嵌入C語言的測試驅(qū)動開發(fā)：為什么要調(diào)試？

要點

1.為什么你會遇上這些bug？因為它們是你放的。

2.在TDD(測試驅(qū)動的開發(fā))中，你會在一個嚴格的反饋循環(huán)中，開發(fā)測試與生產(chǎn)代碼。

3.TDD可能有助于避免惱人的Zune bug。

4.目標硬件瓶頸有多種形式，你可以在嚴格的TDD反饋循環(huán)中，用TDD來避開瓶頸。

5.TDD幫助你確保自己的代碼如期望那樣運行。但如果不是這樣，你該如何建立一個可靠的系統(tǒng)？

6.TDD快速地發(fā)現(xiàn)小的和大的邏輯錯誤，防止出現(xiàn)bug，使最終得到較少的bug。

我們的工作方式都是編寫代碼，然后努力讓它運行起來。先建立，然后改錯。測試是以后的事，即寫完代碼后才要做的事。在不可預(yù)期的調(diào)試工作上，大概要花掉我們一半的時間。在日程表上，調(diào)試工作都穿著測試與集成的外衣。它是風險與不確定性的一個來源。修正了一個bug可能會產(chǎn)生另一個bug，有時甚至是一連串的bug。

保持調(diào)試的統(tǒng)計有助于預(yù)測要花多少時間才能消除bug。你要度量和管理bug?？辞€的拐點，拐點表示了趨勢，告訴你最后修正的bug要比產(chǎn)生的多。拐點表示的是已經(jīng)做的事，但你永遠不知道是否在代碼的某個陰暗角落還躲藏著其它的致命bug。

可制造性設(shè)計的一個方面是確定為什么你會有這些bug。答案很簡單：錯誤是我們放進去的。這就是我們的工作方式。在開發(fā)以后的測試時，就會發(fā)現(xiàn)問題(圖1和參考文獻1)。我們在開發(fā)時會制造錯誤，測試的工作就是找到這些問題。只要仔細地測試，就會發(fā)現(xiàn)錯誤。開發(fā)后的測試工作意味著必須找到、修復(fù)和管理大量的錯誤。

圖1，在開發(fā)以后做測試時，會發(fā)現(xiàn)缺陷

這種調(diào)試居后的編程程序是當今最常見的編程方式。先寫代碼，再調(diào)試它。調(diào)試居后的編程方式有風險。人都會犯錯誤。你既不能確定bug將在何時現(xiàn)身，也不能確定會花多長時間才能發(fā)現(xiàn)它們(圖2)。

圖2，人都會犯錯誤。你無法確定bug何時出現(xiàn)，以及要花多少時間才能找到它們

當發(fā)現(xiàn)一個bug的時間(TD)增加時，尋找bug根源的時間(TFIND)也會增加，通常增加得更多。如果從錯誤的引入到發(fā)現(xiàn)要花數(shù)小時、數(shù)天、數(shù)周，甚至數(shù)月時間，你已忘掉了當時的背景，必須開始做bug大掃蕩。當你在開發(fā)周期以外發(fā)現(xiàn)缺陷時，就必須管理bug。對于有些bug，發(fā)現(xiàn)的時間不會影響修復(fù)的時間(TFIX)，但有些代碼的運行也可能依賴于bug，修改這些bug會造成其它bug。

短周期以及主動的測試自動化可節(jié)省時間和工作量。這時，你再不需要重復(fù)繁重而易錯的手工測試。有了測試自動化，重復(fù)測試幾乎不會增加額外工作量。測試自動化快速地探測出副作用，避免了對調(diào)試事務(wù)的需求。

另一種方案是TDD(測試驅(qū)動的開發(fā))，它在一個嚴格反饋的循環(huán)中開發(fā)出測試代碼與生產(chǎn)代碼(參考文獻2和3)。一個TDD微循環(huán)是：編寫一個測試，未編譯時觀察該測試，做編譯且測試失敗，使編譯通過，清除任何多余內(nèi)容，并重復(fù)該過程直至結(jié)束。編寫測試代碼與編寫生產(chǎn)代碼是整合的過程。如果犯了一個錯誤，沒有通過新測試，你馬上就可以知道并改正錯誤。測試會告訴你是否通過了新測試卻產(chǎn)生了某個錯誤。在設(shè)備測試裝置中加入自動化測試(圖3)，就可以自由地做重復(fù)測試。

圖3，測試會告訴你是否通過了新的測試，但卻引入了一個bug。自動測試要插入到一個單元測試裝置中

在TDD反饋回路中做開發(fā)與測試時，只能避免一部分bug的出現(xiàn)，但不能完全消除。TDD對設(shè)計以及時間的分配方式有著意義深遠的影響。

與后調(diào)試的編程模式相反，TDD并不包含追蹤錯誤的風險與不確定性(圖4)。當發(fā)現(xiàn)一個錯誤的時間接近于0時，尋找錯誤根源的時間也會趨于0。剛產(chǎn)生的代碼問題通常顯而易見。如果不那么明顯，則開發(fā)人員只要簡單地恢復(fù)剛做的修改，就可以回到一個可運行的系統(tǒng)。尋找和修改錯誤的時間和產(chǎn)生的時間一樣少，只有當程序員記憶隨時間而模糊，并且有更多的代碼依賴于較早的錯誤時，事件才會變糟。

TDD為錯誤提供了即時的通知，可防止出現(xiàn)很多要被迫追蹤的bug。TDD可防止出現(xiàn)缺陷，而后調(diào)試編程會帶來耗時耗力的調(diào)試工作。

Zune bug

TDD可能有助于避免惱人的Zunebug。微軟公司的Zune是為了與蘋果公司的iPod競爭。2008年12月31日，Zune變成了“專為一天的程序塊(abrick for a day)”。12月31日是新年前夜，是一個閏年的最后一天，這是30G Zune要經(jīng)歷的第一個閏年。很多人都將Zune錯誤歸因于時鐘驅(qū)動程序中的一個函數(shù)。雖然列表1中的代碼并非實際的驅(qū)動程序碼，但它有相同的效果。你可以從列表1中Zune的無限循環(huán)中找到一些端倪嗎？

圖4，TDD對于設(shè)計以及時間的使用有深遠的影響。與調(diào)試居后的編程模式比較，TDD

沒有回溯追蹤bug的風險與不確定性

圖5，對快速反饋的需求使TDD微循環(huán)離開目標硬件，而原生地運行在開發(fā)系統(tǒng)上。一個TDD循環(huán)包括雙重目標的風險，但提供了快速TDD反饋回路的好處

很多代碼閱讀專家審查了這個代碼，并得出了可能與您一樣的錯誤結(jié)論。閆年的最后一天是該年第366天，而Zune對這種情況的處理是錯誤的。在這一天，該函數(shù)永遠不會返回！我編寫了設(shè)定年份以及年中天數(shù)的代碼，看是否像90%的Zune bug專家預(yù)測的那樣，將天數(shù)的布爾代碼設(shè)定為等于或大于366就能解決問題。代碼放入測試裝置后，我編寫了測試用例(列表2)。和Zune一樣，測試進入了一個無限循環(huán)。我采用了經(jīng)過數(shù)千名程序員審核的適當修復(fù)方法。出乎我的意料，測試失敗了；設(shè)定年份與天數(shù)的測試認為日期是2009年1月0日。新年前夜，人們?nèi)詴碛凶约旱囊魳?，但Zune仍有個bug。

一次測試就可以防止Zune bug。可你怎么知道要去寫這樣一個測試？只有知道bug在哪里才會寫測試。問題是，你并不知道bug在哪里；它們可以在任何地方。所以，這意味著你必須為所有的部分寫測試，至少是所有可能中斷的地方。難以想象要考慮到所有需要測試的東西。但不必擔心，你不需要針對全年每一天做測試。你只需要一個針對有關(guān)天數(shù)的測試。

計算機編程很復(fù)雜，TDD能夠系統(tǒng)化地讓你的代碼按本意運行起來，并提供能使代碼工作的自動化測試用例。

嵌入設(shè)計

當我首次使用TDD時，我認識到，它可能有助于解決一個問題：目標硬件的瓶頸，這是令很多嵌入軟件開發(fā)人員頭疼的事情。瓶頸有多種形式，你可以使用TDD，在嚴格的TDD反饋循環(huán)期間避免瓶頸的出現(xiàn)。很多嵌入開發(fā)工作都已實現(xiàn)了軟硬件的并行開發(fā)。如果軟件只能在目標硬件上運行，則可能浪費至少一次的時間。例如，目標硬件可能遲至交付期還不可用，推遲了軟件的測試；硬件可能昂貴且稀少；或者它本身就有問題。目標硬件還可能有長的建立時間或長的上傳時間。大多數(shù)嵌入開發(fā)團隊都遇到過這些問題，它們會減緩進度，并減少了建立今天復(fù)雜系統(tǒng)的反饋。

為避免目標硬件的瓶頸，可以采用“雙重目標”法，即設(shè)計自己的生產(chǎn)代碼與測試，使之大部分運行在標準PC上。但雙重目標有自己的風險。開發(fā)系統(tǒng)中測試代碼的信任度是建立在交付給目標以前的代碼上。大多數(shù)雙重目標風險是源于開發(fā)環(huán)境與目標環(huán)境之間的差異。這些差異包括對語言特性支持的改變量、不同編譯器的bug、運行時庫的差異、文件名差異，以及不同的字長等。由于這些風險，你會發(fā)現(xiàn)，在一個環(huán)境下能無錯運行的代碼，可能在另一個環(huán)境下出現(xiàn)測試錯誤。

不過，執(zhí)行環(huán)境中潛在的差異不應(yīng)成為阻礙采用雙重目標方法的理由。相反，你可以在實現(xiàn)目標的路途中解決這些障礙。嵌入TDD周期在不犧牲優(yōu)點的前提下，克服了挑戰(zhàn)。

開發(fā)循環(huán)

當建立與測試循環(huán)只需幾秒時間時，TDD是最有效的。這種方案為大多數(shù)程序員排除了在循環(huán)中使用目標硬件的情況?？焖俜答伒男枨髮DD微循環(huán)與目標分離開，而運行在開發(fā)系統(tǒng)上。圖5顯示了一個TDD循環(huán)，它包含著雙重目標的風險，提供了快速TDD反饋循環(huán)的好處。

表1中所列的各個階段，預(yù)計可以在相應(yīng)的階段發(fā)現(xiàn)問題。例如，你會發(fā)現(xiàn)每個階段都有助于找到這些問題。第1階段會在你編程時給出快速反饋，確定代碼做你想要做的事。第2階段確保你的代碼是在兩種環(huán)境下編譯。第3階段確保代碼在主處理器和目標處理器上的運行相同。評估硬件可能需要比目標更多的存儲器，這樣才能把測試代碼和生產(chǎn)代碼都裝入地址空間。有時候，如果你有一個可靠的目標硬件，它有空間運行對單元的測試，也可以省略掉第3階段。第4階段是在目標硬件上運行測試。在第4階段可以引入一些依賴于硬件的單元測試。第5階段是看你的系統(tǒng)完全整合時，是否如其應(yīng)該的那樣運行。至少讓第5階段的某些部分自動運行，這是一種好的想法。采用TDD的團隊會發(fā)現(xiàn)第1階段中的巨大價值，可能不要實現(xiàn)全部各個階段。

嵌入TDD循環(huán)并不能阻止所有問題，不過它應(yīng)有助于在適當?shù)碾A段發(fā)現(xiàn)大多數(shù)剛剛產(chǎn)生的問題。你還應(yīng)至少每個夜晚手動執(zhí)行第2至第4階段。連續(xù)的集成服務(wù)器(如Cruise Control或Jenkins)都可以觀察你的源碼庫，在check-in后開始做建立工作。

TDD有助于確保你的代碼做你想要做的事。如果不是這樣，如何才能建立一個可靠的系統(tǒng)呢？它幫助你讓代碼在最開始時保持正確，它建立一個逐步測試的組件，幫助你維持代碼的運行。你在發(fā)現(xiàn)、追蹤和修改bug上要花掉相當多的時間。很多開發(fā)人員現(xiàn)在都用TDD來防止這些bug的出現(xiàn)。它基本上改變了你的編程方式。

TDD能快速地發(fā)現(xiàn)小的和大的邏輯錯誤，阻止bug的產(chǎn)生，并最終得到較少的bug。較少的bug也意味著較少的調(diào)試時間，以及較少的缺陷。當新代碼危及一個約束或一個假設(shè)時，測試會告訴你。然后，有良好結(jié)構(gòu)的測試會成為一種形式的可執(zhí)行文檔。

TDD還讓你放心，這種信心來自于一個帶有完備回歸測試組件的徹底測試代碼。采用TDD的開發(fā)人員稱周末不再受干擾，并且睡眠更好。TDD還監(jiān)控進度，追蹤當前的工作，以及做了多少工作。當代碼變得難以測試時，它還對設(shè)計問題提出早期警告。