JUnit 实现原理（1）：测试是如何跑起来的

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背景

继上一个系列初步研究了单元测试神器 Mockito 的实现原理之后，这个系列关注一下单元测试框架本身：JUnit。

相信大家对于在 IDE 中执行单元测试毫不陌生。除了单元测试，我也经常会用 JUnit 验证一些 Java 的语法机制，毕竟 Java 不是脚本语言，总得有个入口才能执行程序呀！总不能每次都新建一个 project 吧。如此说来，JUnit 真的是一个非常方便的工具。

下面就来看看，当你点击 IntelliJ 中的“执行测试”的按钮时，JUnit 中到底发生了什么。

（本文基于 JUnit 4.13.2 版本）

JUnit 测试在 IntelliJ 中的执行

以下面一个非常简单的 test 为例：

importstaticorg.junit.Assert.assertEquals;publicclassMyTest{@TestpublicvoidsimpleTest(){assertEquals(1,1);// 在这里加了断点}}

如上所示，我在测试代码上打了断点，通过观察代码执行到这一行时的调用栈，应该就可以大概摸清楚 JUnit 的工作原理。

阶段 0：IntelliJ 部分

你点击的是 IntelliJ 中的按钮，对不对？所以程序的执行一定是从 IntelliJ 开始的，这时候 JUnit 对于你要执行测试这件事还毫不知情！

如果看一下调用栈，会发现前 4 个调用都在 IntelliJ 部分，从第 5 个调用开始才进入 JUnit 的

JUnitCore

：

这部分的源码是看不到的，但大概也能猜出来干了啥，就是采集关于你要执行什么测试的信息，然后把这些信息通过

Runner

对象来传递给 JUnitCore ——也就是下面要讨论的部分——来执行测试。

阶段 1：JUnitCore.run()

很有意思，接下来进入到了 JUnitCore 的一个被标注为 “Do not use” 的

run

方法中：

// org/junit/runner/JUnitCore.java// 第 128 行/**
 * Do not use. Testing purposes only.
 */publicResultrun(Runner runner){Result result =newResult();RunListener listener = result.createListener();
    notifier.addFirstListener(listener);try{
        notifier.fireTestRunStarted(runner.getDescription());// 记录测试开始// 执行测试
        runner.run(notifier);
        notifier.fireTestRunFinished(result);// 记录测试结束}finally{removeListener(listener);}return result;}

看来 JUnit 的人不希望别人调用这个方法，但 IntelliJ 还是调用了。。

IntelliJ 为什么要调用这个方法呢？当然是为了执行测试。和执行测试相关的信息都被放到

runner

这个对象中了（比如你执行的是哪个测试类，或者哪个测试方法，等等），也就是说执行它就可以了。

但这一阶段的代码并不负责执行测试本身，而是做一件额外的事情：信息记录。

在测试执行的各个阶段都会产生信息。比如，测试的开始时间？测试是否通过？测试的结束时间？这些信息都需要记录，但由于这些信息分别产生于不同阶段，所以要想把它们统一收集到一个地方就会比较麻烦。而我们的确是需要把它们统一收集到一个地方的（比如，统一传回给 IDE 进行 UI 展示）。

这个时候，“观察者模式” 就派上用场了。可以看到，方法的第一行首先首先创建了一个

Result

类的对象

result

，这个就是用来收集所有测试相关信息的对象！

紧接着让

result

创建一个

listener

对象，并“挂载”到

notifier

（这是一个类成员）对象。在测试开始前和结束后分别执行

notifier.fireTestRunStarted

和

notifier.fireTestRunFinished

方法，这样相当于确保把“测试开始”和“测试结束”的相关信息收集到

result

中了！

而在真正执行测试的那行：

runner.run(notifier)

notifier

也被作为参数传进去了。可以想见，测试执行过程中发生了重要事件，都会调用

notifier

的某个方法；而又因为

result

是

notifier

的 listener，所以这些信息就被顺利收集到

result

对象中了！

再来看这段代码最后：从

notifier

中移除

result

这个 listener，然后返回

result

对象。很合理！因为信息已经收集完毕，作为结果返回就行了。

阶段 2：ParentRunner.run()

上一阶段主要负责的是信息收集逻辑。真正触发测试执行的是其中的

runner.run(notifier)

那一行。

正是通过这一行，进入到了第二个阶段：ParentRunner。因为这里的

runner

（即 IntelliJ 传过来的包含所有执行测试所需信息的对象）就是一个 ParentRunner 类的实例。

来看一下这部分的代码：

// org/junit/runners/ParentRunner.java// 第 406 行@Overridepublicvoidrun(finalRunNotifier notifier){EachTestNotifier testNotifier =newEachTestNotifier(notifier,getDescription());
    testNotifier.fireTestSuiteStarted();try{// 确定测试执行方案Statement statement =classBlock(notifier);// 执行测试
        statement.evaluate();}catch(AssumptionViolatedException e){
        testNotifier.addFailedAssumption(e);}catch(StoppedByUserException e){throw e;}catch(Throwable e){
        testNotifier.addFailure(e);}finally{
        testNotifier.fireTestSuiteFinished();}}

先来看一下第一行，构建了一个

testNotifier

。可以把它大体看做 “装饰模式”，是对

notifier

的装饰。它仍然是基于

notifier

的，用

testNotifier

触发事件实际上相当于用

notifier

触发事件。所以，可以看到这个方法内在很多地方都在用

testNotifier

触发事件，其实本质上还是在用

notifier

收集各个测试阶段的信息，统一收集到上面提到的

result

对象中。

实际上，除掉

notifier

相关的逻辑，这个方法里只剩下 2 行代码：

// 确定测试执行方案Statement statement =classBlock(notifier);// 执行测试
statement.evaluate();

这里的

Statement

是一个抽象类，定义如下：

// org/junit/runners/model/Statement.javapublicabstractclassStatement{/**
     * Run the action, throwing a {@code Throwable} if anything goes wrong.
     */publicabstractvoidevaluate()throwsThrowable;}

后面会看到，

Statement

其实很好地体现了 “组合模式”：每个

Statement

都是一个可执行的组件，在执行它的时候，可能会触发更多子组件（同样是

Statement

实例）的执行。例如，当你执行一个测试类的时候，其下所有测试方法都会被执行、所有

@Before

和

@After

注解方法也会执行。

但是当你调用

statement.evaluate()

的时候，不必关心它究竟是一个 “组合” 还是一个单体。这样就把所有可执行的组件一视同仁，用相同的方法去处理，而不必关心它背后的结构是复杂还是简单。

好了，下面来看一下第一行：

// 确定测试执行方案Statement statement =classBlock(notifier);

classBlock

这个方法之所以要传入

notifier

，不是因为需要它来确定测试执行方案，而是用它来收集相关信息。我们当前是在 ParentRunner 类的

runner

实例中，执行测试所需信息都已经存在于这个实例中了，不需要任何额外信息。

classBlock

的代码可以说是比较关键的：

// org/junit/runners/ParentRunner.java// 第 212 行protectedStatementclassBlock(finalRunNotifier notifier){Statement statement =childrenInvoker(notifier);// 注意这一行，我们的 MyTest.simpleTest() 就在这里面 if(!areAllChildrenIgnored()){
        statement =withBeforeClasses(statement);
        statement =withAfterClasses(statement);
        statement =withClassRules(statement);
        statement =withInterruptIsolation(statement);}return statement;}

需要注意的是，这个方法只是安排测试的执行，并没有实际执行测试。

“安排”的结果就体现在

statement

对象中。这个方法返回的

statement

对象很可能是一个结构异常复杂的对象。

通过依次查看

childrenInvoker

、

withBeforeClasses

、

withAfterClasses

、

withClassRules

和

withInterruptIsolation

的代码，可以看到，这里处理了 JUnit 中几个重要逻辑：

• childrenInvoker：依次安排所有子测试的执行（比如一个测试类下的所有 @Test 方法，包括我们的 MyTest.simpleTest()）；
• withBeforeClasses：在执行子测试之前，安排执行所有 @BeforeClass 方法；
• withAfterClasses：在执行子测试之后，安排执行所有 @AfterClass 方法；
• withClassRules：依次应用所有 @ClassRule 字段或方法对应的 rule（应用的结果是修改 statement ，即对执行测试的安排）；
• withInterruptIsolation：无论测试执行中是否出现异常，最终都安排调用 Thread.interrupted()；

这几个方法的逻辑都不复杂，很好地体现了 “组合模式” 的优点（把复杂度隐藏在简单的类型背后）。

测试安排好了，下面该执行了吧：

// 执行测试
statement.evaluate();

这一行代码，就会按顺序执行前面安排好的测试了。

首先会走到这一段代码：

// org/junit/runners/ParentRunner.java// 第 301 行protectedfinalStatementwithInterruptIsolation(finalStatement statement){returnnewStatement(){@Overridepublicvoidevaluate()throwsThrowable{// 从这里进入try{
                statement.evaluate();// 会走到这里}finally{Thread.interrupted();}}};}

这是因为，上面也提到了，

statement = withInterruptIsolation(statement);

为我们的

statement

包裹上了一层

try..finally..

，这样无论测试执行中是否出现异常，最终都会调用

Thread.interrupted()

。

而从这里来算，离我们真正要执行的测试

MyTest.simpleTest()

就不远了。因为我们并没有

@BeforeClass

注解，所以直接略过了该步骤，开始执行测试本身了，也就进入了下一个阶段。

阶段 3：ParentRunner.runChildren()

还记得前面提到的

Statement statement = childrenInvoker(notifier);

这一行代码吗，现在我们进来了：

// org/junit/runners/ParentRunner.java// 第 289 行protectedStatementchildrenInvoker(finalRunNotifier notifier){returnnewStatement(){@Overridepublicvoidevaluate(){runChildren(notifier);// 就是这里}};}

然后就走到了这一阶段的关键：

// org/junit/runners/ParentRunner.java// 第 325 行privatevoidrunChildren(finalRunNotifier notifier){finalRunnerScheduler currentScheduler = scheduler;try{for(finalT each :getFilteredChildren()){// 遍历 child
            currentScheduler.schedule(newRunnable(){// 执行该 childpublicvoidrun(){ParentRunner.this.runChild(each, notifier);}});}}finally{
        currentScheduler.finished();}}

可以看到，这个阶段只做了两件事：

• 遍历 child；
• 使用 currentScheduler 来调度执行每个 child；

事实上，第二件事没有看起来那么复杂。这个

RunnerScheduler

接口的本意是加一层抽象，这样就能更灵活地支持除了顺序执行以外的其他调度方式——比如并行执行。

RunnerScheduler

是 2009 年加上来的，但直到十三年之后的今天，仍然没有除了顺序执行以外的实现。

也就是说，这个

currentScheduler

所做的事情其实就是立刻执行而已。。甚至连

finally{}

中

currentScheduler.finished();

方法也是个空方法。

上面的代码等价于如下版本：

privatevoidrunChildren(finalRunNotifier notifier){for(finalT each :getFilteredChildren()){// 遍历 childParentRunner.this.runChild(each, notifier);// 执行该 child}}

哈哈哈哈哈哈哈哈！是不是简洁了很多？

阶段 4：BlockJUnit4ClassRunner.runChild()

上面的代码自然把我们带到了

runChild()

方法里：

// org/junit/runners/BlockJUnit4ClassRunner.java// 第 91 行@OverrideprotectedvoidrunChild(finalFrameworkMethod method,RunNotifier notifier){Description description =describeChild(method);if(isIgnored(method)){
        notifier.fireTestIgnored(description);}else{Statement statement =newStatement(){@Overridepublicvoidevaluate()throwsThrowable{methodBlock(method).evaluate();// 然后走到这里，执行测试！}};runLeaf(statement, description, notifier);// 会先走这里}}

值得一提的是，这里已经不是 ParentRunner 了（ParentRunner 是一个抽象类），而是一个派生类 BlockJUnit4ClassRunner。这是 JUnit 默认使用的派生类，没有什么特别之处。

可以看到，这段代码也没做太多事。首先是判断该测试方法是否带有

@Ignore

注解，如果有的话就记录相应信息，然后什么也不做；如果没有的话（正常情况），就走到

runLeaf()

方法中。

runLeaf()

也不过是用

notifier

采集一些信息，包括各种异常情况的信息收集，没有什么特别的逻辑，这里就不放上来了。

然后就会走到上面标注的这行：

methodBlock(method).evaluate();// 执行测试！

还记不记得前面在 “阶段 2：ParentRunner.run()” 中，有一个

classBlock()

方法？这里的

methodBlock()

非常类似，只不过是针对测试方法而不是测试类的：

// org/junit/runners/BlockJUnit4ClassRunner.java// 第 303 行protectedStatementmethodBlock(finalFrameworkMethod method){Object test;try{
        test =newReflectiveCallable(){@OverrideprotectedObjectrunReflectiveCall()throwsThrowable{returncreateTest(method);}}.run();}catch(Throwable e){returnnewFail(e);}Statement statement =methodInvoker(method, test);
    statement =possiblyExpectingExceptions(method, test, statement);
    statement =withPotentialTimeout(method, test, statement);
    statement =withBefores(method, test, statement);
    statement =withAfters(method, test, statement);
    statement =withRules(method, test, statement);
    statement =withInterruptIsolation(statement);return statement;}

先来看一下前半部分：

Object test;try{
    test =newReflectiveCallable(){@OverrideprotectedObjectrunReflectiveCall()throwsThrowable{returncreateTest(method);}}.run();}catch(Throwable e){returnnewFail(e);}

这一部分的目的是构造一个测试类的实例。为什么呢？因为每个

@Test

测试都是一个方法，对吧？方法不能凭空执行啊（又不是 static 方法），所以需要在某个具体实例上执行。

比如，我这里执行的是

MyTest.simpleTest()

方法，所以实际上 JUnit 会先创建出来一个

MyTest

的实例

test

，然后在这个实例上执行该方法，即

test.simpleTest()

。

也就是说，对于同一个测试类下的每个测试方法，JUnit 都会新创建一个实例来执行！这样有一个好处，就是你可以初始化一些测试类的成员变量，而它们不会被各个测试方法共享（我就看到过这种用法，当时还奇怪，不同测试方法之间难道不会相互影响吗？后来查了才知道并不会，因为每个测试方法都运行在不同的实例上，起到相互隔离的作用）。

回到我们的代码，其中

ReflectiveCallable

的部分可能看起来有点儿晕，但那其实只是为了解决抛出

InvocationTargetException

异常时的小烦恼。如果忽略掉这一层面的逻辑，上述代码就可以简化成下面这样了：

Object test;try{
    test =createTest(method);}catch(Throwable e){returnnewFail(e);}

是不是就很简单了呢！

好了，再来看看后半部分代码吧：

Statement statement =methodInvoker(method, test);
statement =possiblyExpectingExceptions(method, test, statement);
statement =withPotentialTimeout(method, test, statement);
statement =withBefores(method, test, statement);
statement =withAfters(method, test, statement);
statement =withRules(method, test, statement);
statement =withInterruptIsolation(statement);return statement;

这部分代码和前面的

classBlock

实在是太像了，不需要过多解释应该也能明白了：

• methodInvoker：安排测试方法的执行；
• possiblyExpectingExceptions：有些异常是测试所预期抛出的（可以在 @Test 注解上加 expected 参数），这里处理这种情况；
• withPotentialTimeout：处理超时情况（@Test 注解的 timeout 参数）；
• withBefores：在测试方法执行前，安排执行 @Before 注解的方法；
• withAfters：在测试方法执行后，安排执行 @After 注解的方法；
• withRules：依次应用所有 @Rule 字段或方法对应的 rule（应用的结果是修改 statement ，即对执行测试的安排）；
• withInterruptIsolation：无论测试执行中是否出现异常，最终都安排调用 Thread.interrupted()；

当然，我们这里的

MyTest

测试类非常简单，没有任何

@Before

、

@BeforeClass

、

@After

、

@AfterClass

、

@Rule

或者

@ClassRule

，只需要关注

simpleTest()

测试方法本身的执行就可以了！

对应的就是上面的

methodInvoker

：

// org/junit/runners/BlockJUnit4ClassRunner.java// 第 333 行protectedStatementmethodInvoker(FrameworkMethod method,Object test){returnnewInvokeMethod(method, test);}

methodInvoker

返回的是一个

Statement

，最终会被执行

evaluate()

，也就来到了下一阶段。

阶段 5：InvokeMethod.evaluate()

至此，终于要执行我们的测试方法本身了！

// org/junit/internal/runners/statements/InvokeMethod.javapublicclassInvokeMethodextendsStatement{privatefinalFrameworkMethod testMethod;privatefinalObject target;publicInvokeMethod(FrameworkMethod testMethod,Object target){this.testMethod = testMethod;this.target = target;}@Overridepublicvoidevaluate()throwsThrowable{
        testMethod.invokeExplosively(target);// 就是这里！}}

不知道为什么要起这么一个奇怪的名字

invokeExplosively

。。但总之，这里就是要执行我们的

simpleTest()

测试啦！来看下

invokeExplosively

的代码：

// org/junit/runners/model/FrameworkMethod.javapublicObjectinvokeExplosively(finalObject target,finalObject... params)throwsThrowable{returnnewReflectiveCallable(){@OverrideprotectedObjectrunReflectiveCall()throwsThrowable{return method.invoke(target, params);}}.run();}

前面提到过，

ReflectiveCallable

只是为了解决抛出

InvocationTargetException

异常时的小烦恼。如果忽略掉这一层面的逻辑，上述代码就可以简化成下面这样了：

publicObjectinvokeExplosively(finalObject target,finalObject... params)throwsThrowable{return method.invoke(target, params);}

其实就是执行我们的

simpleTest()

测试方法而已！其中：

• method 就是我们的 simpleTest，这里用 Java 反射来执行该方法；
• target 就是前面提到的专门为执行该方法创建的 MyTest 实例；
• params 本来应该是执行方法的参数，但这里为空；

然后就到我们打的断点了！

小结

JUnit 只是一个执行单元测试的框架，没有什么深奥的原理。理论上来说，你我都能写出这样一个框架。

但不得不说，即便只是实现这样并不深奥的功能，JUnit 的代码组织也非常精巧，值得学习：

首先，不同层面的逻辑被拆分到了不同地方，这样它们之间就可以互不干扰，有非常清晰的边界；

其次，组合模式的使用（也就是那个

Statement

接口）很好地封装了复杂性。

之后有机会的话，会继续探索 JUnit 源码。