用来做覆盖率统计，比如，JaCoCo、Cobertura、Emma、Clover。覆盖率的计算方式有很多种，比较简单的是语句覆盖，稍微高级点的有：条件覆盖、判定覆盖、路径覆盖。
4. 写单元测试需要了解代码的实现逻辑吗？
   单元测试只关心被测函数实现了什么功能。我们切不可为了追求覆盖率，逐行阅读代码，然后针对实现逻辑编写单元测试。否则，一旦对代码进行重构，在代码的外部行为不变的情况下，对代码的实现逻辑进行了修改，那原本的单元测试都会运行失败，也就起不到为重构保驾护航的作用了，也违背了我们写单元测试的初衷。
5. 如何选择单元测试框架？
   写单元测试本身不需要太复杂的技术，大部分单元测试框架都能满足。在公司内部，起码团队内部需要统一单元测试框架。

单元测试质量标准
不管覆盖率的计算方式如何高级，将覆盖率作为衡量单元测试质量的唯一标准是不合理的。实际上，更重要的是要看测试用例是否覆盖了所有可能的情况，特别是一些 corner case。

如下代码，只需要一个测试用例就可以做到 100% 覆盖率，比如 cal(10.0, 2.0)，但并不代表测试足够全面了，还需要考虑当除数等于０的情况下，代码执行是否符合预期。

public double cal(double a, double b) {
  if (b != 0) {
    return a / b;
  }
}

从过往的经验上来讲，一个项目的单元测试覆盖率在 60～70% 即可上线。如果项目对代码质量要求比较高，可以适当提高单元测试覆盖率的要求。

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《设计模式之美》-- 王争