IT博客汇 | Go语言gRPC服务Handler单元测试详解

Go语言gRPC服务Handler单元测试详解

bigwhite发表于 2023-11-24 23:29:05

本文永久链接 – https://tonybai.com/2023/11/25/grpc-handler-unit-testing-in-go

在云原生时代和微服务架构背景下，HTTP和RPC协议成为服务间通信和与客户端交互的两种主要方式。对于Go语言而言，标准库提供了net/http/httptest包，为开发人员提供了便捷的方式来构建服务端HTTP Handler单元测试的测试脚手架代码，而无需真正建立HTTP服务器，让开发人员可以聚焦于对Handler业务逻辑的测试。比如下面这个示例：

// grpc-test-examples/httptest/http_handler_test.go

func myHandler(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
    // 设置响应头
    w.Header().Set("Content-Type", "text/plain")

    // 根据请求方法进行不同的处理
    switch r.Method {
    case http.MethodGet:
        // 处理GET请求
        fmt.Fprint(w, "Hello, World!")
    ... ...
    }
}

func TestMyHandler(t *testing.T) {
    // 创建一个ResponseRecorder来记录Handler的响应
    rr := httptest.NewRecorder()

    // 创建一个模拟的HTTP请求，可以指定请求的方法、路径、正文等
    req, err := http.NewRequest("GET", "/path", nil)
    if err != nil {
        t.Fatal(err)
    }

    // 调用被测试的Handler函数，传入ResponseRecorder和Request对象
    // 这里假设被测试的Handler函数为myHandler
    myHandler(rr, req)

    // 检查响应状态码和内容
    if rr.Code != http.StatusOK {
        t.Errorf("Expected status 200; got %d", rr.Code)
    }
    expected := "Hello, World!"
    if rr.Body.String() != expected {
        t.Errorf("Expected body to be %q; got %q", expected, rr.Body.String())
    }
}

注：对http client端的单元测试，也可以利用httptest的NewServer来构建一个fake的http server。

然而，对于使用主流的gRPC等RPC协议的服务端Handler来说，是否存在类似httptest的测试脚手架生成工具包呢？对gRPC的服务端Handler有哪些单元测试的方法呢？在这篇文章中，我们就一起来探究一下。

1. 建立被测的gRPC服务端Handler

我们首先来建立一个涵盖多种gRPC通信模式的服务端Handler集合。

gRPC支持四种通信模式，它们分别为：

简单RPC(Simple RPC，也称为Unary RPC)

这是最简单的，也是最常用的gRPC通信模式，简单来说就是一请求一应答。

服务端流RPC(Server-streaming RPC)

客户端发来一个请求，服务端通过流返回多个应答。

客户端流RPC(Client-streaming RPC)

客户端通过流发来多个请求，服务端以一个应答回复。

双向流RPC(Bidirectional-Streaming RPC)

客户端通过流发起多个请求，服务端也通过流对应返回多个应答。

注：关于gRPC四种通信方式的详情，可以参考我之前写的《gRPC客户端的那些事儿》一文。

我们这个SUT(被测目标)是包含以上四种通信模式的gRPC服务，它的Protocol Buffers文件如下：

// grpc-test-examples/grpctest/IDL/proto/mygrpc.proto

syntax = "proto3";

package mygrpc;

service MyService {
  // Unary RPC
  rpc UnaryRPC(RequestMessage) returns (ResponseMessage) {}

  // Server-Streaming RPC
  rpc ServerStreamingRPC(RequestMessage) returns (stream ResponseMessage) {}

  // Client-Streaming RPC
  rpc ClientStreamingRPC(stream RequestMessage) returns (ResponseMessage) {}

  // Bidirectional-Streaming RPC
  rpc BidirectionalStreamingRPC(stream RequestMessage) returns (stream ResponseMessage) {}
}

message RequestMessage {
  string message = 1;
}

message ResponseMessage {
  string message = 1;
}

通过protoc，我们可基于上述proto文件生成MyService桩(Stub)代码，生成的代码放在了mygrpc目录下面：

// grpc-test-examples/grpctest/Makefile

all: gen

gen:
    protoc -I ./IDL/proto mygrpc.proto --gofast_out=plugins=grpc:./mygrpc

注：你的环境下需要安装protoc和protoc-gen-go才能正确执行上面生成命令，具体的安装方法可参考protoc安装文档。

注：除了使用经典的protoc基于proto文件生成Go源码外，也可以基于Go开发的buf cli进行代码生成和API管理。buf cLi是现代、快速、高效的Protobuf API管理的终极工具，为基于Protobuf的开发和维护提供了全面的解决方案。等有机会的时候，我在以后的文章中详细说说buf。

有了生成的桩代码后，我们便可以建立一个gRPC服务器：

// grpc-test-examples/grpctest/main.go

package main

import (
    pb "demo/mygrpc"
    "log"
    "net"

    "google.golang.org/grpc"
)

func main() {
    // 创建 gRPC 服务器
    lis, err := net.Listen("tcp", ":50051")
    if err != nil {
        log.Fatalf("failed to listen: %v", err)
    }
    s := grpc.NewServer()

    // 注册 MyService 服务
    pb.RegisterMyServiceServer(s, &server{})

    // 启动 gRPC 服务器
    log.Println("Starting gRPC server...")
    if err := s.Serve(lis); err != nil {
        log.Fatalf("failed to serve: %v", err)
    }
}

我们看到：在main函数中，我们创建了一个TCP监听器，并使用grpc.NewServer()创建了一个gRPC服务器。然后，我们通过调用pb.RegisterMyServiceServer()将server类型的实例注册到gRPC服务器上，以处理来自客户端的请求。最后，我们启动gRPC服务器并监听指定的端口。

上面代码中注册到服务器中的server类型就是实现了MyService服务接口的具体类型，它实现了MyService定义的所有方法：

// grpc-test-examples/grpctest/server.go

package main

import (
    "context"
    "fmt"
    "strconv"

    pb "demo/mygrpc"
)

type server struct{}

func (s *server) UnaryRPC(ctx context.Context, req *pb.RequestMessage) (*pb.ResponseMessage, error) {
    message := "Unary RPC received: " + req.Message
    fmt.Println(message)

    return &pb.ResponseMessage{
        Message: "Unary RPC response",
    }, nil
}

func (s *server) ServerStreamingRPC(req *pb.RequestMessage, stream pb.MyService_ServerStreamingRPCServer) error {
    message := "Server Streaming RPC received: " + req.Message
    fmt.Println(message)

    for i := 0; i < 5; i++ {
        response := &pb.ResponseMessage{
            Message: "Server Streaming RPC response " + strconv.Itoa(i+1),
        }
        if err := stream.Send(response); err != nil {
            return err
        }
    }

    return nil
}

func (s *server) ClientStreamingRPC(stream pb.MyService_ClientStreamingRPCServer) error {
    var messages []string

    for {
        req, err := stream.Recv()
        if err != nil {
            return err
        }

        messages = append(messages, req.Message)

        if req.Message == "end" {
            break
        }
    }

    message := "Client Streaming RPC received: " + fmt.Sprintf("%v", messages)
    fmt.Println(message)

    return stream.SendAndClose(&pb.ResponseMessage{
        Message: "Client Streaming RPC response",
    })
}

func (s *server) BidirectionalStreamingRPC(stream pb.MyService_BidirectionalStreamingRPCServer) error {
    for {
        req, err := stream.Recv()
        if err != nil {
            return err
        }

        message := "Bidirectional Streaming RPC received: " + req.Message
        fmt.Println(message)

        response := &pb.ResponseMessage{
            Message: "Bidirectional Streaming RPC response",
        }
        if err := stream.Send(response); err != nil {
            return err
        }
    }
}

在上面代码中，我们创建了一个server结构体类型，并实现了MyService的所有RPC方法。每个方法都接收相应的请求消息，并返回对应的响应消息。我们的目标仅是演示如何对上述gRPC Handler进行单元测试，所以这里的实现逻辑非常简单。

接下来，我们就来逐一对这些gRPC的Handler方法进行单测，我们先从简单的UnaryRPC方法开始。

2. Unary RPC Handler的单元测试

Unary RPC是最简单，也是最容易理解的RPC通信模式，即客户端与服务端采用一请求一应答的模式。server类型的UnaryRPC Handler方法的原型如下：

// grpc-test-examples/grpctest/server.go

func (s *server) UnaryRPC(ctx context.Context, req *pb.RequestMessage) (*pb.ResponseMessage, error)

就像文章开头做的那个httpserver的handler单测一样，我们肯定不想真实启动一个gRPC server，也不想测试gRPC服务器本身。我们只想测试服务端handler方法的逻辑是否正确。

观察一下这个方法原型，我们发现它仅依赖两个消息结构：RequestMessage和ResponseMessage，这两个消息结构是上面基于proto文件自动生成的，这样我们就可以不借助任何工具包实现对UnaryRPC handler方法的单测，也无需启动真实的gRPC Server：

// grpc-test-examples/grpctest/server_test.go

type server struct{}

func TestServerUnaryRPC(t *testing.T) {
    s := &server{}

    req := &pb.RequestMessage{
        Message: "Test message",
    }

    resp, err := s.UnaryRPC(context.Background(), req)
    if err != nil {
        t.Fatalf("UnaryRPC failed: %v", err)
    }

    expectedResp := &pb.ResponseMessage{
        Message: "Unary RPC response",
    }

    if resp.Message != expectedResp.Message {
        t.Errorf("Unexpected response. Got: %s, Want: %s", resp.Message, expectedResp.Message)
    }
}

将其改造为基于subtest和表驱动的测试也非常easy：

// grpc-test-examples/grpctest/server_test.go

func TestServerUnaryRPCs(t *testing.T) {
    tests := []struct {
        name           string
        requestMessage *pb.RequestMessage
        expectedResp   *pb.ResponseMessage
    }{
        {
            name: "Test Case 1",
            requestMessage: &pb.RequestMessage{
                Message: "Test message",
            },
            expectedResp: &pb.ResponseMessage{
                Message: "Unary RPC response",
            },
        },
        // Add more test cases as needed
    }

    s := &server{}

    for _, tt := range tests {
        t.Run(tt.name, func(t *testing.T) {
            resp, err := s.UnaryRPC(context.Background(), tt.requestMessage)
            if err != nil {
                t.Fatalf("UnaryRPC failed: %v", err)
            }

            if resp.Message != tt.expectedResp.Message {
                t.Errorf("Unexpected response. Got: %s, Want: %s", resp.Message, tt.expectedResp.Message)
            }
        })
    }
}

如果gRPC handler测试都像UnaryRPC这样简单那就好了，但实际上…，好吧，我们继续向下看就好了。

3. 针对Streaming通信模式的单元测试

3.1 ServerStreamingRPC的测试

前面说过，gRPC支持三种Streaming通信模式：Server-Streaming RPC、Client-Streaming RPC和Bidirectional-Streaming RPC。

我们先来看看Server-Streaming RPC的方法原型：

// grpc-test-examples/grpctest/server.go
func (s *server) ServerStreamingRPC(req *pb.RequestMessage, stream pb.MyService_ServerStreamingRPCServer) error

我们看到除了RequestMessag外，该方法还依赖一个MyService_ServerStreamingRPCServer的类型，这个类型是一个接口类型：

// grpc-test-examples/mygrpc/mygrpc.pb.go

type MyService_ServerStreamingRPCServer interface {
    Send(*ResponseMessage) error
    grpc.ServerStream
}

到这里，你脑子中可能已经冒出了一个想法：使用fake object来对ServerStreamingRPC进行单测，这的确是一个可行的方法，我们下面就基于这个思路实现一下。

注：关于基于fake object进行单测的内容，大家可以看看我以前写的一篇文章《[]单测时尽量用fake object(https://tonybai.com/2023/04/20/provide-fake-object-for-external-collaborators)》。

3.2 基于fake object的测试

我们首先创建一个实现MyService_ServerStreamingRPCServer的fake object用以代替真实运行RPC服务器时由服务器传入的stream object：

// grpc-test-examples/grpctest/server_with_fakeobject_test.go

import (
    "testing"

    pb "demo/mygrpc"

    "google.golang.org/grpc"
)

type fakeServerStreamingRPCStream struct {
    grpc.ServerStream
    responses []*pb.ResponseMessage
}

func (m *fakeServerStreamingRPCStream) Send(resp *pb.ResponseMessage) error {
    m.responses = append(m.responses, resp)
    return nil
}

我们看到fakeServerStreamingRPCStream的Send方法只是将收到的ResponseMessage追加到且内部的ResponseMessage切片中。

接下来我们为ServerStreamingRPC编写测试用例：

// grpc-test-examples/grpctest/server_with_fakeobject_test.go

func TestServerServerStreamingRPC(t *testing.T) {
    s := &server{}  

    req := &pb.RequestMessage{
        Message: "Test message",
    }  

    stream := &fakeServerStreamingRPCStream{}  

    err := s.ServerStreamingRPC(req, stream)
    if err != nil {
        t.Fatalf("ServerStreamingRPC failed: %v", err)
    }  

    expectedResponses := []string{
        "Server Streaming RPC response 1",
        "Server Streaming RPC response 2",
        "Server Streaming RPC response 3",
        "Server Streaming RPC response 4",
        "Server Streaming RPC response 5",
    }                                                                                                          

    if len(stream.responses) != len(expectedResponses) {
        t.Errorf("Unexpected number of responses. Got: %d, Want: %d", len(stream.responses), len(expectedResponses))
    }                                                                                                          

    for i, resp := range stream.responses {
        if resp.Message != expectedResponses[i] {
            t.Errorf("Unexpected response at index %d. Got: %s, Want: %s", i, resp.Message, expectedResponses[i])
        }
    }
}

在这个测试中，ServerStreamingRPC接收一个请求(req)，并通过fake stream object的Send方法返回了5个response，通过与预期的response对比，即可做出测试是否通过的断言。

到这里，我们看到：fake object完全满足对gRPC Server Handler进行测试的要求。不过我们需要针对不同的Handler建立不同的fake object类型，和文初基于httptest创建的测试用例相比，用例间欠缺了一些一致性。

那grpc-go是否提供了类似httptest的工具来帮助我们更一致的实现grpc server handler的测试用例呢？我们继续往下看。

3.3 利用grpc-go提供的测试工具包

grpc-go项目在test下提供了bufconn包，可以帮助我们像httptest那样建立用于测试的“虚拟gRPC服务器”，下面是基于bufconn包建立gRPC测试用服务器的代码：

// grpc-test-examples/grpctest/server_with_buffconn_test.go

package main

import (
    "context"
    "log"
    "net"
    "testing"

    pb "demo/mygrpc"

    "google.golang.org/grpc"
    "google.golang.org/grpc/test/bufconn"
)

func newGRPCServer(t *testing.T) (pb.MyServiceClient, func()) {
    // 创建 bufconn.Listener 作为服务器的监听器
    listener := bufconn.Listen(1024 * 1024)

    // 创建 gRPC 服务器
    srv := grpc.NewServer()

    // 注册服务处理程序
    pb.RegisterMyServiceServer(srv, &server{})

    // 在监听器上启动服务器
    go func() {
        if err := srv.Serve(listener); err != nil {
            t.Fatalf("Server failed to start: %v", err)
        }
    }()

    // 创建 bufconn.Dialer 作为客户端连接
    dialer := func(context.Context, string) (net.Conn, error) {
        return listener.Dial()
    }

    // 使用 DialContext 和 bufconn.Dialer 创建客户端连接
    conn, err := grpc.DialContext(context.Background(), "bufnet", grpc.WithContextDialer(dialer), grpc.WithInsecure())
    if err != nil {
        t.Fatalf("Failed to dial server: %v", err)
    }

    // 创建客户端实例
    client := pb.NewMyServiceClient(conn)
    return client, func() {
        err := listener.Close()
        if err != nil {
            log.Printf("error closing listener: %v", err)
        }
        srv.Stop()
    }
}

newGRPCServer是一个用于在测试中创建gRPC服务器和客户端的辅助函数，它使用bufconn.Listen创建一个bufconn.Listener作为服务器的监听器。bufconn包提供了一种在内存中模拟网络连接的方法。然后，它使用grpc.NewServer()创建了一个新的gRPC服务器实例，并使用pb.RegisterMyServiceServer将待测的服务实例(这里是server类型实例)注册到gRPC服务器中。接下来，它创建了与该服务器建连的gRPC客户端，由于该客户端要与bufconn.Listener建连，这里用了一个dialer函数，该函数将通过调用listener.Dial()来建立与服务器的连接。之后基于该连接，我们创建了MyServiceClient的客户端实例，并返回，供测试用例使用。

基于newGPRCServer这种方式，我们改造一下UnaryRPC的测试用例：

// grpc-test-examples/grpctest/server_with_buffconn_test.go

func TestServerUnaryRPCWithBufConn(t *testing.T) {
    client, shutdown := newGRPCServer(t)
    defer shutdown()

    tests := []struct {
        name           string
        requestMessage *pb.RequestMessage
        expectedResp   *pb.ResponseMessage
    }{
        {
            name: "Test Case 1",
            requestMessage: &pb.RequestMessage{
                Message: "Test message",
            },
            expectedResp: &pb.ResponseMessage{
                Message: "Unary RPC response",
            },
        },
        // Add more test cases as needed
    }

    for _, tt := range tests {
        t.Run(tt.name, func(t *testing.T) {
            resp, err := client.UnaryRPC(context.Background(), tt.requestMessage)
            if err != nil {
                t.Fatalf("UnaryRPC failed: %v", err)
            }

            if resp.Message != tt.expectedResp.Message {
                t.Errorf("Unexpected response. Got: %s, Want: %s", resp.Message, tt.expectedResp.Message)
            }
        })
    }
}

我们看到，相对于前面的TestServerUnaryRPCs，两者复杂度在一个层次。如果结合下面的ServerStreamRPC的测试用例，你就能看出这种方式在测试用例一致性方面的优势了：

// grpc-test-examples/grpctest/server_with_buffconn_test.go

func TestServerServerStreamingRPCWithBufConn(t *testing.T) {
    client, shutdown := newGRPCServer(t)
    defer shutdown()

    req := &pb.RequestMessage{
        Message: "Test message",
    }

    stream, err := client.ServerStreamingRPC(context.Background(), req)
    if err != nil {
        t.Fatalf("ServerStreamingRPC failed: %v", err)
    }

    expectedResponses := []string{
        "Server Streaming RPC response 1",
        "Server Streaming RPC response 2",
        "Server Streaming RPC response 3",
        "Server Streaming RPC response 4",
        "Server Streaming RPC response 5",
    }

    gotResponses := []string{}

    for {
        resp, err := stream.Recv()
        if err != nil {
            break
        }
        gotResponses = append(gotResponses, resp.Message)
    }

    if len(gotResponses) != len(expectedResponses) {
        t.Errorf("Unexpected number of responses. Got: %d, Want: %d", len(gotResponses), len(expectedResponses))
    }

    for i, resp := range gotResponses {
        if resp != expectedResponses[i] {
            t.Errorf("Unexpected response at index %d. Got: %s, Want: %s", i, resp, expectedResponses[i])
        }
    }
}

我们再也无需为每个Server Handler建立各自的fake object了！

由此看到：grpc-go的test/bufconn就是类似httptest的那个grpc server handler的测试脚手架搭建工具。

3.4 其他Streaming模式的Handler测试

有了bufconn这一利器，其他Streaming模式的Handler测试实现逻辑就大同小异了。本文示例中的ClientStreamingRPC和BidirectionalStreamingRPC两个Handler的测试用例就作为作业，交给各位读者去完成吧！

4. 小结

在本文中，我们详细探讨了如何对gRPC服务端Handler进行单元测试，我们的目标是找到像net/http/httptest包那样的，可以为gRPC服务端handler测试提供脚手架代码帮助的测试方法。

我们按照gRPC的四种通信方式，由简到难的逐一探讨各种Handler的单测方法。UnaryRPC handler测试最为简单，毫无技巧的普通测试逻辑便能应付。

但一旦涉及streaming通信方式的测试，我们就需要借助类似fake object的单测技术了。但fake object也有不足，那就是需要为每个RPC handler建立单独的fake object，费时费力还缺少一致性！

好在，grpc-go项目为我们提供了test/bufconn包，该包可以像net/http/httptest包那样帮助我们快速建立可复用的测试脚手架代码，这样我们便可以为所有服务端RPC Handler建立一致、稳定的单元测试用例了！

当然，服务端RPC Handler的单测方法可能不止文中提及这些，各位读者如果有更好的方法和实践，欢迎在评论区留言！

本文涉及的源码可以在这里下载。

5. 参考资料

Testing gRPC methods – https://medium.com/@johnsiilver/testing-grpc-methods-6a8edad4159d
《gRPC Up and Running》 – https://book.douban.com/subject/34796013/
Mocking the Universe: Two Techniques for Testing gRPC with Mocks – https://rotational.io/blog/mocking-the-universe/

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