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第七章 测试与改错
编程大师说：''任何一个程序，无论它多么小，总存在着错误。''
初学者不相信大师的话，他问：''如果一个程序小得只执行一个简单的功能，那会怎样？''''这样的一个程序没有意义，''大师说，''但如果这样的程序存在的话，操作系统最后将失效，产生一个错误。'' 但初学者不满足，他问：''如果操作系统不失效，那么会怎样？'' ''没有不失效的操作系统，''大师说，''但如果这样的操作系统存在的话，硬件最后将失效，产生一个错误。'' 初学者仍不满足，再问：''如果硬件不失效，那么会怎样？'' 大师长叹一声道：''没有不失效的硬件。但如果这样的硬件存在的话，用户就会想让那个程序做一件不同的事，这件事也是一个错误。''
没有错误的程序世间难求。[James 1999]
错误是一种严重的程序缺陷。测试的目的是为了发现尽可能多的缺陷，并期望通过改错来把缺陷统统消灭，以期提高软件的质量。但关于测试与改错实在没有什么高明的方法值得大书特书，也不能表现出程序员的聪明才智。相反地，它们带来了更多的牢骚与痛苦。因此在教学和开发实践中，测试与改错总是被当作万般无奈的工作踢到角落里。
医生可以把他的错误埋葬在地下了事，但程序员不能。我们必须要学会测试与改错，并且把测试与改错工作做好。
7.1 对测试的理解
测试的道理并不深奥，计算机专业人员都应该明白。但就是这么简单的事，计算机专业的博士们也未必都已经理解。
有一天，一位比我聪明，编程比我快，学习能力比我强的计算机专业博士生恭恭敬敬地请我坐好，并且史无前例地削了苹果请我吃，为的是向我请教''软件工程''问题。你必定以为这位仁兄好学之极。非也，我和他同事三年来从未探讨过''软件工程''问题。只因为他明天要去应聘，参加面试，生怕被人问倒，就央我当晚为他恶补一把''软件工程''。他还特地问我''什么是白盒测试和黑盒测试？应该由谁来执行？''（有公司曾经这样面试应聘者）当我解释完测试的道理时，他叹了一口气说：''这些玩意儿我读大学十年来都没搞过，怎么能讲得出道理来。唉，就去碰碰运气吧。''我有''兔死狐悲''的感觉。我们这一群博士生三年来尽干些自欺欺人的事，到毕业时学问既不深也不博。个个意志消沉，老气横秋。长此以往，总有一天招聘会的大门前将贴出标语''博士与狗不得入内''。
以下是关于测试的几个重要观念。
7.1.1 测试的目的
测试的目的是为了发现尽可能多的缺陷。
这里缺陷是一种泛称，它可以指功能的错误，也可以指性能低下，易用性差等等。测试总是先假设程序中存在缺陷，再通过执行程序来发现并最终改正缺陷。理解测试的目的是个很重要的意识问题。如果说测试的目的是为了说明程序中没有缺陷，那么测试人员就会向这个目标靠拢，因而下意识地选用一些不易暴露错误的测试示例。这样的测试是虚假的。
目前高校的科技成果鉴定会普遍存在类似的虚假现象。我在读硕士时就亲身经历过这样的事。我们的项目是研究集成电路制造过程中的成品率问题。当时国内大多数工厂的集成电路成品率只有百分之几，我编写的示例程序可以将集成电路的成品率优化到98%。示例效果是如此的好，以致一位评委（某厂的总工程师）不无讽刺地说：''采用你们的成果，我们可要发大财了。''这个项目就轻易地通过了鉴定，并且不久后获得了电子工业部科技进步二等奖。这就象在考试时通过作弊取得了好成绩而被表扬。我那时尚且纯真，羞愧之余，不禁对高校科研成果的水平和真实性大失所望（现在我已不再失望，因为很少抱希望）。
一个成功的测试示例在于发现了至今尚未发现的缺陷。
测试并不仅是个技术问题，更是个职业道德问题。
7.1.2 测试的心理要求
测试主要是由人而不是由机器执行，这就不免与心理因素相关。为了测试的真实性，对测试的心理要求是''无情''。这似乎太残酷了。开发人员不能很好地测试自己的程序是因为做不到无情。而测试人员如果做到了无情却会引起开发人员的愤怒，遭人白眼。
尽管已经明白了测试的目的是为了发现尽可能多的缺陷，但当测试人员真的发现了一堆缺陷时，却不可乐颠颠地跑去恭喜那个倒霉的开发者，否则会打架的。
7.1.3 测试的真理
测试只能证明缺陷存在，而不能证明缺陷不存在。
这个真理告诉我们，对于一个复杂的系统而言，无论采取什么样的测试手段都不能证明缺陷已经不复存在。''彻底地测试''只是一种理想。在实践中，测试要考虑时间、费用等限制，不允许无休止地测试。
7.1.4 测试与质量的关系
测试有助于提高软件的质量，但是提高软件的质量不能依赖于测试。测试与质量的关系很象在考试中''检查''与''成绩''的关系。
学习好的学生，在考试时通过认真检查能减少因疏忽而造成的答题错误，从而''提高''了考试成绩（取得他本来就该得的好成绩）。
而学习差的学生，他原本就不会做题目，无论检查多么细心，也不能提高成绩。
所以说，软件的高质量是设计出来的，而不是靠测试修补出来的。
7.2 测试人员的选择
测试需要开发人员参与吗？
测试需要独立的测试小组吗？
测试需要用户参与吗？
让我们先看一看Microsoft公司关于测试的经验教训，再回答上述问题。
7.2.1 Microsoft公司的经验教训
在80年代初期，Microsoft公司的许多软件产品出现了''Bug''。比如，在1981年与IBM PC机一起推出的BASIC软件，用户在用''.1''（或者其他数字）除以10时，就会出错。在FORTRAN软件中也存在破坏数据的''Bug''。由此激起了许多采用Microsoft操作系统的PC厂商的极大不满，而且很多个人用户也纷纷投诉。
Microsoft公司的经理们发觉很有必要引进更好的内部测试与质量控制方法。但是遭到很多程序设计师甚至一些高级经理的坚决反对，他们固执地认为在高校学生、秘书或者外界合作人士的协助下，开发人员可以自己测试产品。在1984年推出Mac机的Multiplan（电子表格软件）之前，Microsoft曾特地请Arthur Anderson咨询公司进行测试。但是外界公司一般没有能力执行全面的软件测试。结果，一种相当厉害的破环数据的''Bug''迫使Microsoft公司为它的２万多名用户免费提供更新版本，代价是每个版本10美元，一共化了20万美元，可谓损失惨重。
痛定思痛后，Microsoft公司的经理们得出一个结论：如果再不成立独立的测试部门，软件产品就不可能达到更高的质量标准。IBM和其它有着成功的软件开发历史的公司便是效法的榜样。但Microsoft公司并不照搬IBM的经验，而是有选择地采用了一些看起来比较先进的方法，如独立的测试小组，自动测试以及为关键性的构件进行代码复查等。Microsoft公司的一位开发部门主管戴夫·穆尔回忆说：''我们清楚不能再让开发部门自己测试了。我们需要有一个单独的小组来设计测试，运行测试，并把测试信息反馈给开发部门。这是一个伟大的转折点。''
但是有了独立的测试小组后，并不等于万事大吉了。自从Microsoft公司在1984年与1986年之间扩大了测试小组后，开发人员开始''变懒''了。他们把代码扔在一边等着测试，忘了唯有开发人员自己才能阻止错误的发生、防患于未来。此时，Microsoft公司历史上第二次大灾难降临了。原定于1986年７月发行的Mac机的Word 3.0，千呼万唤方于1987年2月问世。这套软件竟然有700多处错误，有的错误可以破坏数据甚至摧毁程序。一下子就使Microsoft名声扫地。公司不得不为用户免费提供升级版本，费用超过了100万美元。[Cusumano 1995]
7.2.2 测试人员的分工
从Microsoft公司的教训中可知，公司内部对产品的测试（称为α测试），需要开发人员与独立的测试小组共同参与。开发人员应该执行''白盒''测试，即测试源程序的逻辑结构以及实现细节（''白盒''是指看得见程序的内部结构）。而独立测试小组应该执行''黑盒''测试，即按照规格说明来测试程序是否符合要求（''黑盒''是指看不见程序的内部结构）。比如在测试一个模块时，''白盒''测试方法要对模块的所有代码进行单步跟踪测试。而''黑盒''测试方法只需测试模块的接口是否符合要求，它关心程序的外部表现而不是内部的实现细节。
小型的软件公司可能没有条件设立独立的测试小组，也有可能测试小组人员不多而忙不过来。这时，可以让开发小组的成员相互测试对方的程序。
这里要强调的是，α测试不能依赖于开发人员或者测试小组中的任意一方，必须是双方共同参与。''白盒测试''必须由开发者自己执行，因为别的测试人员无法了解到程序的内部实现细节。而''黑盒测试''必须由独立的测试人员执行，因为开发者难以做到客观、公正。开发者在测试自己的程序时存在一些弊病：
（1）开发者对自己的程序印象深刻，并总以为是正确的（自信是应该的）。倘若在设计时就存在理解错误，或因不良的编程习惯而流下隐患，那么他本人很难发现这类错误。
（2）开发者对程序的功能、接口十分熟悉，他自己几乎不可能因为使用不当而引发错误，这与大众用户的情况不太相似，所以自己测试程序难以具备典型性。
（3）程序设计有如艺术设计，开发者总是喜欢欣赏程序的成功之处，而不愿看到失败之处。让开发者去做''蓄意破坏''的测试，就象杀自己的孩子一样难以接受。即便开发者非常诚实，但''珍爱程序''的心理让他在测试时不知不觉地带入了虚假成份。
软件产品正式发行前，在公司外部邀请一些用户对产品进行测试，称为β测试。β测试的涉及面最广，最能反映用户的真实愿望，但花费的时间最长，不好控制。一般地，软件公司与β测试人员之间有一种互利的协议。即β测试人员无偿地为软件公司作测试，定期递交测试报告，提出批评与建议。而软件公司将向β测试人员免费赠送或者以很大的优惠价格发行软件的正式版本。
7.3 测试的主要内容与常用方法
有一次文学考试，问高尔基是哪国人。一考生乐极而吟：''尔基啊尔基，你若不姓高，我怎知你是中国人。''这是一种瞎猜法。如果这种方法用于软件测试，人累死也测不出什么结果来。
不论是对软件的模块还是整个系统，总有共同的内容要测试，如正确性测试，容错性测试，性能与效率测试，易用性测试，文档测试等。''白盒测试''是指开发人员从程序内部对上述内容进行测试，而''黑盒测试''是指独立的测试人员从程序外部对上述内容进行测试。很多软件工程教材讲述了各种各样的测试方法并例举了不少示例[Pressman 1997] [Sommerville 1992] [杨文龙 1997]。本节简明地讲述常用的测试方法及其道理。
7.3.1 正确性测试
正确性测试又称功能测试，它检查软件的功能是否符合规格说明。由于正确性是软件最重要的质量因素，所以其测试也最重要。
基本的方法是构造一些合理输入，检查是否得到期望的输出。这是一种枚举方法。倘若枚举空间是无限的，那可惨了，还不如回家种土豆有盼头。测试人员一定要设法减少枚举的次数，否则没好日子过。关键在于寻找等价区间，因为在等价区间中，只需用任意值测试一次即可。等价区间的概念可表述如下：
记（A, B）是命题f(x) 的一个等价区间，在（A, B）中任意取x1进行测试。
如果f (x1) 错误，那么f (x) 在整个（A, B）区间都将出错。
如果f (x1) 正确，那么f (x) 在整个（A, B）区间都将正确。
上述测试方法称为等价测试，来源于人们的直觉与经验，可令测试事半功倍。
还有一种有效的测试方法是边界值测试。即采用定义域或者等价区间的边界值进行测试。因为程序员容易疏忽边界情况，程序也''喜欢''在边界值处出错。
例如测试 的一段程序。凭直觉等价区间应是（0, 1）和（1, +∞）。可取x=0.5以及x=2.0进行等价测试。再取 x=0以及x=1进行边界值测试。
有一些复杂的程序，我们难以凭直觉与经验找到等价区间和边界值，这时枚举测试就相当有难度。
在用''白盒测试''方式进行正确性测试时，有个额外的好处：如果测试发现了错误，测试者（开发人员）马上就能修改错误。越早改正错误，付出的代价就越低。所以大多数软件公司要求程序员在写完程序时，马上执行基于单步跟踪的''白盒测试''。
7.3.2 容错性测试
容错性测试是检查软件在异常条件下的行为。容错性好的软件能确保系统不发生无法意料的事故。
比较温柔的容错性测试通常构造一些不合理的输入来引诱软件出错，例如：
（1）输入错误的数据类型，如''猴''年''马''月。
（2）输入定义域之外的数值，上海人常说的''十三点''也算一种。
粗暴一些的容错性测试俗称''大猩猩''测试，除了不能拳打脚踢嘴咬，什么招术都可以使出来。这里我举不出例子，因为我没有对程序粗暴过，并且这辈子也不打算学会粗暴。
7.3.3 性能与效率测试
性能与效率测试主要是测试软件的运行速度和对资源的利用率。有时人们关心测试的''绝对值''，如数据送输速率是每秒多少比特。有时人们关心测试的''相对值''，如某个软件比另一个软件快多少倍。
在获取测试的''绝对值''时，我们要充分考虑并记录运行环境对测试的影响。例如计算机主频，总线结构和外部设备都可能影响软件的运行速度；若与多个计算机共享资源，软件运行可能慢得像蜗牛爬行。
在获取测试的''相对值''时，我们要确保被测试的几个软件运行于完全一致的环境中。硬件环境的一致性比较容易做到（用同一台计算机即可）。但软件环境的因素较多，除了操作系统，程序设计语言和编译系统对软件的性能也会产生较大的影响。如果是比较几个算法的性能，就要求编程语言和编译器也完全一致。
性能与效率测试中很重要的一项是极限测试，因为很多软件系统会在极限测试中崩溃。例如，连续不停地向服务器发请求，测试服务器是否会陷入死锁状态不能自拔；给程序输入特别大的数据，看看它是否吃得消。
7.3.4 易用性测试
易用性测试没有一个量化的指标，主观性较强。调查表明，当用户不理解软件中的某个特性时，大多数人首先会向同事、朋友请教。要是再不起作用，就向产品支持部门打电话。只有30%的用户会查阅用户手册。[Cusumano 1995]
一般认为，如果用户不翻阅手册就能使用软件，那么表明这个软件具有较好的易用性。
7.3.5 文档测试
文档测试主要检查文档的正确性、完备性和可理解性。好多人甚至不知道文档是软件的一个组成部分。
正确性是指不要把软件的功能和操作写错，也不允许文档内容前后矛盾。
完备性是指文档不可以''虎头蛇尾''，更不许漏掉关键内容。有些学生在证明数学题时，喜欢用''显然''两字蒙混过关。文档中很多内容对开发者可能是''显然''的，但对用户而言不见得都是''显然''的。
文档不可以写成散文、诗歌或者侦探、言情小说，要让大众用户看得懂，能理解。
很多程序员能编写出好程序，却写不出清晰的文档。不要说自己以前语文学得差，现在已没救了，找借口不是办法。没有人天生就能写出好程序，都是练出来的。同理，若第一次写不好文档，就多写几次文档，慢慢地就会写出好文档来。我上大学前不会说普通话，不会写作文，现在我极能说会写，当个秘书或书记已绰绰有余。
7.4 改 错
在软件测试时如果发现了错误，必须请程序员改错，否则测试工作就白干了。
改错是个大悲大喜的过程，一天之内可以让人在悲伤的低谷和喜悦的颠峰之间跌荡起伏。如果改过上万个程序错误，那么少男少女们不必经历失恋的挫折也能变得成熟起来。
我从大三开始真正接受改错的磨练，已记不清楚多少次汗流浃背、湿透板凳。改不了错误时，恨不得撞墙。改了错误时，比女孩子朝我笑笑还开心。
在做本科毕业设计时，一天夜里，一哥们流窜到我的实验室，哈不拢嘴地对我嚷嚷：''你知道什么叫茅塞顿开吗？''我象白痴似的摇摇头。他说：''今天我化了十几个小时没能干掉一个错误，刚才我去了厕所五分钟，一切都解决了。'' 他还用那没洗过的手拉我，一定要请我吃''肉夹馍''。那得意劲儿仿佛同时谈了两个女朋友。
在本节，我要替程序员们总结关于改错的几点思想方法：
（1）要有勇气。东北有个林场工人，工作勤奋，一人能干几个人的活。前三十年是伐树劳模，受到周总理的接见。忽有一天醒悟过来，觉得自己太对不起森林，决心补救错误。后三十年成了植树劳模，受到朱总理的接见。此大勇也。
程序中的错误只有开发者自己才能找出并改掉。如果因畏惧而拖延，会让你终日心情不定，食无味，睡不香。所以长痛不如短痛，要集中精力对付错误。
（2）不可蛮干。都说急中生智，我不信。我认为大多数人着急了就会蛮干，早把''智''丢到脑后。不仅人如此，动物也如此。
我们经常看到，蜜蜂或者苍蝇想从玻璃窗中飞出，它们会顶着玻璃折腾几个小时，却不晓得从旁边轻轻松松地飞走。我原以为蜜蜂和苍蝇长得太小，视野有限，以致看不见近在咫尺的逃生之窗，所以只好蛮干。可是有一天夜里，有只麻雀飞进我的房间，它的逃生方式竟然与蜜蜂一模一样。我用灯光照着那扇打开的窗户为其引路，并向它打手势，对它说话，均无济于事。它是到天亮后才飞走的，这一宿我俩都没息好。
（3）找出错误的根源。有人问阿凡提：''我肚子痛，应该用什么药？''阿凡提说：''应该用眼药水，因为你眼睛不好，吃了脏东西才肚子痛。''
我们应该运用归纳、推理等方法尽早确定错误的根源。
（4）在改错之后一定要马上进行重新测试，以免引入新的错误。有人在马路上捡到钱包后得意忘形，不料自己却被汽车撞倒。改了一个程序错误固然是喜事，但要防止乐极生悲。更加严格的要求是：不论原有程序是否绝对正确，只要对此程序作过改动（哪怕是微不足道的），都要进行重新测试。
7.5 小 结
优秀的程序员敢于声称自己的代码没有错误，这种自信让人羡慕不已。一个错误自身也许很微小，但是程序存在错误这件事很严重。能否做好测试与改错工作，思想认识和办事态度是最关键的。
程序员应该把测试当成份内之事，不要依赖于外界的''黑盒测试''。''黑盒测试''就象通过提问题来判断一个人是否是个疯子，但无法知道他为什么成了疯子。让程序员对所有的代码执行单步跟踪测试听起来很费时间，但习惯了你就感觉不到有什么不方便。单步跟踪测试将使你以后的日子更轻松。
程序出了错误一定要改错，但是''编写优质无错''的程序才是根本的解决之道。在此，我竭力建议大家阅读Steve Maguire著的《Writing Clean Code : Microsoft Techniques for Developing Bug-free C Programs》（有中文译本，[Maguire 1993]）。我深受此书的教诲，获益非浅。 |
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发表于 2003-08-09 12:37
