XUnit数据共享与并行测试

2023年6月12日
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引言

在单元或者集成测试的过程中，需要测试的用例非常多，如果测试是一条一条过，那么需要花费不少的时间。从 V2 开始，默认情况下 XUnit 自动配置并行（参考资料），大大提升了测试速度。本文将对 ASP.NET CORE WEBAPI 程序进行集成测试，并探讨 XUnit 的数据共享与测试并行的方法。

XUnit默认在一个类内的测试代码是串行执行的，而在不同类的测试代码是并行执行的。

集成测试

对于集成测试来说，我们有一些比较重的资源初始化，而我并不想他们在并行执行中重复初始化，因此需要将并行执行的资源共享。

我们现在的测试类是这样的：

    public class ProgramTests : IClassFixture<WebApplicationFactory<Program>>
    {
        private readonly WebApplicationFactory<Program> _factory;
        private readonly ITestOutputHelper testOutputHelper;
        private readonly HttpClient _client;
        public ProgramTests(WebApplicationFactory<Program> factory, ITestOutputHelper testOutputHelper)
        {
            _factory = factory;
            this.testOutputHelper = testOutputHelper;
            _client = _factory.WithWebHostBuilder(builder =>
            {
                builder.UseEnvironment(Environments.Production);
            }).CreateClient(new WebApplicationFactoryClientOptions() { BaseAddress = new Uri("http://localhost:9000") });
            var token = TokenHelper.GetToken("username", "password");
            _client.DefaultRequestHeaders.Authorization = new System.Net.Http.Headers.AuthenticationHeaderValue("Bearer", token);
            // Act
        }

        [Fact]
        public async Task V1Legacy_GetDeviceInfoes()
        {
            string url = "url1";
            // Arrange
            testOutputHelper.WriteLine($"Testing:{url}");
            var response = await _client.GetAsync(url);

            // Assert
            response.EnsureSuccessStatusCode(); // Status Code 200-299
            var result = await response.Content.ReadAsStringAsync();
            var target = JsonSerializer.Deserialize<DeviceInfo>(result, new JsonSerializerOptions { PropertyNameCaseInsensitive = true });
            Assert.NotNull(target); 
        }

        [Fact]
        public async Task V1Legacy_GetCurrent()
        {
            var url = "url2";
            // Arrange
            testOutputHelper.WriteLine($"Testing:{url}");
            var response = await _client.GetAsync(url);

            // Assert
            response.EnsureSuccessStatusCode(); // Status Code 200-299
            var result = await response.Content.ReadAsStringAsync();
            var target = JsonSerializer.Deserialize<DeviceDataDto>(result, new JsonSerializerOptions {PropertyNameCaseInsensitive = true });
            Assert.NotNull(target);
        }

        [Theory]
        [InlineData("url3")]
        [InlineData("url4")]
        public async Task V1Legacy_CheckUrlExist(string url)
        {
            // Arrange
            testOutputHelper.WriteLine($"Testing:{url}");
            var request = new HttpRequestMessage(HttpMethod.Head, url);
            var response = await _client.SendAsync(request);

            // Assert
            Assert.NotEqual(404, (int)response.StatusCode); 
        }
    }

在这个测试中，使用 IClassFixture 进行集成测试，确保同一个类之内的代码共享同一个资源，不同测试方法串行执行。

TIPS: 这里我使用 HEAD 请求来探查给定地址是否存在，ASP. NET CORE 会默认拒绝这个请求（返回406），但是不会提示 404 的错误。

现在的运行时间是这样的：

单类优化

首先研究为什么这个程序花费了如此多的时间执行测试，XUnit 在进行不同 Fact 的测试时，会生成不同的对象，我们已经通过实现 IClassFixture<WebApplicationFactory<Program>> 共享了必要的数据吗？

并没有，XUnit 只是注入了 WebApplicationFactory<Program>，而我们在构造函数中执行了很多费时间的操作，包括构造 HttpClient ，获取 token 等。由于获取 token 的函数需要调用外部服务花费了很长的时间，我们可以尝试注入 HttpClient 进行优化。

请注意：大多数情况注入 HttpClient 不是一个好主意，更推荐利用 WebApplicationFactory<Program> 对每个测试动态生成 HttpClient 以保证 HttpClient 是初始干净的状态。

我们加入一个新的类：

    public class SharedHttpClientFixture : IDisposable
    {
        public HttpClient Client { get; init; }

        public SharedHttpClientFixture()
        {
            WebApplicationFactory<YourAssemblyName.Program> factory = new();
            
                Client = factory.WithWebHostBuilder(builder =>
                        {
                            builder.UseEnvironment(Environments.Production);
                        }).CreateClient(new WebApplicationFactoryClientOptions() { BaseAddress = new Uri("http://localhost:9000") });

            var token = TokenHelper.GetToken("username", "password");
            Client.DefaultRequestHeaders.Authorization = new System.Net.Http.Headers.AuthenticationHeaderValue("Bearer", token);
            // Act
        }

        public void Dispose()
        {
            //throw new NotImplementedException();
        }
    }

并修改测试类的签名：

    public class ProgramTests : IClassFixture<SharedHttpClientFixture>
    {
        private readonly ITestOutputHelper testOutputHelper;
        private readonly HttpClient _client;
        public ProgramTests(SharedHttpClientFixture httpClientFixture, ITestOutputHelper testOutputHelper)
        {
            _client = httpClientFixture.Client;
            this.testOutputHelper = testOutputHelper;
        }

改完之后，速度提升效果还是非常显著的：

跨类串行

我们多数情况下不会将所有的测试都放在一个类中，对于多个类，我们需要跨类共享。XUnit 使用 ICollectionFixture<> 支持跨类共享。代码主体拆成两个类，并修改类签名如下：

    [Collection("V1 Test Fixture")]
    public class ProgramTests
    {
    ...
    }
    [Collection("V1 Test Fixture")]
    public class UploadTests
    {
	....
	}

我们需要新定义一个类，这个类没有实质性作用，只是作为标识：

    [CollectionDefinition("V1 Test Fixture")]
    public class TestCollection : ICollectionFixture<SharedHttpClientFixture>
    {
        // This class has no code, and is never created. Its purpose is simply
        // to be the place to apply [CollectionDefinition] and all the
        // ICollectionFixture<> interfaces.
    }

我们针对多个类进行测试：

跨类并行（数据不共享）

我们注意到，不同类使用了相同的 Collection 进行标注，因此他们实际上会进行同步调度——上一个执行完成后才会开始执行下一个测试。我们如果使用并行会怎么样呢？显然，修改 Colleciton 会对每个类都生成一次需要注入对象，数据不能直接被共享。

    [Collection("V1 Test Fixture1")]
    public class ProgramTests
    {
    ...
    }
    [Collection("V1 Test Fixture")]
    public class UploadTests
    {
	....
	}
	[CollectionDefinition("V1 Test Fixture1")]
    public class Test1Collection : ICollectionFixture<SharedHttpClientFixture>
    {
        // This class has no code, and is never created. Its purpose is simply
        // to be the place to apply [CollectionDefinition] and all the
        // ICollectionFixture<> interfaces.
    }
        [CollectionDefinition("V1 Test Fixture")]
    public class TestCollection : ICollectionFixture<SharedHttpClientFixture>
    {
        // This class has no code, and is never created. Its purpose is simply
        // to be the place to apply [CollectionDefinition] and all the
        // ICollectionFixture<> interfaces.
    }

初始化语句会被执行两次，我们实现了并行，但是数据并不是共享的。（大多数情况下已经够用了。）

跨类并行（数据共享）

由于任务并行无法得知其他任务的工作状态，这个时候数据共享可能会引入很多线程问题（竞争、死锁等），因此不太建议在这种情况下进行共享，我最终也是使用的并行不共享的方式实现。如果我们非得这么用，也不是不行，我们需要小心处理线程同步问题，以互斥锁为例：

 public class SharedHttpClientFixture : IDisposable
    {
        private static HttpClient _httpClient;
        public HttpClient Client => GetClient();

        private HttpClient GetClient()
        {
            if (_httpClient == null) Init();
            return _httpClient;
        }


        public static Mutex count = new();

        public SharedHttpClientFixture()
        {

        }

        private void Init()
        {
            count.WaitOne();
            if(_httpClient == null)
            {
				...
            }
            count.ReleaseMutex();
        }

        public void Dispose()
        {
            //throw new NotImplementedException();
        }
}

这样多个类型使用静态变量实现了共享，并利用互斥锁保证初始化只执行一次。

由于引入了线程同步机制，这种情况下，并行测试并不一定意味着性能会更好，实际上往往还会更差。

生命周期

XUnit 对共享的数据类型执行以下策略：

  • 对 IClassFixture，类的第一个测试方法执行之前，会对注入对象进行初始化。随后每一个方法都会生成测试的类的新对象，并将注入对象传递给他们，在测试类中所有测试方法执行完毕后销毁。
  • 对 ICollectionFixture，多个类中执行的第一个测试方法之前会对注入对象进行初始化。随后每一个方法都会生成测试类的新对象，并且将注入对象传递给他们，在所有测试类的最后一个方法执行完毕之后销毁。

Program 可见性

默认情况下 Program 是其他项目不可见的，这样会导致 WebApplicationFactory<Program> 提示错误。.NET 6 开始引入了 minimal API，我的项目是升级而来，并没有使用到这个东西，所以 Program 类是对外可见的。

    public class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            var builder = WebApplication.CreateBuilder(args);
            builder.WebHost.UseUrls("http://*:9000");
            ConfigureServices(builder.Services, builder.Configuration);
            var app = builder.Build();
            Configure(app);
            app.Run();
        }
    }

如果使用 Minimal API，那么你需要在项目文件中对测试项目公开可见性。

<ItemGroup>
     <InternalsVisibleTo Include="MyTestProject" />
</ItemGroup>

或者在 Program.cs 的最后加上一行。

var builder = WebApplication.CreateBuilder(args);
// ... Configure services, routes, etc.
app.Run();
+ public partial class Program { }

注意事项

在 Microsoft.VisualStudio.TestPlatform.TestHost 命名空间也有一个 Program 类，如果你自己实现自定义类型，由于默认引用，不注意就使用了这个东西，而不是你 API 的 Program 类，这样会导致测试无法运行，提示：“找不到 testHost.dep.json”这样的错误，所以尽量使用带命名空间的限定名称。

结论

在 XUnit 测试中，可以使用 IClassFixture 与 ICollectionFixture 来进行数据共享，对于相同类之间的测试会默认进行的串行测试，对不同类之间共享数据的情况，也会进行串行调用。对于在不同类的测试，推荐使用不共享数据的并行测试，数据共享越多，造成状态不一致的风险就越大，因此建议有限制地使用测试数据共享。

请注意，XUnit 不会统计注入对象的初始化时间，而且多次运行测试时间会有一些区别，因此本文中列出的时间仅供参考。

拓展阅读

如果觉得自带的方注入方式满足不了你的要求，那么可以考虑使用第三方类库实现的支持 XUnit 的依赖注入容器。请关注这个项目： pengweiqhca/Xunit.DependencyInjection: Use Microsoft.Extensions.DependencyInjection to resolve xUnit test cases. (github.com)

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