C++ 编译器能抓住类型错误，却抓不住「divide(10, 0) 该不该抛异常」「阶乘边界算对没有」——这些只能靠跑起来验证。第 15 篇 的工厂、策略可以测；本篇用 GoogleTest 把测试写进工程：TEST、Fixture、参数化、Mock、CMake 集成。

demo：ref/cpp_demo/basics/testing_demo/（C++17，GoogleTest v1.17.0）。

这是「现代 C++ 实战」系列的第 16 篇。建议先读 第 15 篇：现代设计模式。

一、为什么 C++ 更需要测试？

编译期能抓住 编译期抓不住
类型不匹配、未声明标识符 除零、越界、错误算法
部分 constexpr 逻辑 多线程竞态、资源泄漏
Concepts 约束 API 契约（返回值、异常）

重构 第 14 篇 线程池、第 08 篇 错误处理时，回归测试是安全网。GoogleTest（gtest）+ GoogleMock（gmock）是 C++ 生态事实标准。

二、GoogleTest 基础：TEST 与断言

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#include <gtest/gtest.h>

TEST(CalculatorTest, Add) {
    EXPECT_EQ(Calculator::add(2, 3), 5);
    EXPECT_EQ(Calculator::add(-1, 1), 0);
    EXPECT_EQ(Calculator::add(0, 0), 0);
    EXPECT_DOUBLE_EQ(Calculator::add(0.1, 0.2), 0.3);  // 浮点数比较
}

被测对象是 src/calculator.hpp 里的 Calculator：全是 static 成员函数，add / subtract / multiply / divide 接收并返回 double（divide 除数为 0 时抛 std::invalid_argument("除数不能为 0")），factorial(int) 返回 long long，is_prime(int) 返回 bool。

宏 含义
TEST(Suite, Name) 独立测试用例，Suite 用于分组
EXPECT_* 失败继续执行本用例后续断言
ASSERT_* 失败立即终止本用例 
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TEST(CalculatorTest, ExpectVsAssert) {
    EXPECT_EQ(Calculator::add(1, 1), 2);  // 失败仍继续
    EXPECT_EQ(Calculator::add(2, 2), 4);

    ASSERT_EQ(Calculator::multiply(2, 3), 6);  // 失败则后面不跑
    EXPECT_EQ(Calculator::multiply(3, 4), 12);
}

想亲眼看到两者的差别，demo 另外准备了一个故意失败的用例，用 DISABLED_ 前缀默认禁用，不影响 ctest 通过：

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TEST(CalculatorTest, DISABLED_ExpectVsAssertFailureDemo) {
    EXPECT_EQ(Calculator::add(1, 1), 3);       // 失败，但继续往下执行
    EXPECT_EQ(Calculator::add(2, 2), 4);       // 仍会执行
    ASSERT_EQ(Calculator::multiply(2, 3), 7);  // 失败，立即终止本用例
    EXPECT_EQ(Calculator::multiply(3, 4), 12); // 不会执行
}
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./build/testing_demo --gtest_also_run_disabled_tests --gtest_filter='*FailureDemo*'

输出里能看到两条失败信息：EXPECT_EQ 失败后后续断言照常执行；ASSERT_EQ 失败后本用例立即返回，第三条断言不再运行。

常用断言：

宏 用途
EXPECT_EQ / EXPECT_NE 相等 / 不等
EXPECT_TRUE / EXPECT_FALSE 布尔
EXPECT_LT / EXPECT_GT / … 大小比较
EXPECT_NEAR 浮点近似（第三参数为误差）
EXPECT_DOUBLE_EQ 浮点「按位」相等
EXPECT_THROW(expr, ExceptionType) 期望抛指定类型异常
EXPECT_ANY_THROW(expr) 期望抛任意异常
EXPECT_NO_THROW(expr) 期望不抛
EXPECT_STREQ C 字符串相等（demo 用来比对 e.what()）

入口（demo main.cpp）：

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int main(int argc, char** argv) {
    testing::InitGoogleTest(&argc, argv);
    return RUN_ALL_TESTS();
}

也可链接 GTest::gtest_main，省去手写 main。demo 两者都用了：main.cpp 自带 main，同时链接了 GTest::gtest_main——链接器优先使用目标文件里的 main，静态库里的那份不会被拉进来，所以不冲突。

三、Test Fixture：共享 setup / teardown

多个用例要共用初始化时，用 TEST_F + 继承 ::testing::Test：

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class CalculatorFixture : public ::testing::Test {
protected:
    void SetUp() override {
        test_values_ = {1, 2, 3, 4, 5};
    }
    void TearDown() override {
        test_values_.clear();
    }
    std::vector<int> test_values_;
};

TEST_F(CalculatorFixture, FactorialWithFixture) {
    EXPECT_EQ(Calculator::factorial(test_values_[0]), 1);
    EXPECT_EQ(Calculator::factorial(test_values_[2]), 6);
    EXPECT_EQ(Calculator::factorial(test_values_[4]), 120);
}

TEST_F(CalculatorFixture, IsPrimeWithFixture) {
    EXPECT_TRUE(Calculator::is_prime(test_values_[1]));   // 2 是质数
    EXPECT_TRUE(Calculator::is_prime(test_values_[2]));   // 3 是质数
    EXPECT_FALSE(Calculator::is_prime(test_values_[3]));  // 4 不是质数
}

每个 TEST_F 都会：新建 Fixture → SetUp → 测试体 → TearDown。用例之间不共享 Fixture 实例，避免状态污染。

四、参数化测试：TEST_P

同一逻辑、多组输入，避免复制粘贴：

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class CalculatorParamTest
    : public ::testing::TestWithParam<std::tuple<int, long long>> {};

TEST_P(CalculatorParamTest, FactorialParamTest) {
    auto [input, expected] = GetParam();
    EXPECT_EQ(Calculator::factorial(input), expected);
}

INSTANTIATE_TEST_SUITE_P(
    FactorialValues,
    CalculatorParamTest,
    ::testing::Values(
        std::make_tuple(0, 1LL),
        std::make_tuple(1, 1LL),
        std::make_tuple(2, 2LL),
        std::make_tuple(3, 6LL),
        std::make_tuple(4, 24LL),
        std::make_tuple(5, 120LL)
    )
);

demo 里还有一组同样写法的 PrimeParamTest（TestWithParam<std::tuple<int, bool>>，8 组输入，实例化名 PrimeValues）。

组件 作用
TestWithParam<T> 参数类型 T
TEST_P 参数化用例
INSTANTIATE_TEST_SUITE_P 绑定参数表；每组参数生成一个独立测试

还可 ::testing::Combine 做笛卡尔积；TYPED_TEST 对多种类型实例化同一模板测试——demo 用 ::testing::Types<int, long, long long, float, double> + TYPED_TEST_SUITE(TypedCalculatorTest, TestTypes)，AddWorksWithDifferentTypes 对每种 TypeParam 各跑一次 add。

五、Mock 与依赖注入

单元测试要隔离被测单元：数据库、网络、文件系统应替换为假实现。

手段 做法
依赖注入 构造函数传入接口或 std::function
接口 + 假对象 测试里传 FakeDatabase
GMock MOCK_METHOD 生成 mock，设 EXPECT_CALL

demo 只用到了 gmock 的 Matchers，没有 Mock 用例；下面是示意代码（需 #include <gmock/gmock.h> 并链接 GTest::gmock）：

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class Database {
public:
    virtual ~Database() = default;
    virtual int query(const std::string& sql) = 0;
};

class MockDatabase : public Database {
public:
    MOCK_METHOD(int, query, (const std::string& sql), (override));
};

class Service {
public:
    explicit Service(Database* db) : db_(db) {}
    int run() { return db_->query("SELECT 1"); }
private:
    Database* db_;
};

TEST(ServiceTest, UsesDatabase) {
    MockDatabase db;
    EXPECT_CALL(db, query("SELECT 1")).WillOnce(::testing::Return(42));
    Service svc(&db);
    EXPECT_EQ(svc.run(), 42);
}

原则：测逻辑不测基础设施；能注入就不 new 真实依赖。与 第 15 篇 Strategy / Factory 天然配合。

六、Matchers：EXPECT_THAT

GMock 提供 Matchers，断言更可读（demo 含 <gmock/gmock.h>）：

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std::vector<int> primes = {2, 3, 5, 7, 11, 13};
EXPECT_THAT(primes, ::testing::SizeIs(6));
EXPECT_THAT(primes, ::testing::Contains(7));
EXPECT_THAT(primes, ::testing::Not(::testing::Contains(4)));

double result = Calculator::divide(10.0, 3.0);
EXPECT_THAT(result, ::testing::DoubleNear(3.333333, 0.000001));

int factorial_result = Calculator::factorial(5);
EXPECT_THAT(factorial_result, ::testing::AllOf(
    ::testing::Gt(100),
    ::testing::Lt(200),
    ::testing::Eq(120)
));

适合容器、字符串、浮点区间；复杂条件用 AllOf / AnyOf / Not 组合（demo 的 CalculatorTest.MoreMatchers 还演示了 IsTrue() / IsFalse() / AnyOf）。

七、CMake 集成：FetchContent + CTest

demo CMakeLists.txt 用 FetchContent 拉 gtest v1.17.0，无需系统预装：

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include(FetchContent)
FetchContent_Declare(
  googletest
  URL https://github.com/google/googletest/archive/refs/tags/v1.17.0.tar.gz
)
set(BUILD_GMOCK ON CACHE BOOL "" FORCE)
FetchContent_MakeAvailable(googletest)

enable_testing()

add_executable(testing_demo
    src/main.cpp
    src/calculator_test.cpp
)
target_include_directories(testing_demo PRIVATE
    ${CMAKE_CURRENT_SOURCE_DIR}/src
)
target_link_libraries(testing_demo PRIVATE
    GTest::gtest
    GTest::gtest_main
    GTest::gmock
)

add_test(NAME CalculatorTests COMMAND testing_demo)
set_tests_properties(CalculatorTests PROPERTIES TIMEOUT 60)
步骤 说明
FetchContent_MakeAvailable 下载并 add_subdirectory gtest
enable_testing() 启用 CTest
add_test ctest / CI 可批量跑
BUILD_GMOCK ON 同时构建 gmock，Matchers 需要
GTest::gtest_main 提供默认 main（demo 自带 main.cpp，实际用的是自己的）

运行：

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cd ref/cpp_demo/basics/testing_demo
./build.sh --run          # 编译并运行 testing_demo
# 或
./build.sh
cd build && ctest --output-on-failure
# 或直接（在 build 目录下）
./testing_demo

一共 29 个用例：CalculatorTest 8 个、CalculatorFixture 2 个、FactorialValues/CalculatorParamTest 6 个、PrimeValues/PrimeParamTest 8 个、TypedCalculatorTest 5 种类型各 1 个，全部 PASSED；末尾会提示 YOU HAVE 1 DISABLED TEST，就是上面那个故意失败的演示用例。

过滤用例：./testing_demo --gtest_filter=CalculatorTest.Add；运行被禁用的用例：加 --gtest_also_run_disabled_tests。

八、编写测试的习惯

建议 原因
一个 TEST 只测一件事 失败时定位快
命名说清意图 DivideByZeroThrows 优于 Test3
优先 EXPECT，慎用 ASSERT 一次看到多个失败
边界与异常 0、负数、空容器、除零
CI 里跑 ctest 每次 push 自动回归

九、小结

主题 要点
TEST / EXPECT / ASSERT 基本用例与断言语义
TEST_F SetUp/TearDown 共享夹具
TEST_P 多组参数，INSTANTIATE_TEST_SUITE_P
Mock 依赖注入 + GMock 隔离外部
CMake FetchContent + enable_testing + add_test

现代 C++ 实战系列第 16 篇完。下一篇 C++23 新特性——expected、deducing this、std::print。

系列导航

篇号 标题 状态
15 现代设计模式 ✅
16 GoogleTest 单元测试（本篇） ✅
17 C++23 新特性 ✅