C++ 测试与调试的核心知识，涵盖测试分类与原则、主流单元测试框架（Google Test 和 Catch2）的安装与使用、Linux 下 GDB 及 Windows 下 Visual Studio 调试器的操作指南。文章通过一个完整的计算器项目案例，展示了从项目结构搭建、核心代码实现到 CMake 构建配置的完整流程，并包含单元测试与集成测试的具体代码示例。最后总结了关键知识点并提供了进阶练习与挑战，旨在帮助开发者建立规范的测试思维，提升代码质量与系统稳定性。
本章将深入探讨 C++ 测试与调试的核心知识，帮助你确保代码的质量与稳定性。通过学习，你将能够：
测试可以分为以下几类：
测试应该遵循以下原则：
Google Test 是一个广泛使用的 C++ 单元测试框架，它提供了丰富的断言和测试宏。
安装 Google Test
# Ubuntu/Debian
sudo apt-get install libgtest-dev
# macOS (Homebrew)
brew install googletest
Google Test 示例
#include <gtest/gtest.h>
#include "MyClass.h"
// 测试 MyClass 的构造函数
TEST(MyClassTest, ConstructorTest) {
MyClass obj;
EXPECT_EQ(obj.getValue(), 0);
}
// 测试 MyClass 的 setValue 和 getValue 方法
TEST(MyClassTest, SetGetValueTest) {
MyClass obj;
obj.setValue(42);
EXPECT_EQ(obj.getValue(), 42);
}
// 测试 MyClass 的 add 方法
TEST(MyClassTest, AddTest) {
MyClass obj;
obj.setValue(10);
int result = obj.add(20);
EXPECT_EQ(result, 30);
EXPECT_EQ(obj.getValue(), 30);
}
// 测试 MyClass 的 subtract 方法
TEST(MyClassTest, SubtractTest) {
MyClass obj;
obj.setValue(50);
int result = obj.subtract(20);
EXPECT_EQ(result, 30);
EXPECT_EQ(obj.getValue(), 30);
}
int main(int argc, char** argv) {
::testing::InitGoogleTest(&argc, argv);
return RUN_ALL_TESTS();
}
Catch2 是另一个流行的 C++ 单元测试框架，它提供了更简洁的语法和更丰富的功能。
安装 Catch2
# Ubuntu/Debian
sudo apt-get install catch2
# macOS (Homebrew)
brew install catch2
Catch2 示例
#define CATCH_CONFIG_MAIN
#include <catch2/catch.hpp>
#include "MyClass.h"
// 测试 MyClass 的构造函数
TEST_CASE("MyClass Constructor Test", "[constructor]") {
MyClass obj;
REQUIRE(obj.getValue() == 0);
}
// 测试 MyClass 的 setValue 和 getValue 方法
TEST_CASE("MyClass Set and Get Value Test", "[setget]") {
MyClass obj;
obj.setValue(42);
REQUIRE(obj.getValue() == 42);
}
// 测试 MyClass 的 add 方法
TEST_CASE("MyClass Add Test", "[add]") {
MyClass obj;
obj.setValue(10);
int result = obj.add(20);
REQUIRE(result == 30);
REQUIRE(obj.getValue() == 30);
}
// 测试 MyClass 的 subtract 方法
TEST_CASE("MyClass Subtract Test", "[subtract]") {
MyClass obj;
obj.setValue(50);
int result = obj.subtract(20);
REQUIRE(result == 30);
REQUIRE(obj.getValue() == 30);
}
GDB 是 Linux 下常用的调试器，它提供了丰富的调试功能。
GDB 基本命令
# 编译程序时添加调试信息
g++ -g program.cpp -o program
# 启动 GDB
gdb program
# 常用 GDB 命令
break main # 在 main 函数处设置断点
run # 运行程序
next # 执行下一行代码（不进入函数）
step # 执行下一行代码（进入函数）
print variable # 打印变量的值
watch variable # 监听变量的变化
backtrace # 打印调用栈
continue # 继续执行程序
quit # 退出 GDB
GDB 调试示例
#include <iostream>
#include "MyClass.h"
int main() {
MyClass obj;
obj.setValue(42);
int result = obj.add(20);
std::cout << "结果：" << result << std::endl;
return 0;
}
Visual Studio 提供了强大的图形化调试器，支持断点、变量查看、调用栈等功能。
Visual Studio 调试步骤
集成测试是测试多个模块的集成功能，确保它们能够协同工作。集成测试可以分为以下几类：
#include <gtest/gtest.h>
#include "Calculator.h"
#include "Parser.h"
// 测试 Calculator 和 Parser 的集成功能
TEST(IntegrationTest, CalculateTest) {
Calculator calculator;
Parser parser;
// 测试加法
std::string expression = "10 + 20";
int result = parser.parse(expression);
EXPECT_EQ(result, 30);
// 测试乘法
expression = "10 * 20";
result = parser.parse(expression);
EXPECT_EQ(result, 200);
// 测试括号
expression = "(10 + 20) * 3";
result = parser.parse(expression);
EXPECT_EQ(result, 90);
}
CalculatorProject/
├── include/
│ ├── Calculator.h
│ └── Parser.h
├── src/
│ ├── Calculator.cpp
│ ├── Parser.cpp
│ └── main.cpp
├── tests/
│ ├── CalculatorTest.cpp
│ ├── ParserTest.cpp
│ └── IntegrationTest.cpp
└── CMakeLists.txt
// include/Calculator.h
#ifndef CALCULATOR_H
#define CALCULATOR_H
class Calculator {
public:
static int add(int a, int b);
static int subtract(int a, int b);
static int multiply(int a, int b);
static int divide(int a, int b);
};
#endif // CALCULATOR_H
// src/Calculator.cpp
#include "Calculator.h"
#include <stdexcept>
int Calculator::add(int a, int b) {
return a + b;
}
int Calculator::subtract(int a, int b) {
return a - b;
}
int Calculator::multiply(int a, int b) {
return a * b;
}
int Calculator::divide(int a, int b) {
if (b == 0) {
throw std::invalid_argument("除数不能为零");
}
return a / b;
}
// include/Parser.h
#ifndef PARSER_H
#define PARSER_H
#include <string>
#include "Calculator.h"
class Parser {
public:
int parse(const std::string& expression);
};
#endif // PARSER_H
// src/Parser.cpp
#include "Parser.h"
#include <sstream>
int Parser::parse(const std::string& expression) {
std::istringstream iss(expression);
int a, b;
char op;
iss >> a >> op >> b;
switch (op) {
case '+': return Calculator::add(a, b);
case '-': return Calculator::subtract(a, b);
case '*': return Calculator::multiply(a, b);
case '/': return Calculator::divide(a, b);
default: throw std::invalid_argument("无效的运算符");
}
}
// src/main.cpp
#include <iostream>
#include "Parser.h"
int main() {
Parser parser;
try {
std::string expression;
std::cout << "请输入表达式（例如：10 + 20）: ";
std::getline(std::cin, expression);
int result = parser.parse(expression);
std::cout << "结果：" << result << std::endl;
} catch (const std::exception& e) {
std::cerr << "错误：" << e.what() << std::endl;
return 1;
}
return 0;
}
// tests/CalculatorTest.cpp
#include <gtest/gtest.h>
#include "Calculator.h"
// 测试 Calculator 的 add 方法
TEST(CalculatorTest, AddTest) {
EXPECT_EQ(Calculator::add(10, 20), 30);
EXPECT_EQ(Calculator::add(-10, 20), 10);
EXPECT_EQ(Calculator::add(0, 0), 0);
}
// 测试 Calculator 的 subtract 方法
TEST(CalculatorTest, SubtractTest) {
EXPECT_EQ(Calculator::subtract(20, 10), 10);
EXPECT_EQ(Calculator::subtract(10, 20), -10);
EXPECT_EQ(Calculator::subtract(0, 0), 0);
}
// 测试 Calculator 的 multiply 方法
TEST(CalculatorTest, MultiplyTest) {
EXPECT_EQ(Calculator::multiply(10, 20), 200);
EXPECT_EQ(Calculator::multiply(-10, 20), -200);
EXPECT_EQ(Calculator::multiply(0, 10), 0);
}
// 测试 Calculator 的 divide 方法
TEST(CalculatorTest, DivideTest) {
EXPECT_EQ(Calculator::divide(20, 10), 2);
EXPECT_EQ(Calculator::divide(-20, 10), -2);
EXPECT_THROW(Calculator::divide(10, 0), std::invalid_argument);
}
// tests/ParserTest.cpp
#include <gtest/gtest.h>
#include "Parser.h"
// 测试 Parser 的 parse 方法
TEST(ParserTest, ParseTest) {
Parser parser;
EXPECT_EQ(parser.parse("10 + 20"), 30);
EXPECT_EQ(parser.parse("20 - 10"), 10);
EXPECT_EQ(parser.parse("10 * 20"), 200);
EXPECT_EQ(parser.parse("20 / 10"), 2);
EXPECT_THROW(parser.parse("10 / 0"), std::invalid_argument);
EXPECT_THROW(parser.parse("10 a 20"), std::invalid_argument);
}
// tests/IntegrationTest.cpp
#include <gtest/gtest.h>
#include "Parser.h"
// 测试 Parser 和 Calculator 的集成功能
TEST(IntegrationTest, CalculateTest) {
Parser parser;
EXPECT_EQ(parser.parse("10 + 20"), 30);
EXPECT_EQ(parser.parse("20 - 10"), 10);
EXPECT_EQ(parser.parse("10 * 20"), 200);
EXPECT_EQ(parser.parse("20 / 10"), 2);
EXPECT_THROW(parser.parse("10 / 0"), std::invalid_argument);
}
// CMakeLists.txt
cmake_minimum_required(VERSION 3.10)
project(CalculatorProject)
set(CMAKE_CXX_STANDARD 17)
include_directories(include)
add_library(Calculator src/Calculator.cpp)
add_library(Parser src/Parser.cpp)
add_executable(CalculatorApp src/main.cpp)
target_link_libraries(CalculatorApp Calculator Parser)
add_subdirectory(tests)
// tests/CMakeLists.txt
cmake_minimum_required(VERSION 3.10)
find_package(GTest REQUIRED)
include_directories(${GTEST_INCLUDE_DIRS})
add_executable(CalculatorTests CalculatorTest.cpp ParserTest.cpp IntegrationTest.cpp)
target_link_libraries(CalculatorTests ${GTEST_LIBRARIES} Calculator Parser pthread)
include(GoogleTest)
gtest_discover_tests(CalculatorTests)
# 创建构建目录
mkdir -p build && cd build
# 配置 CMake
cmake ..
# 编译项目
make
# 运行测试
ctest
本章介绍了 C++ 测试与调试的核心知识，包括：
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