全栈代码测试覆盖率及用例发现系统的建设和实践
本文首发于微信公众号 “Shopee 技术团队”
1. 背景
随着项目不断深入迭代，业务逻辑以及用户场景日渐复杂，补充和维护单元测试维护的成本也变得越来越高。测试覆盖质量通过测试用例评审或者人工 Code Review 的方式费时费力，单凭多方沟通和经验累积的方法，往往不够准确，也难以避免开发人员存在在代码上线前“夹带私货”的场景，并且没有量化的、直观的客观数据来支撑。
为了在有限的时间及人力成本内保证项目质量，实现对项目质量的精细化管理，我们研发了 Finder —— 全栈代码测试覆盖率及用例发现系统（下文简称 Finder），通过精确化的数据量化代码质量，从而实现精准化测试。本文将介绍 Finder 的总体架构，以及它作为质量保障体系中的重要一环，如何在项目中实现精确化测试。
2. Finder 项目介绍
Finder 主要分为两个模块，一个是测试过程中对代码测试覆盖率进行收集与统计，一个是分析代码和用例的映射关系，精准确定回归测试范围。
代码测试覆盖率统计模块，能够满足多环境、多需求、多服务的复杂测试场景，实时收集测试过程中的覆盖率信息，并生成覆盖率统计报告；其支持多端语言接入（Web、React Native、Golang），实现前后端项目全覆盖，打通整体研发流程。
相关用例发现模块，针对变动的代码分析函数调用关系，追溯完整的调用关系链路，标记出所影响的 API 接口及相关用例，确定测试回归范围。
3. 架构设计
Finder 分为代理层、应用层、核心服务层三个模块：
[*]代理层 Finder Agent，负责前期数据采集的工作，包括编译阶段的代码插桩、覆盖率数据的采集、解析源码函数调用关系信息等；
[*]应用层 Finder Platform，包含需求信息管理、分支信息管理、单文件覆盖率染色图展示、API 信息展示、测试用例关联、函数调用链展示等页面模块；
[*]核心服务层 Finder Server，其中，覆盖率分析和服务调用分析是最主要的两个模块：
[*]覆盖率分析，对收集到的覆盖率数据进行数据聚合、差异增量分析、数据修正等操作；
[*]服务调用分析，将源码解析工具传输来的数据进行数据结构转换后，完成调用拓扑图生成、API 信息关联、测试用例发现等操作。
在前期完成数据采集的接入工作后，测试人员无需额外操作，正常进行业务测试，测试完成后可以在可视化平台中查看覆盖率数据、相关测试用例等信息。
4. 实现方案
4.1 代码测试覆盖率模块
代码覆盖率模块主要分为两个步骤，第一步是通过对项目源码插桩，采集覆盖率信息；第二步是对覆盖率信息进行分析，通过可视化平台展示统计报告。
步骤一：插桩与数据采集
代码插桩，意为在程序中插入一些代码，用于跟踪被测程序的某些信息。对于覆盖率测试而言，插桩的目的是检测程序中可执行语句被执行（即被覆盖）的情况。
Finder 支持 JS 和 Golang 两种程序语言的代码覆盖率统计，接入成本低，对业务需求无侵入性。
[*]对于 JS 程序，我们在 babel 编译阶段进行插桩操作，注入到全局对象 window 中。我们提供了上报覆盖率数据的 npm 包 —— coverage-report，前端应用接入后会主动上报数据到 Finder Server；
[*]Golang 程序的覆盖率接入对业务项目零侵入，只需要引入 Finder Agent —— 覆盖率收集工具：它在编译阶段对源码插桩，包括 Git 信息和覆盖率信息注入；插桩完成后的服务会启动一个统计覆盖率的 Http Server，Finder Server 通过该 Http Server 提供的接口定时请求覆盖率数据。
步骤二：差异覆盖率统计
比起全量代码的覆盖率，实际上我们更关心改动代码部分的覆盖率情况。可以通过 Git 指令对比功能分支与 master 分支的代码差异，过滤无关代码，只针对改动代码部分进行覆盖率统计。
为实现差异覆盖率的计算，我们约定以行（line）作为维度的结构表示 Git 代码差异和覆盖率信息，满足两者一一对应的关系。
首先将 Git 分支对比得到的 Diff 数据转换成以代码行作为索引的数组格式，元素的值有空值和 + 两种枚举值：
[*]空值代表没有改动；
[*]+ 代表有改动。
覆盖率数组也转换成以代码行作为索引的数组格式，元素的值有 -1、0、1 三种枚举值：
[*]-1 代表无需统计覆盖率的代码（例如空格，注释等）；
[*]0 代表未覆盖的代码（尚未执行）；
[*]1 代表已覆盖的代码（已被执行）。
将 Diff 数据与覆盖率数组进行合并，将非改动代码的覆盖率值置为 -1 。得到最终的差异覆盖率数据。
关键问题一：数据源标准化
由于不同程序语言上报的覆盖率数据结构都不一致，我们需要将数据源标准化，统一转化以行（line）为维度的数组结构。
首先，前端应用上报的覆盖率数据包含三种维度的覆盖率数据：
[*]Statement Coverage：语句维度的覆盖率数据；
[*]Branch Coverage：条件维度的覆盖率数据，例如 if/else、switch、三元运算符等；
[*]Function Coverage：函数维度的覆盖率数据。
对于这三类覆盖率，我们做出以下数据转换：
我们采用与操作将三类覆盖率数据合并为行覆盖率，即一行代码满足三类覆盖率才算被执行过。
而后端 Golang 服务采集的覆盖率数据，如下图。
同样，我们也需要将其转换为行维度的数组结构。
关键问题二：确保代码变更后的覆盖率正确性
在集成测试的过程中，开发人员不可避免地会进行代码更新。当代码更新后，我们希望能够记录新代码改动覆盖率的同时，依然保持原有代码的覆盖率数据。所以我们需要获取新旧提交之间的代码差异，对原有覆盖率数据进行“修正”操作：
对原有的覆盖率数据，先删除 diff 结果中被移除的代码对应的覆盖率数据，再插入 diff 结果中新增的代码对应的覆盖率数据。
举个例子：
对比首次提交 commit 1 和 master 分支，得到首次改动：新增三行代码。
标记这三行代码的行索引 3、4、8，并统计它们的覆盖率。
对比 commit 1 和 commit 2，得到两次提交之间的改动：删除之前两行代码，新增一行代码。
移除原数据中第 3、4 行数据，然后插入新改动代码的行索引 7（删除后的索引位置）并统计新改动的覆盖率。
修正后的结果和 commit 2 与 master 分支对比的结果一致，既保留了首次改动的覆盖率数据，也记录了新改动的覆盖率数据。
关键问题三：单环境的代码覆盖率采集
在实际开发流程中，研发环境只有一套，我们往往不能独占它，所有周版本需求都在 staging 环境开发，在 test 环境测试。这样会出现一个问题：由于这种单一环境的测试流程，导致统计出来的覆盖率无法区分来自哪个具体功能分支，进而影响对各功能需求的测试范围判断。
为了解决这个问题，我们提出两个方案：
第一个方案是搭建多泳道研发环境，通过 PFB（Per Feature Branch）的形式对各需求开发环境进行隔离。PFB 是一个可以快速搭建虚拟环境的工具。它支持将多个功能分支版本同时部署在同一个测试环境中，且每个功能分支可拥有单独的流量访问，从而实现不同的功能分支可拥有相对隔离的虚拟环境。
但是由于这个架构改动较大，距离落地到项目中还需一段时间，因此第二个方案应运而生：我们对单一的集成分支进行功能追溯，判别出变动代码是属于合并进来的哪一个功能分支，并进行分类展示。
[*]通过 Git Blame 命令从集成分支中判别出到各行代码对应的 commit hash；
[*]通过 Git Branch 命令查找 commit hash 来自哪一个功能分支。
通过以上两步寻找到每行代码与功能分支的对应关系，与覆盖率结果进行映射后可得出对单一集成分支的功能追溯效果，解决单环境的代码覆盖率采集问题。
4.2 相关用例发现模块
相关用例发现模块的关键是通过追溯变动代码的调用关系链，确定测试回归范围。这个过程主要分为两个阶段：源码解析阶段和数据分析阶段。
步骤一：源码解析
我们在 Gitlab CI 接入源码解析工具，当有新代码提交时，触发源码解析。
通过对抽象语法树 AST 和中间转换代码 SSA 进行解析，得到以下数据：
[*]项目 Git 信息
[*]函数基本信息
[*]函数调用关系
[*]RPC 调用信息
[*]API 信息
最后将这些数据都打包统一发送到 Finder 服务端。
步骤二：数据分析
Finder 服务端接收到解析数据后，进行差异增量代码的函数调用关系全链路追溯，最后标记出相关的 API 信息及测试用例。具体追溯流程如下：
[*]Git Diff 得到功能分支与 Master 分支对比的代码改动；
[*]通过差异增量代码的所在行数，确定所属函数体，进入步骤 3；
[*]追溯指定函数的调用关系，直到寻找到 API 触发函数；
[*]若遇到 RPC 调用的情况，进行 RPC 调用关系追溯，找到 RPC 调用方函数，继续回到步骤 3 的操作；
[*]追溯工作完成，得到从变动函数到 API 触发函数的调用关系全链路；
[*]通过以上得到的 API 触发函数，标记相关的 API 信息及测试用例。
每次代码变更都会触发上述流程，得到最新的函数调用链路信息，在可视化前台中展示该功能分支的变动函数调用关系链，以及相关测试用例。
关键问题：后端微服务架构串联，全链路覆盖
目前我们后端服务采用了分布式的微服务架构，例如一个购买商品的流程，当用户进入 APP 浏览商品时，会发起请求经过网关层，转发到商品服务，然后在创建订单时会调起订单服务，订单服务再调用用户信息服务和促销服务，整个过程还会调用多个基础服务共同完成一次操作流程。
我们希望除了解析服务内的调用关系外，也需要服务间的调用关系串联起来，得到完整的调用链路。
为了解决这个问题，我们针对项目中的 RPC 调用关系进行静态解析，通过寻找调用方函数——RPC Command——被调用方函数三者的关联关系，对调用方函数和被调用方函数进行标记，当函数调用关系链追溯到被调用方函数时，匹配到其对应的调用方函数，继续向上追溯，从而得到服务间的完整调用关系链路。
5. 实践应用
Finder 通过接入团队中的项目流程管理系统，在整个需求生命周期的各个环节发挥着不同的作用。
5.1 提测阶段
5.1.1 覆盖率提测达标
开发人员必须达到规定的覆盖率标准才能提测，对于覆盖率未达标的情况，开发人员需要反推代码逻辑是否存在问题，进一步分析前期技术方案设计不够合理，还是对技术方案的实现有误，或者是在实现过程中造成的策略性放弃等。
5.1.2 覆盖率定制化
针对不同项目会有定制化的覆盖率要求，支持配置需要忽略统计覆盖率的文件类型以及目录。
对于移动端应用，提供 iOS 和 Android 双平台的覆盖率数据统计，这样能够提前暴露移动端的兼容性问题，保证提测交付质量。
5.2 测试阶段
5.2.1 覆盖率实时分析
测试人员介入测试后可以在 Finder 平台上实时查看覆盖率分析结果，了解该测试版本变更代码的测试覆盖情况。
5.2.2 覆盖率染色图
通过代码覆盖率染色图辅助整个测试过程，方便测试人员对测试用例进行查漏补缺，尽可能保证所有关键场景都能覆盖到；同时可以驱动测试人员加强对代码的理解，充分把控代码质量。
5.2.3 需求维度覆盖率统计
通过关联项目管理系统，从需求级别的角度，提供该需求下各模块的覆盖率数据，包括不同的后端服务和前端应用，辅助测试人员做决策，衡量质量风险。
5.3 回归阶段
标记变更范围
根据代码变更范围推断出函数变更范围，进一步标记出相关测试用例，从而实现用例和代码的关联关系。
用例发现分析报告中会标记出该需求变更部分的相关信息，包括变更的函数调用关系链路和受影响的 API 接口，测试人员从中可以快速确定回归测试范围，通过更小的维度更精准地度量测试质量，针对性进行自动化/手工测试，极大减少回归阶段的工作量，以较小的回归成本保证较高的测试质量。
6. 未来展望
Finder 作为项目中质量保障体系中的一环，目前还处于初级阶段。在未来我们会持续寻找 Finder 在研测协同体系中的更优实践。
1）支持更多维度的覆盖率数据统计
我们希望在统计方面可以提供更产品化更精细化的数据，包括关键字覆盖率、相关代码覆盖率、高风险覆盖率等，能够更好地辅助测试人员做决策。
2）精准记录 Bug 轨迹
后续我们打算支持通过以添加标记的形式单独统计覆盖率，通过记录 bug 的完整代码轨迹，还原问题的复现路径，精确定位问题所在。
3）建立用例知识库
构建用例与代码映射关系，形成用例知识库，支持对代码和用例进行关联管理，精确推荐改动代码关联的用例，提供测试用例优化建议。
本文作者
Hao、Qianguang，前端工程师，来自 Shopee Digital Purchase 团队。
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