高手回答
我们在进行单元测试时，经常需要关注一个覆盖率的指标，许多发布流程甚至要求达到特定的百分比。
那么，单元测试覆盖率是如何统计的呢？其底层实现原理又是怎样的呢？
单元测试覆盖率的统计原理实际上是通过字节码插桩实现的。也就是说，在编译期间会向代码中注入一些特殊的监控代码，以记录测试执行过程中代码的执行情况，从而推断代码的覆盖情况。这些监控代码能在运行时记录代码的执行情况，也能在编译时生成代码覆盖率报告。
常见的单元测试覆盖率统计工具包括JaCoCo、Emma、Cobertura等，这些工具能够在编译或运行时对代码进行插桩，并记录代码的执行情况，最终生成覆盖率报告。
具体见下表：
工具 | Jacoco | Emma | Cobertura |
原理 | 使用 ASM 修改字节码 | 修改 jar 文件，class 文件字节码文件 | 基于 jcoverage,基于 asm 框架对 class 文件插桩 |
覆盖粒度 | 行，类，方法，指令，分支 | 行，类，方法，基本块，指令，无分支覆盖 | 项目，包，类，方法的语句覆盖/分支覆盖 |
插桩 | on the fly、offline | on the fly、offline | offline，把统计代码插入编译好的class文件中 |
生成结果 | 在 Tomcat 的 catalina.sh 配置 javaangent 参数，指出需要收集覆盖率的文件，shutdown 时才收集，只能使用 kill 命令关闭 Tomcat，不要使用 kill -9 | html、xml、txt，二进制格式报表 | html，xml |
缺点 | 需要源代码 | 1、需要 debug 版本，并打来 build.xml 中的 debug 编译项；2、需要源代码，且必须与插桩的代码完全一致 | 1、不能捕获测试用例中未考虑的异常；2、关闭服务器才能输出覆盖率信息（已有修改源代码的解决方案，定时输出结果；输出结果之前设置了 hook，会与某些服务器的 hook 冲突，web 测试中需要将 cobertura.ser 文件来回 copy |
性能 | 快 | 小巧 | 插入的字节码信息更多 |
执行方式 | maven，ant，命令行 | 命令行 | maven，ant |
Jenkins 集成 | 生成 html 报告，直接与 hudson 集成，展示报告，无趋势图 | 无法与 hudson 集成 | 有集成的插件，美观的报告，有趋势图 |
报告实时性 | 默认关闭，可以动态从 jvm dump 出数据 | 可以不关闭服务器 | 默认是在关闭服务器时才写结果 |
维护状态 | 持续更新中 | 停止维护 | 停止维护，不支持java1.8的lamda表达式 |
什么是字节码插桩
Java字节码插桩技术是指在编译期或运行期，通过修改Java字节码的方式，在代码中插入额外的代码。这种技术可以在不改变Java源代码的情况下，对Java应用程序的运行时行为进行监控、调试、分析和优化等操作。举例来说，它可以用于实现性能监控、代码覆盖率检测、代码安全扫描等功能。
字节码插桩技术通常包括以下几个步骤：
- 生成目标类的字节码，这一步可以通过Java编译器（如javac）或其他工具（如AspectJ）来完成。
- 解析字节码，识别需要进行插桩的代码区域（如方法、循环、异常处理等）。
- 插入额外的字节码，通常通过编写Java代码来实现这一步，然后利用字节码生成库（如ASM、Javassist等）生成相应的字节码。
- 将修改后的字节码重新写回到磁盘或内存中，以供后续使用。
假设我们希望对一个Java方法进行性能监控，我们可以在方法的入口和出口处分别插入计时器，以统计方法的执行时间。以下代码展示了如何实现这一功能：
public class Monitor {
public static void start() {
long startTime = System.nanoTime();
// 将起始时间记录到ThreadLocal中，以便在方法返回时进行计算
ThreadLocalHolder.set("startTime", startTime);
}
public static void end() {
long endTime = System.nanoTime();
// 获取起始时间
long startTime = (long) ThreadLocalHolder.get("startTime");
// 计算方法执行时间
long elapsedTime = endTime - startTime;
System.out.println("Method execution time: " + elapsedTime + "ns");
}
}
public class Example {
public void method() {
Monitor.start();
// 执行方法逻辑
Monitor.end();
}
}然而，若需监控多个方法的性能，分别在每个方法中插入Monitor.start()和Monitor.end()将导致代码重复、可读性下降，并存在遗漏的风险。在这种情况下，可以借助字节码插桩技术，在编译期或运行期间自动向每个方法的入口和出口处插入Monitor.start()和Monitor.end()，以确保代码的统一性和可维护性。
具体实现可借助字节码生成库ASM或Javassist来实现，此处以ASM为例。以下代码展示了如何使用ASM对Example类进行字节码插桩：
import org.objectweb.asm.ClassReader;
import org.objectweb.asm.ClassVisitor;
import org.objectweb.asm.ClassWriter;
import org.objectweb.asm.MethodVisitor;
import org.objectweb.asm.Opcodes;
import java.io.IOException;
public class MonitorTransformer implements Opcodes {
public static byte[] transform(byte[] classBytes) throws IOException {
ClassReader reader = new ClassReader(classBytes);
ClassWriter writer = new ClassWriter(ClassWriter.COMPUTE_MAXS | ClassWriter.COMPUTE_FRAMES);
ClassVisitor visitor = new ClassVisitor(Opcodes.ASM5, writer) {
@Override
public MethodVisitor visitMethod(int access, String name, String desc, String signature, String[] exceptions) {
MethodVisitor mv = super.visitMethod(access, name, desc, signature, exceptions);
// 只为指定方法添加字节码插桩
if ("method".equals(name) && "()V".equals(desc)) {
mv = new MethodVisitor(Opcodes.ASM5, mv) {
@Override
public void visitCode() {
super.visitCode();
// 在方法执行之前插入字节码
mv.visitMethodInsn(INVOKESTATIC, "Monitor", "start", "()V", false);
}
@Override
public void visitInsn(int opcode) {
// 在方法返回之前插入字节码
if (opcode == RETURN) {
mv.visitMethodInsn(INVOKESTATIC, "Monitor", "end", "()V", false);
}
super.visitInsn(opcode);
}
};
}
return mv;
}
};
reader.accept(visitor, ClassReader.EXPAND_FRAMES);
return writer.toByteArray();
}
}
