C++ 单元测试与 GoogleTest

C++ 侧对应 pytest 的那篇：用 GoogleTest 把函数行为钉死。工程在 WSL（cmake 3.27 + g++ 11）通过 FetchContent 真实构建、运行并验证。

获取与接入：FetchContent 两条命令

include(FetchContent)
FetchContent_Declare(googletest
    GIT_REPOSITORY https://github.com/google/googletest.git
    GIT_TAG        v1.15.2
)
# 对 Windows：加这一行，避免父项目与 gtest 的运行库设置冲突
set(gtest_force_shared_crt ON CACHE BOOL "" FORCE)
FetchContent_MakeAvailable(googletest)

enable_testing()
add_executable(unit_tests test_calc.cpp)
target_link_libraries(unit_tests PRIVATE calc GTest::gtest_main)
include(GoogleTest)
gtest_discover_tests(unit_tests)          # 把每个用例注册给 ctest

链接 GTest::gtest_main 即可省去自己写 main()（框架提供了默认入口）。

第一个测试：断言两套

#include <gtest/gtest.h>

int add(int a, int b) { return a + b; }

TEST(MathTest, AddsTwoNumbers) {
    EXPECT_EQ(add(1, 2), 3);              // 非致命：失败继续执行本用例
}

TEST(MathTest, HandlesOverflowSafely) {
    ASSERT_EQ(add(0, 0), 0);              // 致命：失败立即返回本用例
    EXPECT_EQ(add(INT_MAX, 1), INT_MIN);  // 有符号溢出是未定义行为，别这么测
}

断言	验证内容
EXPECT_EQ/NE/LT/LE/GT/GE	数值比较（<< 运算符存在时失败会打印两边的值）
EXPECT_TRUE/FALSE	布尔条件
EXPECT_NEAR(v, want, tol)	浮点带容差比较（浮点比较不要用 EQ）
EXPECT_THROW(stmt, ExType) / EXPECT_NO_THROW / EXPECT_ANY_THROW	异常断言
EXPECT_STREQ	C 字符串（EXPECT_EQ 比较的是指针）
EXPECT_FLOAT_EQ / DOUBLE_EQ	按 4 个 ULP 容差比较浮点

EXPECT_* 与 ASSERT_* 的区别只在失败后是否继续：断言后续代码依赖该前提时用 ASSERT（例如先 ASSERT 指针非空，再解引用）。

夹具（fixture）：共享的构造与清理

多个用例需要相同的前置数据时，写一个夹具类：

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

class StackTest : public ::testing::Test {
protected:
    void SetUp() override {          // 每个用例前各跑一次（新鲜状态，互不影响）
        s.push(1);
        s.push(2);
    }
    // TearDown() override {}        // 每个用例后执行
    std::vector<int> s;
};

TEST_F(StackTest, PopsInLifoOrder) {  // 注意是 TEST_F
    EXPECT_EQ(s.back(), 2);
    s.pop_back();
    EXPECT_EQ(s.back(), 1);
}

TEST_F(StackTest, SizeReflectsPushes) {
    EXPECT_EQ(s.size(), 2u);
}

每个 TEST_F 都会新建一份夹具对象——用例之间天然隔离，这是测试可靠性的基础。

参数化测试

struct Case { int input; int want; };

class ParamTest : public ::testing::TestWithParam<Case> {};

TEST_P(ParamTest, AddMatchesExpectation) {
    const Case& c = GetParam();
    EXPECT_EQ(add(c.input, 0), c.want);
}

INSTANTIATE_TEST_SUITE_P(Basic, ParamTest,
    ::testing::Values(Case{0, 0}, Case{5, 5}, Case{-3, -3}));

与 pytest 的 parametrize 思路一致：一套逻辑覆盖一组数据。

Mock：gmock 一小节

依赖外部协作对象（网络、时钟、数据库）时，用 mock 隔离：

#include <gmock/gmock.h>

class Clock {
public:
    virtual ~Clock() = default;
    virtual int now() const = 0;
};

class MockClock : public Clock {
public:
    MOCK_METHOD(int, now, (), (const, override));
};

TEST(ReportTest, UsesCurrentTime) {
    MockClock clock;
    EXPECT_CALL(clock, now()).WillOnce(::testing::Return(42));
    EXPECT_EQ(make_report(clock), 42);      // make_report 收 Clock&
}

原则与 pytest 的 monkeypatch 相同：测试永远不碰真实网络、真实时钟、真实数据库。

运行：ctest 与 gtest 自己的开关

cmake -B build -S . && cmake --build build -j
ctest --test-dir build --output-on-failure       # 走 ctest（CI 友好）
./build/unit_tests                               # 直接运行也可以
./build/unit_tests --gtest_filter='StackTest.*'  # 只跑某些用例
./build/unit_tests --gtest_repeat=100            # 重复跑，抓时序相关的偶发问题
./build/unit_tests --gtest_shuffle               # 打乱顺序，暴露用例间隐性依赖

好习惯：把测试目标加进默认构建（或单独 CI job），每次提交都跑；偶现 bug 先 --gtest_repeat + --gtest_shuffle 复现。

覆盖率（简述）

cmake -B cov -S . -DCMAKE_BUILD_TYPE=Debug -DCMAKE_CXX_FLAGS="--coverage"
cmake --build cov -j && ./cov/unit_tests
gcovr -r . --html-details cov.html               # apt install gcovr

覆盖率高不等于没 bug，但关键分支没覆盖基本等于没测过。

常见坑

坑	说明
断言宏分号后写逻辑	ASSERT_* 失败时 return，所以不能用在返回 void 以外的函数里；夹具辅助函数返回值配合 ASSERT_NO_FATAL_FAILURE()
用例间共享全局状态	全局/静态变量在用例间残留；夹具负责给每个用例干净状态
浮点用 EXPECT_EQ	用 EXPECT_NEAR 或 EXPECT_FLOAT_EQ
EXPECT_EQ 比较字符串指针	C 字符串用 EXPECT_STREQ，std::string 用 EXPECT_EQ
忘 gtest_discover_tests	ctest 看不到用例（No tests were found）
模板代码难测试	显式实例化再测，或收紧到 concepts/接口层测试

配套：Windows 上抓崩溃现场见打印调用堆栈；并发代码另加 ThreadSanitizer；内存问题交给 Valgrind（见内存问题排查）。

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