嵌入C语言的测试驱动开发：为什么要调试？

要点

1.为什么你会遇上这些bug？因为它们是你放的。

2.在TDD(测试驱动的开发)中，你会在一个严格的反馈循环中，开发测试与生产代码。

3.TDD可能有助于避免恼人的Zune bug。

4.目标硬件瓶颈有多种形式，你可以在严格的TDD反馈循环中，用TDD来避开瓶颈。

5.TDD帮助你确保自己的代码如期望那样运行。但如果不是这样，你该如何建立一个可靠的系统？

6.TDD快速地发现小的和大的逻辑错误，防止出现bug，使最终得到较少的bug。

我们的工作方式都是编写代码，然后努力让它运行起来。先建立，然后改错。测试是以后的事，即写完代码后才要做的事。在不可预期的调试工作上，大概要花掉我们一半的时间。在日程表上，调试工作都穿着测试与集成的外衣。它是风险与不确定性的一个来源。修正了一个bug可能会产生另一个bug，有时甚至是一连串的bug。

保持调试的统计有助于预测要花多少时间才能消除bug。你要度量和管理bug。看曲线的拐点，拐点表示了趋势，告诉你最后修正的bug要比产生的多。拐点表示的是已经做的事，但你永远不知道是否在代码的某个阴暗角落还躲藏着其它的致命bug。

可制造性设计的一个方面是确定为什么你会有这些bug。答案很简单：错误是我们放进去的。这就是我们的工作方式。在开发以后的测试时，就会发现问题(图1和参考文献1)。我们在开发时会制造错误，测试的工作就是找到这些问题。只要仔细地测试，就会发现错误。开发后的测试工作意味着必须找到、修复和管理大量的错误。

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图1，在开发以后做测试时，会发现缺陷

这种调试居后的编程程序是当今最常见的编程方式。先写代码，再调试它。调试居后的编程方式有风险。人都会犯错误。你既不能确定bug将在何时现身，也不能确定会花多长时间才能发现它们(图2)。

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图2，人都会犯错误。你无法确定bug何时出现，以及要花多少时间才能找到它们

当发现一个bug的时间(TD)增加时，寻找bug根源的时间(TFIND)也会增加，通常增加得更多。如果从错误的引入到发现要花数小时、数天、数周，甚至数月时间，你已忘掉了当时的背景，必须开始做bug大扫荡。当你在开发周期以外发现缺陷时，就必须管理bug。对于有些bug，发现的时间不会影响修复的时间(TFIX)，但有些代码的运行也可能依赖于bug，修改这些bug会造成其它bug。

短周期以及主动的测试自动化可节省时间和工作量。这时，你再不需要重复繁重而易错的手工测试。有了测试自动化，重复测试几乎不会增加额外工作量。测试自动化快速地探测出副作用，避免了对调试事务的需求。

另一种方案是TDD(测试驱动的开发)，它在一个严格反馈的循环中开发出测试代码与生产代码(参考文献2和3)。一个TDD微循环是：编写一个测试，未编译时观察该测试，做编译且测试失败，使编译通过，清除任何多余内容，并重复该过程直至结束。编写测试代码与编写生产代码是整合的过程。如果犯了一个错误，没有通过新测试，你马上就可以知道并改正错误。测试会告诉你是否通过了新测试却产生了某个错误。在设备测试装置中加入自动化测试(图3)，就可以自由地做重复测试。

图3，测试会告诉你是否通过了新的测试，但却引入了一个bug。自动测试要插入到一个单元测试装置中

在TDD反馈回路中做开发与测试时，只能避免一部分bug的出现，但不能完全消除。TDD对设计以及时间的分配方式有着意义深远的影响。

与后调试的编程模式相反，TDD并不包含追踪错误的风险与不确定性(图4)。当发现一个错误的时间接近于0时，寻找错误根源的时间也会趋于0。刚产生的代码问题通常显而易见。如果不那么明显，则开发人员只要简单地恢复刚做的修改，就可以回到一个可运行的系统。寻找和修改错误的时间和产生的时间一样少，只有当程序员记忆随时间而模糊，并且有更多的代码依赖于较早的错误时，事件才会变糟。

TDD为错误提供了即时的通知，可防止出现很多要被迫追踪的bug。TDD可防止出现缺陷，而后调试编程会带来耗时耗力的调试工作。

Zune bug

TDD可能有助于避免恼人的Zunebug。微软公司的Zune是为了与苹果公司的iPod竞争。2008年12月31日，Zune变成了“专为一天的程序块(abrick for a day)”。12月31日是新年前夜，是一个闰年的最后一天，这是30G Zune要经历的第一个闰年。很多人都将Zune错误归因于时钟驱动程序中的一个函数。虽然列表1中的代码并非实际的驱动程序码，但它有相同的效果。你可以从列表1中Zune的无限循环中找到一些端倪吗？

图4，TDD对于设计以及时间的使用有深远的影响。与调试居后的编程模式比较，TDD

没有回溯追踪bug的风险与不确定性

图5，对快速反馈的需求使TDD微循环离开目标硬件，而原生地运行在开发系统上。一个TDD循环包括双重目标的风险，但提供了快速TDD反馈回路的好处

很多代码阅读专家审查了这个代码，并得出了可能与您一样的错误结论。闫年的最后一天是该年第366天，而Zune对这种情况的处理是错误的。在这一天，该函数永远不会返回！我编写了设定年份以及年中天数的代码，看是否像90%的Zune bug专家预测的那样，将天数的布尔代码设定为等于或大于366就能解决问题。代码放入测试装置后，我编写了测试用例(列表2)。和Zune一样，测试进入了一个无限循环。我采用了经过数千名程序员审核的适当修复方法。出乎我的意料，测试失败了；设定年份与天数的测试认为日期是2009年1月0日。新年前夜，人们仍会拥有自己的音乐，但Zune仍有个bug。

一次测试就可以防止Zune bug。可你怎么知道要去写这样一个测试？只有知道bug在哪里才会写测试。问题是，你并不知道bug在哪里；它们可以在任何地方。所以，这意味着你必须为所有的部分写测试，至少是所有可能中断的地方。难以想象要考虑到所有需要测试的东西。但不必担心，你不需要针对全年每一天做测试。你只需要一个针对有关天数的测试。

计算机编程很复杂，TDD能够系统化地让你的代码按本意运行起来，并提供能使代码工作的自动化测试用例。

嵌入设计

当我首次使用TDD时，我认识到，它可能有助于解决一个问题：目标硬件的瓶颈，这是令很多嵌入软件开发人员头疼的事情。瓶颈有多种形式，你可以使用TDD，在严格的TDD反馈循环期间避免瓶颈的出现。很多嵌入开发工作都已实现了软硬件的并行开发。如果软件只能在目标硬件上运行，则可能浪费至少一次的时间。例如，目标硬件可能迟至交付期还不可用，推迟了软件的测试；硬件可能昂贵且稀少；或者它本身就有问题。目标硬件还可能有长的建立时间或长的上传时间。大多数嵌入开发团队都遇到过这些问题，它们会减缓进度，并减少了建立今天复杂系统的反馈。

为避免目标硬件的瓶颈，可以采用“双重目标”法，即设计自己的生产代码与测试，使之大部分运行在标准PC上。但双重目标有自己的风险。开发系统中测试代码的信任度是建立在交付给目标以前的代码上。大多数双重目标风险是源于开发环境与目标环境之间的差异。这些差异包括对语言特性支持的改变量、不同编译器的bug、运行时库的差异、文件名差异，以及不同的字长等。由于这些风险，你会发现，在一个环境下能无错运行的代码，可能在另一个环境下出现测试错误。

不过，执行环境中潜在的差异不应成为阻碍采用双重目标方法的理由。相反，你可以在实现目标的路途中解决这些障碍。嵌入TDD周期在不牺牲优点的前提下，克服了挑战。

开发循环

当建立与测试循环只需几秒时间时，TDD是最有效的。这种方案为大多数程序员排除了在循环中使用目标硬件的情况。快速反馈的需求将TDD微循环与目标分离开，而运行在开发系统上。图5显示了一个TDD循环，它包含着双重目标的风险，提供了快速TDD反馈循环的好处。

表1中所列的各个阶段，预计可以在相应的阶段发现问题。例如，你会发现每个阶段都有助于找到这些问题。第1阶段会在你编程时给出快速反馈，确定代码做你想要做的事。第2阶段确保你的代码是在两种环境下编译。第3阶段确保代码在主处理器和目标处理器上的运行相同。评估硬件可能需要比目标更多的存储器，这样才能把测试代码和生产代码都装入地址空间。有时候，如果你有一个可靠的目标硬件，它有空间运行对单元的测试，也可以省略掉第3阶段。第4阶段是在目标硬件上运行测试。在第4阶段可以引入一些依赖于硬件的单元测试。第5阶段是看你的系统完全整合时，是否如其应该的那样运行。至少让第5阶段的某些部分自动运行，这是一种好的想法。采用TDD的团队会发现第1阶段中的巨大价值，可能不要实现全部各个阶段。

嵌入TDD循环并不能阻止所有问题，不过它应有助于在适当的阶段发现大多数刚刚产生的问题。你还应至少每个夜晚手动执行第2至第4阶段。连续的集成服务器(如Cruise Control或Jenkins)都可以观察你的源码库，在check-in后开始做建立工作。

TDD有助于确保你的代码做你想要做的事。如果不是这样，如何才能建立一个可靠的系统呢？它帮助你让代码在最开始时保持正确，它建立一个逐步测试的组件，帮助你维持代码的运行。你在发现、追踪和修改bug上要花掉相当多的时间。很多开发人员现在都用TDD来防止这些bug的出现。它基本上改变了你的编程方式。

TDD能快速地发现小的和大的逻辑错误，阻止bug的产生，并最终得到较少的bug。较少的bug也意味着较少的调试时间，以及较少的缺陷。当新代码危及一个约束或一个假设时，测试会告诉你。然后，有良好结构的测试会成为一种形式的可执行文档。

TDD还让你放心，这种信心来自于一个带有完备回归测试组件的彻底测试代码。采用TDD的开发人员称周末不再受干扰，并且睡眠更好。TDD还监控进度，追踪当前的工作，以及做了多少工作。当代码变得难以测试时，它还对设计问题提出早期警告。