C++ 模拟对象

什么是模拟对象？

在软件测试中，模拟对象（Mock Objects）是指模仿真实对象行为的假对象，用于在受控的环境中测试代码。当你需要测试的组件依赖于其他复杂组件时，模拟对象特别有用。使用模拟对象可以帮助你隔离测试目标代码，避免外部依赖带来的不确定性。

提示

模拟对象和存根（Stub）的区别：存根只提供预定义的响应，而模拟对象不仅能返回预设值，还能验证它们被正确调用。

为什么需要模拟对象？

在C++开发中，模拟对象有以下几个重要的用途：

1. 隔离测试单元：让测试专注于特定代码，而不受外部依赖影响
2. 加速测试：替换耗时操作（如数据库访问、网络请求）
3. 模拟难以创建的场景：如异常、错误状态等
4. 验证交互行为：检查被测代码是否正确地调用了依赖项

C++ 模拟对象的实现方式

1. 手动实现模拟对象

最基本的方法是手动创建一个实现相同接口的类：

cpp

// 原始接口
class Database {
public:
    virtual ~Database() {}
    virtual bool connect() = 0;
    virtual bool query(const std::string& sql) = 0;
    virtual void disconnect() = 0;
};

// 手动实现的模拟对象
class MockDatabase : public Database {
public:
    MockDatabase() : connected_(false), queryCallCount_(0) {}
    
    bool connect() override { 
        connected_ = true; 
        return true; 
    }
    
    bool query(const std::string& sql) override {
        if (!connected_) return false;
        queryCallCount_++;
        lastQuery_ = sql;
        return true;
    }
    
    void disconnect() override { 
        connected_ = false; 
    }
    
    // 验证方法 - 用于测试
    bool isConnected() const { return connected_; }
    int getQueryCallCount() const { return queryCallCount_; }
    std::string getLastQuery() const { return lastQuery_; }
    
private:
    bool connected_;
    int queryCallCount_;
    std::string lastQuery_;
};

使用示例：

cpp

void testDatabaseUsage() {
    MockDatabase mockDb;
    
    // 使用模拟数据库
    mockDb.connect();
    mockDb.query("SELECT * FROM users");
    
    // 验证交互
    assert(mockDb.isConnected() == true);
    assert(mockDb.getQueryCallCount() == 1);
    assert(mockDb.getLastQuery() == "SELECT * FROM users");
    
    mockDb.disconnect();
    assert(mockDb.isConnected() == false);
}

2. 使用Google Mock框架

手动创建模拟对象工作量大且容易出错。Google Mock (gmock) 是一个强大的C++模拟框架，它是Google Test的一部分。

首先，安装Google Test和Google Mock。然后：

cpp

#include <gtest/gtest.h>
#include <gmock/gmock.h>

// 原始接口
class Database {
public:
    virtual ~Database() {}
    virtual bool connect() = 0;
    virtual bool query(const std::string& sql) = 0;
    virtual void disconnect() = 0;
};

// 使用Google Mock创建模拟对象
class MockDatabase : public Database {
public:
    MOCK_METHOD(bool, connect, (), (override));
    MOCK_METHOD(bool, query, (const std::string&), (override));
    MOCK_METHOD(void, disconnect, (), (override));
};

// 测试
TEST(DatabaseTest, QueryExecutesSuccessfully) {
    MockDatabase mockDb;
    
    // 设置预期行为
    EXPECT_CALL(mockDb, connect())
        .WillOnce(testing::Return(true));
    EXPECT_CALL(mockDb, query("SELECT * FROM users"))
        .WillOnce(testing::Return(true));
    EXPECT_CALL(mockDb, disconnect());
    
    // 使用模拟数据库
    bool connected = mockDb.connect();
    bool queryResult = mockDb.query("SELECT * FROM users");
    mockDb.disconnect();
    
    EXPECT_TRUE(connected);
    EXPECT_TRUE(queryResult);
}

备注

Google Mock会自动验证所有预期的调用是否发生，调用次数是否正确，以及参数是否匹配。

高级模拟技术

部分模拟

有时你可能只想模拟类的一部分方法，让其他方法保持原样：

cpp

class PartialMockDatabase : public Database {
public:
    // 只模拟query方法
    MOCK_METHOD(bool, query, (const std::string&), (override));
    
    // 其他方法使用真实实现
    bool connect() override { /* 真实实现 */ }
    void disconnect() override { /* 真实实现 */ }
};

模拟行为匹配器

Google Mock提供了强大的匹配器来验证方法调用：

cpp

// 精确匹配参数
EXPECT_CALL(mockDb, query("SELECT * FROM users"));

// 使用参数匹配器
EXPECT_CALL(mockDb, query(testing::StartsWith("SELECT")));
EXPECT_CALL(mockDb, query(testing::ContainsRegex("FROM users")));

// 匹配调用次数
EXPECT_CALL(mockDb, connect())
    .Times(1);  // 精确调用一次
EXPECT_CALL(mockDb, query(testing::_))
    .Times(testing::AtLeast(1));  // 至少调用一次

模拟动作

cpp

// 返回值
EXPECT_CALL(mockDb, connect())
    .WillOnce(testing::Return(true));

// 抛出异常
EXPECT_CALL(mockDb, query("BAD QUERY"))
    .WillOnce(testing::Throw(std::runtime_error("SQL syntax error")));

// 调用自定义函数
EXPECT_CALL(mockDb, query(testing::_))
    .WillRepeatedly(testing::Invoke([](const std::string& sql) {
        return sql.length() > 10;
    }));

实际案例：用户服务测试

下面展示一个实际的案例，我们将测试一个依赖于数据库的UserService类：

cpp

// 用户服务类
class UserService {
private:
    Database& db_;
    
public:
    UserService(Database& db) : db_(db) {}
    
    bool addUser(const std::string& username) {
        if (!db_.connect()) {
            return false;
        }
        
        bool result = db_.query("INSERT INTO users (name) VALUES ('" + username + "')");
        db_.disconnect();
        return result;
    }
    
    bool userExists(const std::string& username) {
        if (!db_.connect()) {
            return false;
        }
        
        bool result = db_.query("SELECT * FROM users WHERE name='" + username + "'");
        db_.disconnect();
        return result;
    }
};

测试用例：

cpp

TEST(UserServiceTest, AddUserSuccess) {
    MockDatabase mockDb;
    UserService service(mockDb);
    
    // 设置预期
    EXPECT_CALL(mockDb, connect())
        .WillOnce(testing::Return(true));
    EXPECT_CALL(mockDb, query(testing::HasSubstr("INSERT INTO users")))
        .WillOnce(testing::Return(true));
    EXPECT_CALL(mockDb, disconnect());
    
    // 测试
    EXPECT_TRUE(service.addUser("johndoe"));
}

TEST(UserServiceTest, AddUserFailsWhenDbConnectionFails) {
    MockDatabase mockDb;
    UserService service(mockDb);
    
    // 设置预期：连接失败
    EXPECT_CALL(mockDb, connect())
        .WillOnce(testing::Return(false));
    // 连接失败时不应调用query和disconnect
    
    // 测试
    EXPECT_FALSE(service.addUser("johndoe"));
}

模拟对象的最佳实践

1. 依赖注入：设计类时使用依赖注入模式，使其易于模拟
2. 面向接口编程：针对接口而非具体实现编程
3. 只模拟必要的部分：不要过度模拟，可能掩盖真实问题
4. 验证行为而非状态：关注测试对象与依赖的交互
5. 避免脆弱测试：不要过度指定调用细节，以免代码重构时测试失败

警告

模拟对象应仅用于测试，不要在生产代码中使用。

总结

C++模拟对象是单元测试中的重要工具，它们可以：

• 隔离测试单元，排除外部依赖
• 加速测试执行
• 模拟难以重现的场景
• 验证代码间交互的正确性

尽管可以手动创建模拟对象，但Google Mock等框架能极大简化这一工作。掌握模拟对象的使用将帮助你编写更加健壮、可维护的测试代码，提高整体代码质量。

练习

1. 创建一个FileSystem接口和它的模拟实现，包含读取、写入和删除文件的方法
2. 使用Google Mock创建一个网络客户端的模拟对象，并测试依赖于它的下载管理器
3. 实现一个缓存管理器，并使用模拟对象测试其缓存失效策略
4. 使用部分模拟测试数据库连接池的行为

进一步学习资源

• Google Test和Google Mock官方文档
• 《Working Effectively with Unit Tests》- Jay Fields
• 《Growing Object-Oriented Software, Guided by Tests》- Steve Freeman & Nat Pryce
• C++测试驱动开发相关课程和教程